基于波浪数学模型的防波堤平面布置优化

吕淑杰，张笑笑

（杭州港湾交通设计咨询有限公司，浙江 杭州 310030）

受海床地形、岛屿岸线以及涉海工程影响，波浪传播至近岸易发生折射、扰流、反射以及破碎等系列变化，对近岸海床、岸线以及相关工程产生复杂作用。波浪的研究对保护岸线、涉海工程以及海域生态具有重要意义。

针对实际工程中的波浪传播问题，一般有理论分析、实验研究、现场观测以及数学模型等解决方法[1]。随着计算机技术的快速发展,数值模拟手段越来越多地应用到海岸及近海工程研究中,近年来国内外学者提出和完善了多种数值计算模型,广泛应用的有Boussinesq方程、波能平衡方程、缓坡方程等[2]。

多年建港经验表明，防波堤的建设能改变工程区域的水动力条件[3]，对于波浪传播有着很大的影响，并引起泥沙淤积、横流等相关水文要素的变化，改变工程区域的作业条件及港口维护成本。因此，防波堤的平面布置方案对工程成败起到至关重要的作用。本文依托虾峙岛某码头工程，提出防波堤平面布置整治的比选方案，根据波浪数学模型试验对方案进行波浪特性研究，模拟各方案实施后的波浪变化情况，探讨最优平面布置方案，为类似港口设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地理位置

虾峙岛位于舟山群岛南部，北距沈家门约21.5km，东北隔虾峙门国际航道与桃花岛相邻。虾峙是舟山著名的渔业镇，本工程位于舟山市普陀区虾峙岛的西南面，紧邻条帚门水道，水域最大水深达100m（1985高程基准，下同）。

1.2 防波堤现状

为改善虾峙岛西南侧岸线的泊稳条件，长山岛和虾峙本岛之间海域建设一条防波堤。防波堤长约480，口门宽度约60m，口门处设计底标高-4.0m，该防波堤已于2007 年竣工（图1）。防波堤建设之后，港池水域存在很大淤积。距离防波堤口门往北约750m 的客运码头与本工程渔业码头之间港池底标高淤积至-1.0m 左右，不能满足渔船停泊条件。目前港池航道的淤积速度和淤积量已经严重影响了当地船舶航行与锚泊，大大制约了虾峙岛内港区的生产作业。

图1 工程局部位置图

1.3 自然条件

1.3.1 嵊山海洋站波浪资料

嵊山海洋站位于六横岛东北约100km 的嵊山岛嵊山镇。测波点处于嵊山岛东南端鳗鱼头附近（即3042N、12250E），测站海拔高度37.4m，视野开阔度大于180°，测波点处水深约40m。该站是浙江北部海域主要的代表站，波浪观测资料对浙江省北部海域的外海深水波浪具有较好的代表性。

本文收集了嵊山海洋站1960 年～2009 年的分方向年极值波浪资料，从实测资料来看，该站多年实测最大波高H1/10 为13.0 米，出现在E 方向，发生在1981 年。

外海深水波要素采用交通运输部规范《港口与航道水文规范》推荐的嵊山海洋站不同方向的重现期波高和相应波周期，见表1。

表1 嵊山海洋站重现期波要素

1.3.2 设计风速资料

浙江省水利厅颁布的《浙江省海塘工程技术规定》，针对浙江沿海不同地区的设计风速作了规定，据此方法得出的六横岛沿海水域的不同方向、不同重现期的设计风速列于表2（表中数值均已折算成海平面以上10m 处的风速）。

表2 六横岛水域设计风速(m/s)

1.3.3 实测潮流

为给虾峙岛某码头整治工程提供科学依据，整治方案提出前，在工程海域内布置3个潮位站、6条固定垂线，采集区域内潮位流速流向。根据现场实测数据，当地潮流呈现以下特征：

（1）大潮平均流速明显大于小潮，落潮平均流速最大为1.14m/s，涨潮平均流速最大为1.15m/s，均出现在大潮期。大潮和小潮平均流向变化较小。

（2）实测固定垂线中，最大涨潮流为2.12m/s，出现在近底层0.8H层；最大落潮流为2.04m/s，出现在表层。

（3）受各垂线所在位置地形差异较大的影响，从大小潮平均流速看，三条垂线落涨比值大于1，而其余三条垂线落涨比值小于1。

（4）涨、落潮期固定垂线测点最大流速多数出现在垂线的上部，向水底渐减缓。

（5）除个别垂线外，大部分垂线落潮历时明显长于涨潮历时。涨潮流历时最长为（大、小潮平均）为10:37；落潮流历时最长为（大、小潮平均）为7:19。

（6）从前后半潮看，前后半潮涨、落潮流历时存在差异，基本上表现为前半潮落潮历时较后半潮略短，而大、小潮期前后半潮涨潮历时呈现出不同的规律。

2 波浪数学模型

2.1 模型简介

本文基于MIKE21 BW 模块[4-5]，对工程周边海域构建大小嵌套的波浪模型开展防波堤整治方案的比选研究。

其中大模型范围为90Km×90Km，模型垂直波峰线方向的计算网格步长为10m，沿波峰线方向的计算步长为20m，模型糙率系数取0.015。在大模型率定验证后为小范围模型提供边界条件。

