岛群中建港水动力关键技术问题研究 报告简本.doc

U!离岸深水港口建设关键技术研究课题之四岛群中建港水动力关键技术问题研究报告简本0刖日本项目主要从与港口有关的水文、泥沙和波浪条件出发，以洋山 深水大港为依托，以港口调研资料分析为基础，全面论述岛群海域 泥沙环境、泥沙淤积机理、淤积计算和物理模型的研究成果，总结 岛群港口选址及建筑物布置的基本原则并通过对岛群间波浪传播 模拟方•法的研究，以及对岛群间波浪的波高频率分布特征、台风浪 双峰谱周期特征、波浪能量的方向分布特征的分析，得到了岛群波 浪与无遮掩海域波浪的特点及模拟方法与关键技术点；在大量模型 实践基础上，结合已有规范给出了考虑波浪的船舶系泊参数计算方 法1. 项目主要研究内容岛群中建港水动力关键技术问题研究y念群海域泥便 淤积机理及泥 沙淤积预测< y条山深水港Q波浪潮流泥沙及台风浪骤淤数学模型研究国群海域波 特性与船舶系 泊条件研究< y岛群海域港口 选址与建筑物 布置的基木原 则研究、 7每山深水港g设及规划方案研究. )本项目共分五个专题，《岛群海域泥沙淤积机理及泥沙淤积预 测》、《洋山深水港区波浪潮流泥沙及台风浪骤淤数学模型研究》、《岛 群海域波浪特性与船舶系泊条件研究》、《岛群海域港口选址与建筑 物布置的基本原则研究》和《洋山深水港建设及规划方案研究》。

专题一：岛群海域泥沙淤积机理及泥沙淤积预测通过洋山港海域泥沙来源、动力条件的调查与室内水流作用下 泥沙起动、沉降与输移规律的试验,研究含沙水体的平面与垂向分 布的规律及其与水流强度的对应关系；针对港口的泥沙淤积现象， 采用现场勘测，理论分析、数模计算与物模试验等多种手段，对港 I I的淤积问题进行研究，预测不同建港方案的淤积状况，提出新的 回淤量计算和预报方法专题二：洋山深水港区波浪潮流泥沙及台风浪骤淤数学模型研 究通过典型风暴潮的水文历史资料调查与收集，建立岛群海域台 风浪、风暴潮、海流及泥沙运动数学模型，进行特殊条件下的风场、 波浪场、潮流场及泥沙场的模拟，计算洋山港台风浪、风暴潮、海 流及泥沙淤积，利用实测资料对模型进行反馈分析，使模拟系统逐 步完善，并将计算结果作可视化处理专题三：岛群海域波浪特性与船舶系泊条件研究应用波浪数学模型，研究在外海多方向波浪作用下，岛屿间的 波浪分布和波谱变化规律；通过分析船舶不同吨级、不同船型和不 同载度情况下的响应特性，结合已有的研究成果，研究浪流共同作 用下的系泊条件，分析不同浪流条件下的合理系泊方式，提出船舶 受力计算方法专题四：岛群海域港口选址与建筑物布置的基本原则研究通过对洋山港、北仑港和舟山群岛诸港的实地调查，总结各港 口通航作业、水深维护、泥沙淤积的状况和岛群港11平面合理布局 若干经验与教训；结合洋山港的研究工作在总结现有岛群海域港口 建设经验的基础上，系统分析岛群海域输沙规律以及建筑物引起的 输沙特性、海床演变规律，提出在沿海岛群海域中港址选择与建筑 物布置的基本原则。

