基于不同方法的某工程設計波浪要素確定

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

設計波浪要素是影響水利工程建設的一個重要因素,目前,有較多的專家學者對設計波浪要素的確定進行了大量的研究,取得了較為豐碩的成果,在工程實踐中積累較多成功的經驗。目前,MIKE21 數值模擬分析是確定波浪要素的一個常用方法,具有建模簡便、計算準確等優勢,在工程實踐中得到了廣泛的應用[1-3]。

2 工程波況

工程區東北向有大門島、小門島、霓嶼島和洞頭島等島嶼遮擋,東向、東南向為開敞水域,受外海波浪影響,主要為風浪和涌浪組成的混合浪。據波浪資料統計,年平均波高1.1 m,最大波高10.0 m,波向E。海域呈現兩個常浪向,以東向浪為主,（E、ESE）向浪,年出現頻率為46.2%,偏北向浪次之,（NNE、NE）向浪,年出現頻率為28%,偏南向浪,（SSW、SW）向浪,年出現頻率為6.7%。

3 MIKE21 譜波浪（SW）數模計算

根據工程地理位置,海堤北段處半開敞式海域,受風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。波浪計算采用MIKE21 軟件進行計算。MIKE21 譜波浪（SW）主要應用于波浪變形、泥沙輸運及底床演變的研究中,模擬海岸地區風浪的成長、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。其計算過程包含了折射、淺水變形、風、底摩阻、破碎等影響,應用簡單,計算速度較快。該模式在國內已成功的應用于海岸、河口及近海水域波浪預報。

（1）外海波要素

根據多年的實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。計算結果見表1。

表1 深水波浪要素

（2）堤前設計波要素

MIKE 21 SW 以波能守恒原理為基礎,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波頻σ 和波向θ。波作用密度與波能譜密度E（σ,θ）的關系為：

其中σ 為相當頻率；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系下的表達式為：

式中傳播速度均采用線性波理論計算：

MIKE 21 SW 模型中的源函數項描述了各種物理現象的源函數的疊加：

式中：Sin為風輸入的能量；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生的能量損耗。

波浪數學模型的起始邊界取在-20 m 等深線附近。底摩阻系數取為0.01。數模計算包含風能輸入情況,各風50 年一遇最大風速見表2。

表2 50 年一遇工程區各風向風速表

各向50 年一遇波浪要素見表3,波浪場計算結果表明：在三個計算波向中,工程區附近的E～ESE 向和SE～SSE 向波浪較大,S～SSW 向波浪相對較小。

表3 塘前設計波浪要素成果表（P=2%）

4 采用莆田風浪要素計算波要素

工程區域鄰近沒有長期的波浪站,根據《海堤工程設計規范》（SL 435-2008）及《浙江省海塘工程技術規定》（1999 年,以下簡稱“規定”）,以風浪為主的有限風區,采用風推浪的方法,即“莆田海堤試驗站公式”,開敞式水域受外海涌浪或混合浪影響,采用“規定”南麂站長期實測波要素推算設計波要素,設計波要素代表等深線為20 m 處的設計波要素。計算中考慮波浪淺水變形。

“莆田風浪要素計算公式”式如下：

風區長度按采用等效風區長度計算,其計算如下：

風區水深為風區內水域平均深度。

（1）由風區產生的波浪

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區產生。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區產生。依據 “規定”有關規定,采用“莆田公式”計算北堤和主堤北端連接段的風浪要素,風向組分別為N～NNE、NE～ENE 和NE～ENE、E～ESE,經淺水校正后的計算結果見表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,為無限風區。順直段大致呈東北-西南走向,堤線面向無限風區。按照“規定”的要求,波浪計算采用浪推浪方法計算設計波要素,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,為無限風區。波浪計算也采用浪推浪方法計算設計波要素。通過波浪淺水變形計算,推求堤前波浪要素,堤前波要素成果見表6。

表6 南堤堤前設計波要素（浪推浪,P=2%） 單位：m

5 推薦堤前波浪要素

通過對比分析,浪推浪計算成果和MIKE21 近岸譜波浪（NSW）數模計算成果基本一致,數模成果略大一點。根據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計波浪要素見表7。

表7 各堤段堤前設計波要素（P=2%）

6 結論

為了確定工程的設計波浪要素為后續工程設計提供依據,分別采用MIKE21 數值模擬方法和規范推薦的莆田風浪要素方法進行分析計算,工程區附近的E～ESE 向和SE～SSE向波浪較大,S～SSW 向波浪相對較小。根據計算結果,兩種方法所的波浪要素基本一致,從安全角度考慮,采用較大的數值作為設計依據,不同段波浪平均爬高為0.65 m～2.13 m。