涌浪影响下的某浮式LNG 接收码头港内波浪研究

卢生军，丁建军，李少斌

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

引言

与传统陆上LNG 接收站相比，浮式LNG 接收码头具有建造成本低、周期短、选址方便、灵活性高及可重复利用等诸多优点[1]。浮式LNG 接收码头的接收终端通常包含一座浮式储气装置 FSU（Floating Storage Unit）和一座再气化浮平台FRU（Floating Regasification Unit），而有些会将储气和气化装置合并建设在一个浮体上，称为 FSRU（Floating Storage and Regasification Unit）[2]。

由于浮式LNG 接收码头是将原本由陆上或者在固定式平台上操作完成的装卸作业工艺移到了海上完成，且主要码头结构采用浮式，故与传统陆式接收码头相比，其装卸作业和码头结构对港内波浪条件的变化更敏感，因而要求的波浪条件的精度也越高。另一方面，涌浪因周期长、波能大，相较于风浪，其因绕射、透射和反射导致的港内波浪条件也更加恶劣，即在相同外海波浪条件下，涌浪将比风浪产生更大的港内波高及结构波浪力。因此，当需要在涌浪影响海域建设浮式LNG 接收码头时，应特别对其港内波浪条件进行专门研究，为码头平面布置、船舶系泊和浮体锚碇结构等的设计提供准确的输入条件参数。

本文依托某位于涌浪海域的浮式LNG 码头工程开展的系列波浪数模及物理模型试验，并结合涌浪及浮式LNG 码头的具体特点，对该码头的港内波浪进行了分析研究，从而为今后涌浪影响海域的类似浮式LNG 码头工程的设计提供一定参考。

1 工程概况

1.1 潮位及设计水位

依托工程位于西非的几内亚湾海域，根据Admiralty Tide Tables (ATT) (UKHO,2016)[3]提供的潮位信息，工程海域的潮位信息如下表1 所示。

表1 潮位信息

该码头工程的设计使用年限为25 年，防波堤设计使用年限为100 年。考虑近岸波浪增水、海平面上升等的影响后，确定用于码头设计的高水位和低水位分别为+2.1 mCD 和-0.2 mCD。

1.2 波浪条件

受源自大西洋高纬度地带的温带气旋长距离传播过来的波浪影响，工程区域波浪以长周期涌浪为主，但也存在风浪，以及由极端天气“飑线”风形成的浪。“飑线”是只排列成带状的雷暴群，亦称“不稳定线”或“气压涌升线”，是一种范围较小、生命史较短、气压和风的不连续线，属中尺度天气系统之一，其宽度由几百米至几十公里，过境时间由几分钟至2 小时[4]。

1）外海波浪

通过对Oceanweather 公司WANE3（West Africa Normals and Extremes project）模型提供的工程海域1979 年至2016 年的外海波浪后报数据进行的统计分析[5]，得到工程海域波高与周期及波高与波向的分布如图1 至图3 所示，其中风浪和涌浪的分离采用二维谱方法[6]。

从图1 至图3 可以得出，工程海域外海波浪具有如下明显特征：

图1 波高Hs 与周期Tp 散点图（涌浪）

图2 波高Hs 与周期Tp 散点图（风浪）

图3 波高Hs 与波向散点图

①工程海域既有风浪又有涌浪，波浪以涌浪为主，波周期Tp分布范围较大，最大可达20 s；

②涌浪波高Hs一般小于2.5 m，但在波高Hs为1.5 m 时，其周期Tp可达到20 s，周期较长；

③风浪波高Hs一般小于2.0 m，周期Tp小于8 s；

④波浪方向集中于南偏东或偏西10°范围，即波向为170°至190°。

2）近岸波浪

基于WANE3 模型提供的外海长期波浪连续时间序列数据，采用频率统计方法得到外海不同重现期的极值波浪要素。然后通过MIKE21-SW 分析模块[5]，计算得到防波堤堤脚处的近岸设计波浪要素如下表2 所示。由于该海域既有风浪又有涌浪，故同一重现期波高往往对应一个范围的波周期。

