基于不同方法的某工程設(shè)計(jì)波浪要素確定

陳菲菲，渠 立，祝 旭，方 圓，周 鑫

（江蘇省水文水資源勘測局淮安分局,江蘇 淮安 223005）

1 引言

設(shè)計(jì)波浪要素是影響水利工程建設(shè)的一個(gè)重要因素,目前,有較多的專家學(xué)者對(duì)設(shè)計(jì)波浪要素的確定進(jìn)行了大量的研究,取得了較為豐碩的成果,在工程實(shí)踐中積累較多成功的經(jīng)驗(yàn)。目前,MIKE21 數(shù)值模擬分析是確定波浪要素的一個(gè)常用方法,具有建模簡便、計(jì)算準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì),在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

2 工程波況

工程區(qū)東北向有大門島、小門島、霓嶼島和洞頭島等島嶼遮擋,東向、東南向?yàn)殚_敞水域,受外海波浪影響,主要為風(fēng)浪和涌浪組成的混合浪。據(jù)波浪資料統(tǒng)計(jì),年平均波高1.1 m,最大波高10.0 m,波向E。海域呈現(xiàn)兩個(gè)常浪向,以東向浪為主,（E、ESE）向浪,年出現(xiàn)頻率為46.2%,偏北向浪次之,（NNE、NE）向浪,年出現(xiàn)頻率為28%,偏南向浪,（SSW、SW）向浪,年出現(xiàn)頻率為6.7%。

3 MIKE21 譜波浪（SW）數(shù)模計(jì)算

根據(jù)工程地理位置,海堤北段處半開敞式海域,受風(fēng)浪和外海涌浪的影響；海堤中段及南段地處開敞式海域,主要受外海涌浪影響。波浪計(jì)算采用MIKE21 軟件進(jìn)行計(jì)算。MIKE21 譜波浪（SW）主要應(yīng)用于波浪變形、泥沙輸運(yùn)及底床演變的研究中,模擬海岸地區(qū)風(fēng)浪的成長、衰減及變形。求解定常波浪作用平衡方程以求得近岸波浪要素。其計(jì)算過程包含了折射、淺水變形、風(fēng)、底摩阻、破碎等影響,應(yīng)用簡單,計(jì)算速度較快。該模式在國內(nèi)已成功的應(yīng)用于海岸、河口及近海水域波浪預(yù)報(bào)。

（1）外海波要素

根據(jù)多年的實(shí)測年最大波高和平均周期資料,采用P-Ⅲ型頻率曲線求得外海波要素。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 深水波浪要素

（2）堤前設(shè)計(jì)波要素

MIKE 21 SW 以波能守恒原理為基礎(chǔ),采用波作用密度譜N（σ,θ）來描述波浪。模型的自變量為相當(dāng)波頻σ 和波向θ。波作用密度與波能譜密度E（σ,θ）的關(guān)系為：

其中σ 為相當(dāng)頻率；θ為波向。

波作用守恒方程,即MIKE 21 SW 的控制方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中傳播速度均采用線性波理論計(jì)算：

MIKE 21 SW 模型中的源函數(shù)項(xiàng)描述了各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加：

式中：Sin為風(fēng)輸入的能量；Snl為波與波之間的非線性作用引起的能量損耗；Sds為由白帽耗散引起的能量損耗；Sbot為底摩阻引起的能量損耗；Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗。

波浪數(shù)學(xué)模型的起始邊界取在-20 m 等深線附近。底摩阻系數(shù)取為0.01。數(shù)模計(jì)算包含風(fēng)能輸入情況,各風(fēng)50 年一遇最大風(fēng)速見表2。

表2 50 年一遇工程區(qū)各風(fēng)向風(fēng)速表

各向50 年一遇波浪要素見表3,波浪場計(jì)算結(jié)果表明：在三個(gè)計(jì)算波向中,工程區(qū)附近的E～ESE 向和SE～SSE 向波浪較大,S～SSW 向波浪相對(duì)較小。

