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(jì)算工程設(shè)計(jì)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(jì)波浪要素，為本工程平面布置設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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

1.工程概況

本項(xiàng)目位于汕尾市紅海灣經(jīng)濟(jì)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(tái)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)32m，寬8m。為了給工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，采用大范圍波浪傳播變形SWAN模型計(jì)算工程設(shè)計(jì)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(jì)波浪要素及港內(nèi)泊穩(wěn)條件。

2.波浪數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(shí)，波浪在近岸區(qū)的折射和淺水變形。

3.設(shè)計(jì)波浪要素計(jì)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(hù)，島嶼受NE～E向浪作用較小。波浪計(jì)算時(shí)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(jì)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(jìn)行計(jì)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(chǎng)。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(jì)算不同浪向、設(shè)計(jì)水位條件下設(shè)計(jì)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(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，111585個(gè)計(jì)算單元。計(jì)算單元的最小單元為20m，最大為2000m。

3.2計(jì)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(dá)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(dá)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(dá)到工程水域時(shí)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(jì)波浪要素的強(qiáng)度來看，SW向波浪為最不利波向，其次為S向；工程位置對(duì)于SE向浪掩護(hù)效果較好；WNW向波浪為小風(fēng)區(qū)浪，相比與其余三個(gè)主要波向，量值較小；

（3）從兩個(gè)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(jì)波浪值較小；在登島碼頭位置，兩個(gè)方案的碼頭均位于島后，且距離較近，掩護(hù)條件相差不大。

4.結(jié)論

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

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

參考文獻(xiàn)：

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