专题五：洋山深水港建设及规划方案研究本专题以洋山深水港为依托环绕着在高含沙强潮流岛群间建 港中港口的布置方案，通过各汉道的水沙条件与主通道关系，优化 设计部门提出的洋山深水大港总体规划方案，为洋山深水港后续工 程建设提供科学依据2. 项目主要研究成果2. 1专题一岛群海域泥沙淤积机理及泥沙淤积预测通过调研，收集依托工程的水文、泥沙、遥感、底质、水深及 以往研究成果等资料，为项目研究提供基础；开展现场水文泥沙测 验工作，分析含沙量垂线分布；利用现场资料、遥感图片、水槽实 验和理论分析等手段开展研究工作本专题研究工作所取得的主要 成果如下：(1) 洋山港海域为淤泥质海床，泥沙运动形态以悬移质为主， 含沙量垂线分布差异不大泥沙的冲淤除与背景含沙量有关外，主 要与本地泥沙的再悬浮、搬运及沉积有关水体中的粗颗粒泥沙、 底部悬沙以及憩流附近时刻水体中的悬浮絮凝团是造成海床淤积的 有效沙源洋山港海域的泥沙运动及海床变化是与其水流动力条件 相适应的，潮流的强弱在一定程度上决定了海床的冲淤变化，潮流 对泥沙具有起悬和搬运双重作用因此把握该海域的潮流动力变化 对于研究其海床的冲淤变化至关重要2) 平衡含沙量因成因不同可分为起悬型和沉降型，在同样大 小的水动力作用下，沉降型含沙量往往大于起悬型含沙量，在含沙 量垂线分布上，沉降型的含沙量垂线分布要比起悬型分布均匀。

这 些特点已在本次室内试验和现场资料整理中得到证实3) 海床冲淤主要取决于天然含沙量与平衡含沙量之间的差 值，当天然含沙量大于沉降型平衡含沙量时成为超平衡含沙量，海 床淤积速率与差值的大小成正比；当天然含沙量小于起悬平衡含沙 量时称为亚平衡含沙量，同时水流速度大于起动流速时，海床冲刷 速率与差值成正比含沙量介于沉降型和起悬型之间时，海床冲淤 变化很小，工程中可认为基本不变利用上述理论可用来预报海床 冲淤演变趋势海床冲淤判别关系式如下：S

最终海床冲淤厚度表达式：利用研究成果，预测了封堵颗珠山〜小洋山汉道后西部港区海床发生大面积淤积，与物模结果一致5）在浅滩上开挖深槽后,一方面因水深加大使流速减小，另 一方面乂因水流归槽而使流速加大根据二维水流数值模拟可知， 当港池长宽比达到一定比例后，港内流速总体上较天然状态增大， 且槽内流速增大趋势随挖槽长宽比增大而逐渐趋缓6) 利用水流归槽和平衡含沙量理论而建立的顺岸式港池淤积 计算公式在洋山港码头港池中得到良好的应用与验证淤积计算一般表达式为：尸丝^7，)如=丝岛(1-冬)Pc Pc So式中：p —以厚度表示的淤积率；a—泥沙沉降机率；pc—淤 积土干容重利用淤积一般式可得出顺岸式港池的淤积计算公式为： 竺&戋)或ao)S t h a△, =—^[1—(台)幻Pc h2式中：■—在淤积时间内的淤积厚度；t —淤积时间[i = m(\-2n) 为落淤综合指数；〃为平衡含沙量指数；〃为水流归槽指数，与港池 长宽比有关根据洋山港港池实际开挖深度港池不同长宽比下的落淤综合指数”为： (3 = -0.31 S2LN(~) + 0.9893B这一成果已纳入正在修编的《海港水文规范》中2.2专题二一洋山深水港区波浪潮流泥沙及台风浪骤淤数学模型研究本研究依托位于上海国际航运中心洋山深水港建设工程，采用 东中国海、长江口、杭州湾整体海区三层嵌套的方法建立了洋山港 工程海域二维潮流、泥沙及海床冲淤数学模型，对工程海区潮流和 地形冲淤变化进行计算；并联合应用美国夏威夷大学CFMS中飓风 模型、全球潮汐模型、第三代深海波浪模型、第三代近岸波浪SWAN 模型、潮汐风暴潮模型以及海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D, 对洋山工程海区台风暴潮骤淤进行了数学模拟研究。