表2 设计波高Hs

1.3 码头平面

码头位于现有老港已建防波堤口门的南侧位置，包含一座永久系泊的FRU 平台和一艘FSU 储汽船，用于系靠FSU 及LNG 船的系、靠船墩，固定FRU 的锚桩结构，以及为码头提供掩护的780 m长新建防波堤。LNG 船定期将LNG 卸载储存至FSU，经FRU 进行再气化后，通过一根海底管线输送到岸上，用于发电和其他商业用途。码头平面布置如图4 所示。

图4 码头平面布置

1.4 防波堤结构

为给该浮码头提供掩护，项目在已有防波堤的堤头位置处新建了780 m 长防波堤延长段。因工程位置外海波浪方向为正南向（170°至190°），故防波堤轴线采用东西向U 型布置形式，如图4 所示。

防波堤采用抛石斜坡堤结构，堤心透浪。堤顶高程设置在高水位以上约1.5 倍波高位置+6.3 mCD处，宽度为9.9 m，故堤顶在极端波浪条件下会存在越浪。防波堤前、后坡坡度均为1:1.5，前坡采用2 m3的AccropodeTMII 型护面块体，而后坡采用2～5 t 护面块石以节省成本。防波堤典型断面如图5 所示。

图5 防波堤典型断面示意图

2 港内波浪数模

采用MIKE21 软件的BW 模型对防波堤掩护后的港内波浪进行了数值模拟[5]。该BW 模型能够模拟波浪的折射、绕射、反射、浅水变形及破碎等波浪传播过程，故其适合于模拟外海波浪向港内的渗透。模型边界采用完全吸收边界，即未考虑防波堤的反射、透浪、越浪及港内波浪多次反射叠加对港内波浪的影响。

模型模拟了有效波高Hs=1.0 m，不同波浪周期（Tp=8 s，12 s，16 s，20 s）下港内的波高分布情况。由于工程海域水深大，波高小，水位和波高对港内波浪绕射的影响基本可以忽略，故此时港内波高可认为基本等于其波浪绕射系数。波浪数模分析得到的港内波高（绕射系数）分布如图6 所示。

图6 不同周期下的港内波浪绕射系数

从上图6 可以得出，外海入射波因新建防波堤的阻挡掩护，绝大部分波能因波浪破碎及防波堤的反射而被消耗，最终经绕射进入港内的波能较小，波浪绕射系数最大不超过0.3。另外，从不同波周期下的港内波浪分析结果可知，周期对港内波浪的影响较大，涌浪因波周期长、波能大、绕射能力强，进而导致的港内波高也就越大。

3 港内波浪物模

3.1 防波堤透浪2D 物模试验

该工程防波堤为抛石斜坡堤结构，堤身透浪。堤顶虽仅在极端波浪条件下会产生越浪，但因与传统码头不同，该浮式LNG 码头的FSU 及FRU 为永久系靠，极端波浪条件下无法离港避浪，防波堤堤身透浪及堤顶越浪导致的港内波浪均会对泊稳和浮体结构受力产生较大影响。因此，通过2D 物模试验，对防波堤的透浪特性进行了专门研究。

试验在二维波浪水槽内进行，水槽长80 m，宽1 m，高1.5 m，模型布置如图7 所示。水槽一段安装推板式造波机，控制系统带有二次反射主动吸收程序，可消除波浪二次反射的影响。试验断面布置在水槽的另一端，在试验断面后方FRU 中心、FSU中心及LNG 船中心位置布置有浪高仪，用以测量经防波堤透浪和越浪产生的堤后波高。

