SWAN模型在海島工程中的應(yīng)用

王慧+劉錦秀

摘 要：通過收集工程附近海域地形、氣象、波浪等資料，采用大范圍波浪傳播變形SWAN模型計算工程設(shè)計波浪要素，通過各種工況組合推算波浪的傳播變形，給出不同重現(xiàn)期下的設(shè)計波浪要素，為本工程平面布置設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：波浪 設(shè)計波要素 重現(xiàn)期 平面布置

1.工程概況

本項目位于汕尾市紅海灣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)遮浪巖海島，坐落于汕尾市東南偏南的遮浪角海岬角處，處于115°33′31.079″E、22°39′47.313″N的地理位置，是廣東省美麗十大島嶼之一。在遮浪巖及遮浪半島建設(shè)登島碼頭和接駁碼頭各一座，均為高樁墩臺結(jié)構(gòu)，長32m，寬8m。為了給工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，采用大范圍波浪傳播變形SWAN模型計算工程設(shè)計波浪要素，通過各種工況組合推算波浪的傳播變形，給出不同重現(xiàn)期下的設(shè)計波浪要素及港內(nèi)泊穩(wěn)條件。

2.波浪數(shù)學(xué)模型簡介

近年來，以第三代風(fēng)浪為代表的波浪生成與演化的方向譜計算模型越來越多地在工程中得到應(yīng)用。本工程中采用第三代風(fēng)浪模型中得到廣泛應(yīng)用的SWAN模型來模擬大模型和小模型的波浪變形。SWAN模型采用動譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程。在直角坐標(biāo)系中，動譜平衡方程可表示為：

通過求解方程2-1可以得到風(fēng)浪從生成、成長直至風(fēng)后衰減的全過程；也可以描述在給定恒定邊界波浪時，波浪在近岸區(qū)的折射和淺水變形。

3.設(shè)計波浪要素計算

3.1工況組合

遮浪巖所在海域開敞向南，直接受SW～SE向浪作用。受遮浪角掩護，島嶼受NE～E向浪作用較小。波浪計算時主要考慮SW、S、SE外海來浪以及WNW向小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪。設(shè)計波浪要素采用可描述復(fù)雜折繞射、淺水變形、破碎、反射（全反射、部分反射）的SWAN模型進行計算。根據(jù)碼頭所處位置分析，附近海域的波浪主要是受淺水折射、繞射綜合作用的波浪場。首先利用遮浪站重現(xiàn)期波浪素，采用大范圍海域波浪波浪傳播變形的SWAN模型率定模型邊界；其次利用經(jīng)過率定的SWAN模型計算不同浪向、設(shè)計水位條件下設(shè)計波浪要素。

模型網(wǎng)格如圖2所示。模型范圍覆蓋遮浪島附近海域，包含了紅海灣、碣石灣，外海至最大水深約60m處。模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共有60938個網(wǎng)格節(jié)點，111585個計算單元。計算單元的最小單元為20m，最大為2000m。

3.2計算結(jié)果

（1）從各向波浪傳播特征來看，SE向浪受到遮擋島的阻擋，到達工程水域以繞射為主；SW向從工程西側(cè)開闊水域入射，到達工程位置前受邊界阻擋較小，以折射變形為主；S向波浪介于SE、SW之間，包含了繞射、折射共同作用；WNW向波浪為小風(fēng)區(qū)浪，達到工程水域時波向逐漸轉(zhuǎn)為W向，工程附近以折射為主；

（2）從各向設(shè)計波浪要素的強度來看，SW向波浪為最不利波向，其次為S向；工程位置對于SE向浪掩護效果較好；WNW向波浪為小風(fēng)區(qū)浪，相比與其余三個主要波向，量值較小；

（3）從兩個平面方案的波浪特征分析，方案一碼頭相比于方案二更靠近灣內(nèi)岸線，水深更淺，所以其設(shè)計波浪值較小；在登島碼頭位置，兩個方案的碼頭均位于島后，且距離較近，掩護條件相差不大。

4.結(jié)論

（1）設(shè)計波浪要素計算表明，SW向波浪對工程最為不利，S向次之。兩方案登島碼頭設(shè)計波要素相差不大，方案一接駁碼頭掩護條件優(yōu)于方案二。

（2）建議合理設(shè)計方案結(jié)構(gòu)，盡量降低碼頭前的波浪反射。

參考文獻：

[1]《廣東省海堤工程設(shè)計導(dǎo)則》（DB44 T182-2004）.廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004.

[2]《港口與航道水文規(guī)范》.中華人民共和國交通運輸部.JTS145-2015.

[3]Holthuijsen，L.H. N. Booij and R.C. Ris. A spectral wave model for the coastal zone，Proceedings 2nd International Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis，New Orleans，Louisiana，July 25-28，1993，New York.