小范围模型主要针对港池周边4.0km×5.0km 海域开展精细化模拟。其空间步长均为10m，计算时间步长取1s。

2.2 波浪场计算

经大范围波浪模型计算可知：

E 方向的外海波浪进入岛链后受虾峙岛的掩护、浅水波浪衰减、波浪折射绕射等多种效应共同作用，在工程水域的波高有明显的减小。

ESE～SE 方向的外海波高大，外海波浪可以通过条帚门传入工程海域，由于虾峙岛、六横岛、元山岛的影响以及浅水波浪衰减的作用，外海波浪传到工程区附近明显减弱，工程海域的大浪从ESE～SE 方向传来。

当波浪从SSE 方向传来时，波浪受到了元山岛的影响而明显削弱。

3 防波堤整治方案布置比选

3.1 平面布置方案

虾峙岛海域水流较强，水体含沙量较大，码头前沿和进港航道淤积的泥沙来源为悬沙落淤。防波堤建成以后，口门位置缩窄为60m，阻隔了涨落潮水流，减弱了潮流动力，使得防波堤掩护区域成为悬沙淤积区。尤其是涨潮时，在防波堤内侧形成涨潮回流，使得泥沙大量沉积。

减少淤积的整治要点是恢复涨落潮动力、减小回流影响范围。因此，在整治方案制定中，拆除防波堤，扩大口门宽度是首选要素。为尽快恢复航道通过能力，减少对岛内港区的生产作业的影响，整治方案内容包含对口门处的航道进行局部清淤，增加口门断面的进出潮量。

根据上述整治目的及思路，提出两个整治方案：

方案一：拆除防波堤130m，使得口门宽度增至190m；清理航道至水深-6.0m（航道设计水深为-5.5m，考虑备淤深度0.5m）；同时，清理口门南侧浅滩约400*200m 范围，水深同样为-6.0m。

方案二：拆除防波堤200m，使得口门宽度增至260m；清理航道至水深-6.0m（航道设计水深为-5.5m，考虑备淤深度0.5m）；同时，清理口门南侧浅滩约400*260m 范围，水深同样为-6.0m。

3.2 计算结果

经小范围模型计算得，工程区域水域涌浪主要受到工程区外ESE 和SE 两个方向波浪的影响。

现状条件（口门宽度为60m）：在50 年一遇、设计高水位条件下，防波堤和长山岛之间的水域，H1%大部分在0.5m～1.0m 之间。

方案一：在50 年一遇、设计高水位条件下，防波堤和长山岛之间的水域，H1%大部分在1.5m～2.0m 之间。

方案二：在50 年一遇、设计高水位条件下，防波堤和长山岛之间的水域，H1%大部分大于2.0～2.5m。

为定量明确不同方案下防波堤对港池的掩护效果，本节对防波堤后方海域布设5 个波浪测点（图2）。其中A1、A2 与A3 位于防波堤后方并沿防波堤布设，B1与B2 测点位于防波堤后方并沿虾峙岛岸线布设。

图2 控制点位置示意图

测点特征波高统计结果见表3～4。对比方案一、方案二测点特征波高可知：

表3 控制点不同方向50 年一遇、设计高水位波高H1%（m）比较（方案一）

表4 控制点不同方向50 年一遇、设计高水位波高H1%（m）比较（方案二）

（1）在50 年一遇、设计高水位条件下，当波浪从ESE～SE 方向传来时，方案二防波堤堤后（A2～A3 点）H1%波高比方案一增大了35%～45%。

（2）在2 年一遇、设计高水位条件下，当波浪从ESE～SE 方向传来时，方案二的防波堤堤后（A2～A3 点）H1%波高比方案一增大了50%～75%。

4 结论

（1）本文依据工程海域外海的嵊山海洋站1960 年～2009 年的分方向年极值波浪观测资料，确定了工程水域的深水波浪要素，计算了ESE 向～SE 向在50 年一遇+设计高水位、2 年一遇+设计高水位下的波高分布和渔港内控制点的波要素。

（2）在50 年一遇、设计高水位条件下，当波浪从ESE 方向和SE 方向传来时，在现状条件下（口门宽度60m），防波堤和长山岛之间的水域H1%波高小于1m；在方案一条件下（口门宽度190m），防波堤和长山岛之间的水域H1%波高在1m～1.5m 之间；方案二H1%波高大于1.5m。当防波堤口门宽度增加和地形开挖以后，防波堤波浪掩护效果有所减弱。

（3）在50 年一遇、设计高水位条件下，当波浪从ESE～SE 方向传来时，方案二防波堤堤后（A2～A3点）波高比方案一增大了35%～45%。在2 年一遇、设计高水位条件下，当波浪从ESE～SE 方向传来时，方案二的防波堤堤后（A2～A3 点）波高比方案一增大了50%～75%。因此从波浪角度分析，方案一对波浪的掩护情况优于方案二，更利于今后码头的建设与运营。