基于不同方法的某工程设计波浪要素确定

陈菲菲，渠 立，祝 旭，方 圆，周 鑫

（江苏省水文水资源勘测局淮安分局,江苏 淮安 223005）

1 引言

设计波浪要素是影响水利工程建设的一个重要因素,目前,有较多的专家学者对设计波浪要素的确定进行了大量的研究,取得了较为丰硕的成果,在工程实践中积累较多成功的经验。目前,MIKE21 数值模拟分析是确定波浪要素的一个常用方法,具有建模简便、计算准确等优势,在工程实践中得到了广泛的应用[1-3]。

2 工程波况

工程区东北向有大门岛、小门岛、霓屿岛和洞头岛等岛屿遮挡,东向、东南向为开敞水域,受外海波浪影响,主要为风浪和涌浪组成的混合浪。据波浪资料统计,年平均波高1.1 m,最大波高10.0 m,波向E。海域呈现两个常浪向,以东向浪为主,（E、ESE）向浪,年出现频率为46.2%,偏北向浪次之,（NNE、NE）向浪,年出现频率为28%,偏南向浪,（SSW、SW）向浪,年出现频率为6.7%。

3 MIKE21 谱波浪（SW）数模计算

根据工程地理位置,海堤北段处半开敞式海域,受风浪和外海涌浪的影响；海堤中段及南段地处开敞式海域,主要受外海涌浪影响。波浪计算采用MIKE21 软件进行计算。MIKE21 谱波浪（SW）主要应用于波浪变形、泥沙输运及底床演变的研究中,模拟海岸地区风浪的成长、衰减及变形。求解定常波浪作用平衡方程以求得近岸波浪要素。其计算过程包含了折射、浅水变形、风、底摩阻、破碎等影响,应用简单,计算速度较快。该模式在国内已成功的应用于海岸、河口及近海水域波浪预报。

（1）外海波要素

根据多年的实测年最大波高和平均周期资料,采用P-Ⅲ型频率曲线求得外海波要素。计算结果见表1。

表1 深水波浪要素

（2）堤前设计波要素

MIKE 21 SW 以波能守恒原理为基础,采用波作用密度谱N（σ,θ）来描述波浪。模型的自变量为相当波频σ 和波向θ。波作用密度与波能谱密度E（σ,θ）的关系为：

其中σ 为相当频率；θ为波向。

波作用守恒方程,即MIKE 21 SW 的控制方程在笛卡尔坐标系下的表达式为：

式中传播速度均采用线性波理论计算：

MIKE 21 SW 模型中的源函数项描述了各种物理现象的源函数的叠加：

式中：Sin为风输入的能量；Snl为波与波之间的非线性作用引起的能量损耗；Sds为由白帽耗散引起的能量损耗；Sbot为底摩阻引起的能量损耗；Ssurf为由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量损耗。

波浪数学模型的起始边界取在-20 m 等深线附近。底摩阻系数取为0.01。数模计算包含风能输入情况,各风50 年一遇最大风速见表2。

表2 50 年一遇工程区各风向风速表

各向50 年一遇波浪要素见表3,波浪场计算结果表明：在三个计算波向中,工程区附近的E～ESE 向和SE～SSE 向波浪较大,S～SSW 向波浪相对较小。

表3 塘前设计波浪要素成果表（P=2%）

4 采用莆田风浪要素计算波要素

工程区域邻近没有长期的波浪站,根据《海堤工程设计规范》（SL 435-2008）及《浙江省海塘工程技术规定》（1999 年,以下简称“规定”）,以风浪为主的有限风区,采用风推浪的方法,即“莆田海堤试验站公式”,开敞式水域受外海涌浪或混合浪影响,采用“规定”南麂站长期实测波要素推算设计波要素,设计波要素代表等深线为20 m 处的设计波要素。计算中考虑波浪浅水变形。

“莆田风浪要素计算公式”式如下：

风区长度按采用等效风区长度计算,其计算如下：

风区水深为风区内水域平均深度。

（1）由风区产生的波浪

北堤受灵昆岛、浅滩工程以及洞头列岛的屏蔽,外海波浪难以传入,波浪的形成主要由风区产生。主堤北端连接段E～ESE 向波浪受浅滩工程和洞头列岛的屏蔽,该向波浪的形成也主要由风区产生。依据 “规定”有关规定,采用“莆田公式”计算北堤和主堤北端连接段的风浪要素,风向组分别为N～NNE、NE～ENE 和NE～ENE、E～ESE,经浅水校正后的计算结果见表4。

（2）开敞海域波浪

主堤面向大海,北端连接段SE～SSE 向波浪由开敞海域传入,为无限风区。顺直段大致呈东北-西南走向,堤线面向无限风区。按照“规定”的要求,波浪计算采用浪推浪方法计算设计波要素,选用南麂岛海洋水文站的波要素,通过波浪浅水变形计算,推求堤前波浪要素,堤前波要素成果见表5。

表5 主堤堤前推算波要素（浪推浪,P=2%）

南堤波浪主要从SE～SSE 和S～SSW 方向外海传入,为无限风区。波浪计算也采用浪推浪方法计算设计波要素。通过波浪浅水变形计算,推求堤前波浪要素,堤前波要素成果见表6。

表6 南堤堤前设计波要素（浪推浪,P=2%） 单位：m

5 推荐堤前波浪要素

通过对比分析,浪推浪计算成果和MIKE21 近岸谱波浪（NSW）数模计算成果基本一致,数模成果略大一点。根据波浪大小及波向与堤轴线法向线夹角大小,为安全考虑,推荐采用工程中各堤段设计波浪要素见表7。

表7 各堤段堤前设计波要素（P=2%）

6 结论

为了确定工程的设计波浪要素为后续工程设计提供依据,分别采用MIKE21 数值模拟方法和规范推荐的莆田风浪要素方法进行分析计算,工程区附近的E～ESE 向和SE～SSE向波浪较大,S～SSW 向波浪相对较小。根据计算结果,两种方法所的波浪要素基本一致,从安全角度考虑,采用较大的数值作为设计依据,不同段波浪平均爬高为0.65 m～2.13 m。