表3 塘前設(shè)計(jì)波浪要素成果表（P=2%）

4 采用莆田風(fēng)浪要素計(jì)算波要素

工程區(qū)域鄰近沒有長期的波浪站,根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 435-2008）及《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》（1999 年,以下簡稱“規(guī)定”）,以風(fēng)浪為主的有限風(fēng)區(qū),采用風(fēng)推浪的方法,即“莆田海堤試驗(yàn)站公式”,開敞式水域受外海涌浪或混合浪影響,采用“規(guī)定”南麂站長期實(shí)測波要素推算設(shè)計(jì)波要素,設(shè)計(jì)波要素代表等深線為20 m 處的設(shè)計(jì)波要素。計(jì)算中考慮波浪淺水變形。

“莆田風(fēng)浪要素計(jì)算公式”式如下：

風(fēng)區(qū)長度按采用等效風(fēng)區(qū)長度計(jì)算,其計(jì)算如下：

風(fēng)區(qū)水深為風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均深度。

（1）由風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的波浪

北堤受靈昆島、淺灘工程以及洞頭列島的屏蔽,外海波浪難以傳入,波浪的形成主要由風(fēng)區(qū)產(chǎn)生。主堤北端連接段E～ESE 向波浪受淺灘工程和洞頭列島的屏蔽,該向波浪的形成也主要由風(fēng)區(qū)產(chǎn)生。依據(jù) “規(guī)定”有關(guān)規(guī)定,采用“莆田公式”計(jì)算北堤和主堤北端連接段的風(fēng)浪要素,風(fēng)向組分別為N～NNE、NE～ENE 和NE～ENE、E～ESE,經(jīng)淺水校正后的計(jì)算結(jié)果見表4。

（2）開敞海域波浪

主堤面向大海,北端連接段SE～SSE 向波浪由開敞海域傳入,為無限風(fēng)區(qū)。順直段大致呈東北-西南走向,堤線面向無限風(fēng)區(qū)。按照“規(guī)定”的要求,波浪計(jì)算采用浪推浪方法計(jì)算設(shè)計(jì)波要素,選用南麂島海洋水文站的波要素,通過波浪淺水變形計(jì)算,推求堤前波浪要素,堤前波要素成果見表5。

表5 主堤堤前推算波要素（浪推浪,P=2%）

南堤波浪主要從SE～SSE 和S～SSW 方向外海傳入,為無限風(fēng)區(qū)。波浪計(jì)算也采用浪推浪方法計(jì)算設(shè)計(jì)波要素。通過波浪淺水變形計(jì)算,推求堤前波浪要素,堤前波要素成果見表6。

表6 南堤堤前設(shè)計(jì)波要素（浪推浪,P=2%） 單位：m

5 推薦堤前波浪要素

通過對(duì)比分析,浪推浪計(jì)算成果和MIKE21 近岸譜波浪（NSW）數(shù)模計(jì)算成果基本一致,數(shù)模成果略大一點(diǎn)。根據(jù)波浪大小及波向與堤軸線法向線夾角大小,為安全考慮,推薦采用工程中各堤段設(shè)計(jì)波浪要素見表7。

表7 各堤段堤前設(shè)計(jì)波要素（P=2%）

6 結(jié)論

為了確定工程的設(shè)計(jì)波浪要素為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供依據(jù),分別采用MIKE21 數(shù)值模擬方法和規(guī)范推薦的莆田風(fēng)浪要素方法進(jìn)行分析計(jì)算,工程區(qū)附近的E～ESE 向和SE～SSE向波浪較大,S～SSW 向波浪相對(duì)較小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,兩種方法所的波浪要素基本一致,從安全角度考慮,采用較大的數(shù)值作為設(shè)計(jì)依據(jù),不同段波浪平均爬高為0.65 m～2.13 m。