采用波浪繞射理論對凹入式出海閘閘前波浪高度分析與研究

潘世虎

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

1 問題的提出

閘前波浪要素與閘前風向、風速、風區(qū)長度和風區(qū)的平均水深等因素密切相關，對于某一個出海閘，閘前風向、風速、風區(qū)的平均水深已確定，而風區(qū)長度與水閘的位置息息相關。

平原出海閘，兩側是綿長的一線海塘，閘外是遼闊的海域，根據(jù)水閘與一線海塘的平面位置關系，可分為外凸式、平齊式和內凹式3種形式，其位置關系如圖1所示。

從圖1可以直觀看出，對于外凸式和平齊式水閘，其波浪計算的風區(qū)長度應與一線海塘基本一致，但對于內凹式水閘，由于凹入長度有長有短，長則2～3km，短則100～200m，不宜采用與一線海塘一樣的風區(qū)長度。

例如上海的出海閘，閘室到對岸的距離就各不相同。根據(jù)《上海市海塘規(guī)劃》，市區(qū)段一線海塘的擋潮標準為重現(xiàn)期200年一遇高潮位+12級風下限，故水閘閘前波浪計算宜采用200年一遇高潮位加12級風下限(水閘主要建筑物級別為1級)，風向均為正向襲擊，風速為32.7m/s，幾座出海閘的閘前設計波浪要素詳見表1。

圖1 水閘與一線海塘關系圖

表1 上海四座出海閘閘前波浪要素計算表

從表1可以看出，風區(qū)長度對閘前波浪的影響較為顯著。對于閘外前沿水域較寬、凹入長度較長的水閘采用多長的風區(qū)長度，將直接影響到水閘的安全和投資，若風區(qū)長度選小了，水閘將偏不安全，反之水閘投資將大大增加。

SL 265—2001《水閘設計規(guī)范》對閘前風區(qū)長度的闡述為：“當閘前水域較寬廣或對岸最遠的距離不超過水閘前沿水面寬度5倍時，可采用對面至水閘前沿的直線距離；當閘前水域較狹窄或對岸最遠距離超過水閘前沿水面寬度5倍時，可采用水閘前沿水面寬度的5倍?！卑瓷鲜稣f法，閘前風區(qū)計算長度存在以下四種情況：①當閘前水域較寬廣，采用對岸至水閘前沿的直線距離；②當對岸最遠的距離不超過水閘前沿水面寬度5倍時，采用對面至水閘前沿的直線距離；③當閘前水域較狹窄，采用水閘前沿水面寬度的5倍；④對岸最遠距離超過水閘前沿水面寬度5倍時，采用水閘前沿水面寬度的5倍。四種情況均闡明的是不超過閘前寬度5倍的原則。

但是，對于不同的內凹式平原出海閘，水閘向內凹入長度不同，水閘前沿水面寬度應按內凹段的水面寬度，還是應按凹口外一線海塘外的水面寬度，規(guī)范沒有明確解釋。若按水閘前沿塘外寬度，風區(qū)長度將很長，基本為水閘正對的海域寬度；若按閘室外側寬度(即內凹段的寬度)，風區(qū)計算長度就較短，為內凹段寬度的5倍，兩者計算出的波浪高度差別很大。因此，在計算內凹式平原出海閘閘前波浪高度時，如何合理的選用風區(qū)長度，現(xiàn)行規(guī)范沒有更詳細的解釋。

本文采用波浪繞射理論分析凹式平原出海閘在不同的閘室前寬度(凹入口門寬度)情況下，風區(qū)長度選擇的研究成果，供設計者參考。

2 波浪繞射理論

波浪繞射理論是假定水流是不可壓縮的理想流體，將結構物邊界作為波動著的流體邊界的一部分，先找出在結構物邊界上結構物對入射波的散射速度勢和未受結構物擾動的入射波的速度勢，兩者迭加后即為結構物邊界上擾動后的速度勢。該理論認為，波浪遇到障礙物后即發(fā)生繞射現(xiàn)象，繞射后，其波列頻率和周期不變，只有波高發(fā)生了變化。也就是說，發(fā)生繞射后的波高與入射波高有著一一對應的關系，這就為采用繞射理論計算不同凹入長度處閘前波浪高度奠定了基礎。