图7 2D 试验模型布置图

试验采用不规则波，波谱为JONSWAP 谱，谱峰升高因子取γ=3.0。试验波浪组次如下表3 所示。

表3 试验波浪组次

通过对2D 物模试验堤后测量波浪数据的分析，得到堤后不同位置处的波浪透浪系数随周期的变化如图8 所示。

图8 堤后透浪系数随波周期变化

从上图可以得出，当波浪周期较小时，防波堤堤后透浪较小，而透浪系数随着波浪周期的增加而几乎线性增长。

3.2 3D 波浪物模

通过3D 物理模型试验，对港内波浪做了进一步研究。试验在一长56 m 宽34 m 的波浪港池中进行，按重力相似准则设计，比尺1:40。模型中共布置了19 根波高仪用于港内和防波堤堤脚处的波浪测量。3D 试验的波浪组次及波谱同2D 物模试验。经分析3D 试验测量的波浪数据，得到不同组次下的港内波高如表4 所示。

表4 港内波高数据

4 试验结果分析

4.1 水位的影响

通过波浪数模及3D 物理模型试验模拟得到港内水域的波浪情况，其在高水位+2.1 mCD 和低水位-0.2 mCD 时的港内波浪绕射系数对比如图9 所示。

图9 不同水位下港内绕射系数

从上图可以得出，高、低水位下的波浪绕射系数基本对称分布于中线两侧，即说明水位对港内波浪绕射系数影响很小，几乎可以忽略。这一方面是由于本工程高、低水位差较小，为2.3 m。更主要的是因为港内水深较深，超过-15 mCD，而入射波经过绕射之后进入港内的波高较小，不足1 m，此时为深水波情况，港内波浪在高、低水位时均未发生明显浅水变形和破碎。

4.2 周期的影响

本工程位于涌浪影响海域，为研究长周期涌浪对港内波浪绕射的影响，通过数模及3D 物模结果绘制了港内不同位置处波浪绕射系数随波周期的变化如图10 所示。

图10 绕射系数随入射波周期变化

从上图可以明显的发现波浪绕射系数随波周期的变化有如下特征：

a.数模及3D 物模结果均表明，港内波浪绕射系数随着波浪周期的增加而增大，且基本呈线性增加趋势；

b.当波浪周期较小时（Tp=7 s），港内绕射系数数、物模结果基本相等，但随着波浪周期的增加，物模结果明显大于数模，且周期越大，差值越大。

4.3 透浪的影响

由于波浪数模没考虑防波堤透浪及港内波浪多次反射对港内波高的影响，故从图10 可以明显看出，数模中的港内波浪绕射系数明显小于物模结果。在忽略波浪方向及相位的影响后，通过简单的波能平衡原理，将2D 物模测量得到的防波堤透浪与数模绕射波浪合并以考虑防波堤透浪的影响后，得到修正后的数模结果如图11 所示。

图11 修正后的数模结果

从上图可以得出，在考虑防波堤透浪的影响后，港内波浪绕射系数有了明显增加，比较靠近物模结果，但仍还有一定偏差，这是由于数模中没有考虑港内波浪多次反射后导致的波能聚集，而本项目的波浪又以涌浪为主，长周期涌浪在港内的多次反射和共振现象导致的波能聚集明显。

5 结语

依托某在建浮式LNG 码头工程的波浪数模及物理模型试验，对涌浪影响海域的港内波浪进行了研究，结果表明：

1）防波堤透浪对港内波高有明显影响，周期越长透浪越大，对港内波浪影响也越大。故在评估长周期涌浪影响下的港内波浪时，不宜直接忽略防波堤透浪的影响。

2）波浪周期对港内波浪有显著影响，港内波高随着波浪周期的增加而增大，且呈线性增加趋势。

3）长周期涌浪透射及反射能力较强，一般波浪数模由于不能真实模拟防波堤透浪及港内多次反射导致的波能聚集现象，故分析得到的港内波高结果偏小，这对于浮式LNG 码头需特别注意，因其对港内波高的变化十分敏感，波高的微小增加将会导致浮体所受波浪力及运动量的显著增大。此时，建议通过3D 波浪物理模型试验对港内波浪做更准确评估。