东中国海模型示意图 长江曰杭州湾整体海区模型示意图 洋山港工程海域模型示意图台风暴潮泥沙骤淤数学模型流程图通过二维潮流泥沙数学模型，较好的复演了封堵北港区镶盖 塘〜小洋山汉道、俊盖塘〜小岩礁汉道和小乌龟〜颗珠山汉道后的潮 流场和地形的变化，并在此基础上，对保留颗珠山汉道（汉道-方案）和 封堵颗珠山汉道（大通道方案）后主通道水域及各汉道的涨、落潮潮 位、流速、潮量的变化以及地形的变化进行了预测研究结果表明： 保留颗珠山汉道和封堵颗珠山汉道，对通道内地形冲淤变化影响差 别较大颗珠山通道封堵后，大、小洋山岛链北侧四个汉道全部消 失，通道内只存在东、西口门及大洋山南侧二个汉道的涨、落潮进 出通道与原型相比加大了大洋山一侧的出流量，由此涨、落潮流 的变化造成了通道南部冲刷和北部地形的淤积改变目前已形成的 北冲南淤的格局，这种格局一旦形成，可能会引起落潮动力向南偏 移，对港区水深的维护带来不利条件保留颗珠山汉道，西港区则会保持目前地形基本保持冲淤平衡 略有冲刷的态势，并使得通道内水流向北偏移涨潮时，由颗珠山 汉道汇入、补给大、小洋山主通道以西的潮流，牵引北侧水流向西 流动，西港区微弯突岸型的岸线走向挑流作用，使得通道北侧西部 流速较原型流速增加。

落潮时，杭州湾水流由西11进入通道后，一 部分由颗珠山汉道通过，另一部分通过大、小洋山通道至东口因 此，颗珠山汉道的存在，继续保持目前通道南侧淤积，北部刷深的 格局，对西部港区的建设是有利的上述研究结果可作为洋山西港 区建设方案比选的依据利用强台风“韦帕”（2007年13号台风）的资料及区域内风、 浪、气压、水文、泥沙等相关资料，系统地模拟、预报了洋山港附 近海区的台风浪、风暴潮、海流及泥沙骤淤情况研究结果表明，洋山深水港区位于崎岖列岛岛群内侧，受岛群 的遮蔽作用，外海风浪进入港区后作用大大减弱，在台风WIPHA的 作用下，一、二期港区水域出现大面积淤积，一、二期港区水域平 均淤积厚度约为0.49in将台风"韦帕”(WTPHA)的路径北移3.5 纬度，正向登陆洋山港海域后计算得到：总体上通道内淤积幅度不 是很大，一般在都在l.5in以下，港区水域淤积幅度在0.6-1.9m, 平均淤积厚度在0.91mo通道内的淤积，为实测“韦帕”淤积的2 倍左右2. 3.专题三——岛群海域波浪特性与船舶系泊条件研究本专题收集了典型岛群海域海洋站的波浪资料，分析了岛群间波 浪的特征选用荷兰Delft科技大学研发DELFT-3D软件中SWAN(模 型、NSW模型、交通部天津水运工程科学研究所自主研发的TK-2D 中PEM模型和美国陆军工程研究中心STWAVE模型，对岛群群间 波浪传播模拟方法进行了对比研究。

通过分析船舶不同吨级、不同 船型和不同载度情况下的响应特性，结合已有的水流系缆力研究成 果，采用物理模型研究了浪流共同作用下的系泊条件，分析不同浪 流条件下的合理系泊方式，提出船舶系缆力计算方法其主要科技 成果如下：(1) 在传统PEM波浪数学模型的基础上，通过不对称差分， 增强了绕射性能；运用方向和频率的分割合成及相互作用，实现多 方向不规则波的模拟；增加了风能输入源项；通过实测资料验证，表明方向谱波浪数学模型（Wind-Wave Directional SpectrumMathematical Model）适用于岛群波浪的计算与研究2） 运用方向谱波浪数学模型模拟了温州鸥江口外岛群间的波 浪，分析了有无风能输入情况下的波高变化，表明在主方向一定角 度范围波影区内，掩护条件良好3） 对岛群间的波浪进行了方向分布与频率分布的分析，受岛 屿掩护，方向分布的主方向会产生偏移；绕射区内周期略有增大； 考虑风能输入时，频谱出现双峰4） 代表周期表达随机过程的周期的方法往往掩盖了波浪的内 在特征；对岛群海域的波浪分析应从波谱入手，分析各组成波的特征5） 根据分析和试验给出的波浪作用下横向力、纵向力计算方 法，基本反映了船舶大小、载度、波高以及船舶横摇、纵摇周期与 波浪周期大小的影响。

基于以上研究，建议对规范系缆力标准值。