繞射波高計算公式如下：

Hd=KdHi

(1)

式中，Hd—防波堤后某點的繞射波高，m；Kd—繞射系數(shù)；Hi—防波堤口門處入射波波高，m。

繞射系數(shù)Kd與入射口門處兩側堤坡型式、口門寬度和入射波波長有關。堤坡型式分為斜坡式和直立式兩種。繞射系數(shù)根據(jù)口門寬度與入射波長的比值確定計算方式，當比值小于5時，按雙突堤計算，否則按單突堤計算。由于與水閘相接一線海塘一般為斜坡堤，故閘前波浪繞射系數(shù)計算按斜坡堤進行。

雙突堤繞射系數(shù)如圖2所示，其中，L—入射波波長，m；B—口門寬度，m；ρ—計算點至口門中心距離，m；α—波浪波向線與口門中心線夾角，°。

圖2 雙突堤繞射系數(shù)表

單突堤繞射系數(shù)計算公式如下：

(2)

式中，r—計算點至堤頭間的距離，m，θ—計算點與堤頭連線與堤軸線之間夾角，(°)；θ0—入射波向線與堤軸線之間的夾角，(°)。

3 采用繞射理論分析閘前波高

采用繞射理論計算閘前波高，首先應確定入射波的波浪要素，主要是平均波長和累積頻率波高；其次要確定不同口門寬度條件下，堤后不同水閘位置的波浪繞射系數(shù)Kd；最后得出水閘不同的凹入長度處閘前波浪高度。

(1)入射波的波浪要素分析

對于出海閘來講，入射波就是一線海塘的堤前波浪。其波浪要素與風速、吹程和平均水深有關，結合我國海域基本情況，給出不同風區(qū)長度的波浪要素，詳見表2。

表2 不同風區(qū)長度的波浪要素表

注：1.一線海塘水閘一般為1級建筑物，故累積頻率波高采1%的;2.風區(qū)長度10km以內，平均水深按10m計，10～30km按15m計，30～50km按20m計，50km以上按25m計;3.風速采用12級風下限32.7m/s;4.平均波長括號外為計算值，括號內為下文研究采用的近似值。

由表2可以看出，風區(qū)越長，平均波長越長，平均波高越大。

(2)波浪繞射系數(shù)分析

計算時，入射波波向線與水閘中心線一致，當口門寬度不大于5倍波長L時，采用斜坡雙突堤計算，當超過5倍波長時，按斜坡單突堤計算。計算成果如圖3所示。

圖3 不同口門寬度繞射系數(shù)Kd圖

從圖3中可以看出，當水閘閘前口門寬度不大于5倍波長時，閘室凹入長度越長，繞射系數(shù)就越小，當凹入長度大于30倍波長時，波浪繞射系數(shù)基本在0.5以下，即：波高不超過堤前波高的一半；當水閘閘前口門寬度大于5倍波長時，波浪繞射系數(shù)始終為1，說明在這種情況下，閘前波浪與堤前波浪沒有發(fā)生變化，閘前波高采用堤前波高即可。

(3)閘前繞射波高計算

由圖2可知，繞射系數(shù)僅與入射波口門寬度和水閘凹入長度相關，而二者又與入射波的波長有關，在水閘凹入長度與波長之比相同時，閘前波高與入射波高正相關。表3為海域平均水深為10m、吹程為5km時，不同閘前寬度和凹入長度的閘前繞射波高計算成果。

表3 閘室前繞射波高計算成果表(波長L=30m)單位：m

由表3知，在平均波長均為30m時，閘室前寬度不變，閘室凹入長度越大，波高就越??；凹入長度不變時，閘室前寬度越大，波高越大。例如：當閘前寬度為120m時，閘室凹入長度為600m(5倍的閘前寬度)時，閘室前波高僅為0.8m，而相應的入射波高為2.22m(見表2)，閘前波高僅為入射波高的36%左右，充分說明凹入長度對波高的影響較大。

4 兩種閘前波高比較與分析

4.1 采用規(guī)范理論的閘前波高分析

閘前平均水深采用10m，風速采用12級風下限，閘前寬度采用凹入口門寬度40～400m，風區(qū)長度采用5倍閘前寬度(凹入口門處寬度，下同)，計算波高為1%累計頻率波高+波浪中心線高度，計算成果見表4。

表4 規(guī)范理論閘前波高計算成果表 單位：m

與表3(平均波長為30m)相比，采用規(guī)范計算相對較保守，例如，當閘室前寬度為120m時，按規(guī)范5倍寬度風區(qū)長度計算波浪高度為1.21m，而按繞射計算相同位置的閘前波高僅為0.8m，規(guī)范公式偏安全些。但如果入射波長變大后，規(guī)范公式就偏不安全了。

4.2 繞射波高分析(繞射長度采用閘前寬度的5倍)

繞射長度為口門中心點至計算點(閘室外前緣中心點)的長度。當繞射計算長度采用閘前寬度的5倍長度時，與入射波長相對應的閘前波高計算成果見表5。

表5 閘前繞射波高計算成果與水閘計算波高對比表

由表5知，在繞射計算長度與規(guī)范風區(qū)計算長度相同的情況下，繞射波高多大于規(guī)范計算值，這說明采用規(guī)范方式計算閘前波高偏不安全。

4.3 規(guī)范閘前波高與繞射波高比對分析

在計算閘前波高時，當閘室凹入長度超過多少倍閘前寬度，采用規(guī)范理論計算是偏安全的，表6給出了不同入射波對應滿足規(guī)范理論的繞射長度與閘前寬度最小倍數(shù)表。

表6 相同波高下繞射長度對閘前寬度的倍數(shù)表

由表6知，在與規(guī)范計算閘前波高相同的條件下，繞射計算長度隨閘前寬度(等于5倍的波長除外)的增大而減小，隨入射波長增大而增大。以閘前寬度100m為例，在入射波波長不大于40m時，按規(guī)范5倍閘前寬度計算閘前波高是偏于安全的，但當入射波波長大于40m時就不安全；波長為50m時，水閘凹入長度超過6.75倍的閘前寬度，采用規(guī)范5倍閘前寬度進行波浪計算是安全的，否則不安全；波長為80m時，水閘凹入長度超過16.80倍閘前寬度時，方可采用規(guī)范計算公式計算閘前波浪。

5 結論

通過繞射理論對閘前波浪分析計算，得出以下結論：位于一線海塘上凹入式出海閘，其閘前波浪高度與堤前波浪(入射波)要素、水閘凹入長度和口門寬度相關，可分為以下幾種情況進行分析計算。

(1)當水閘凹入段的寬度(閘前寬度)大于5倍入射波長時，閘前波浪計算宜按一線海塘風區(qū)長度進行波浪計算。

(2)當閘前寬度小于等于5倍入射波長時，若入射波長不超過30m，水閘波浪可采用5倍閘前寬度作為風區(qū)長度進行計算。

(3)當閘前寬度小于等于5倍入射波長時，若入射波長大于30m，水閘波浪計算又分為兩種情況。針對不同的入射波長L，存在一個長度界線，在界線以內，水閘波浪采用規(guī)范公式計算；在界線以外，宜采用繞射理論進行分析計算。分界線與入射口門中心距A與5倍閘前寬度5B的比值與閘前寬度B的關系曲線及函數(shù)關系如圖4所示。

圖4 分界長度A、閘前寬度B的關系曲線及函數(shù)關系