金德鋼，楊波澤

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192）

象山縣道人山涂圍涂工程位于白巖山鹽場東首，東臨大目洋，西為涂茨鎮(zhèn)。工程計(jì)劃圍涂面積1 366.67公頃，海堤全長約5 352m。工程項(xiàng)目由海堤、水閘、船閘、排澇河（含交通橋）等組成，計(jì)劃于2010－09開工，2015－01底完工，工期歷時(shí)4.5a（具體位置見圖1）。由于該工程海堤和防波堤直接面向東海，堤前波要素較大，因此，需通過波浪模型試驗(yàn)提出海堤和防波堤斷面結(jié)構(gòu)性型式，并通過波浪數(shù)學(xué)模型研究錨地泊穩(wěn)條件，提出防波堤平面布置方案。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of the project

1 錨地設(shè)計(jì)方案簡介

漁業(yè)生產(chǎn)錨地，其專供當(dāng)?shù)貦C(jī)動(dòng)漁船、木帆漁船停泊、避風(fēng)以及裝卸作業(yè)，根據(jù)當(dāng)?shù)卣?，爵溪錨地要求能夠抗擊12級臺(tái)風(fēng)，即在設(shè)計(jì)高水位、12級風(fēng)條件下港內(nèi)Hs波高不大于0.5m。

根據(jù)工程地形條件及圍涂工程海堤及水閘布置，爵溪錨地選擇3種可能的布置方式（圖2）：

方案一（可研布置方案），防波堤單側(cè)東邊布置，留出口于南側(cè)，錨地水域總面積約為9.6萬 m2；

方案二，防波堤兩側(cè)布置，留出口向?yàn)槭笊?，錨地水域總面積約為8.9萬m2，漁船進(jìn)出口門100m；

方案三，防波堤單側(cè)東邊布置，留出口于南側(cè)，錨地水域總面積約為8.6萬 m2，漁船進(jìn)出口門50m。

圖2 錨地防波堤平面布置方案圖Fig.2 A plot showing the proposal of the horizontal layout of Anchorage breakwater

2 波浪數(shù)學(xué)模型分析成果

2.1 基本資料

1）地形資料

（1）定海港至石浦港水深圖，中國人民解放軍海軍航海保證部，2006－03

（2）牛鼻山水道水深圖，中國人民解放軍海軍航海保證部，2006－08

（3）工程附近水域?qū)崪y地形

2）計(jì)算水位、波浪重現(xiàn)期、計(jì)算方向

（1）計(jì)算水位

極端高水位為4.76m

設(shè)計(jì)高水位為3.99m

（2）波浪重現(xiàn)期

大范圍波浪傳播變形計(jì)算考慮50a一遇外海波浪。

本區(qū)平均潮位在1.84m，臺(tái)風(fēng)期一般高潮位在2.0～3.0之間。因此，爵溪防波堤錨地波浪傳播變形計(jì)算考慮12級風(fēng)（取12級風(fēng)風(fēng)速范圍的上限，為36.9m／s）＋3.0m潮位的組合。

（3）計(jì)算方向

大范圍波浪傳播變形計(jì)算考慮NE、ENE、E、ESE等方向，爵溪防波堤錨地波浪傳播變形計(jì)算主要考慮SE、SSE兩個(gè)方向。

3）波浪要素

波浪數(shù)學(xué)模型的起始邊界取在－20m等深線附近。依據(jù)《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》，采用大陳站的不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)波要素作為外海－20m水深處波浪要素（表1）。由表1可見，外海NE－ENE向波浪略大于E－ESE向。

表1 －20m等深線處波要素Table 1 Wave parameters at－20misobath

2.2 計(jì)算內(nèi)容

通過建立爵溪防波堤錨地波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型，分析研究不同平面布置方案波浪作用下港內(nèi)泊穩(wěn)條件，給出港內(nèi)有效波高Hs≤0.5m的掩護(hù)面積。

選用莆田試驗(yàn)站公式的計(jì)算結(jié)果作為防波堤的設(shè)計(jì)波要素，并為港區(qū)波浪折射－繞射－反射聯(lián)合計(jì)算提供邊界條件。

SE、SSE向風(fēng)區(qū)均按無限風(fēng)區(qū)考慮。表2列出了12級風(fēng)、不同方向、設(shè)計(jì)高水位條件下爵溪錨地水域口門處小風(fēng)區(qū)風(fēng)浪的計(jì)算結(jié)果。

表2 設(shè)計(jì)高潮位條件下爵溪錨地口門處設(shè)計(jì)波要素Table 2 Wave parameters designed for the high tidal level at the entrance of the Juexi anchorage

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 大范圍波浪傳播變形計(jì)算結(jié)果

波浪從深水向近岸傳播過程中會(huì)發(fā)生折射、繞射和淺水變形，在建筑物前會(huì)產(chǎn)生波浪反射，在淺水區(qū)會(huì)發(fā)生波浪破碎以及波浪非線性相互作用。采用考慮底摩擦影響的高階非線性拋物型方程數(shù)學(xué)模型可以較好的模擬大范圍水域波浪向近岸的傳播變形。波浪數(shù)學(xué)模型的起始邊界取在－20m等深線附近。本研究采用不規(guī)則波浪折射繞射傳播變形數(shù)學(xué)模型計(jì)算程序和上一節(jié)得到的大陳站不同重現(xiàn)期波浪要素作為控制點(diǎn)進(jìn)行大范圍水域的波浪場計(jì)算。

圖3 ENE，E，ESE向波高Hs等值線分布（m）Fig.3 Contour lines（m）of wave height Hs with ENE，E and ESE direction

對影響工程水域的3個(gè)主要波向（ENE，E，ESE）、不同設(shè)計(jì)潮位、50a一遇波浪組合進(jìn)行工程水域大范圍波浪傳播變形計(jì)算。圖3給出了ENE，E，ESE三個(gè)主要波向極端高水位50a一遇波浪條件下的大范圍有效波高Hs分布。

由表3可見爵溪防波堤試驗(yàn)波要素的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明：北堤和南堤試驗(yàn)波要素受E向波浪控制，爵溪防波堤試驗(yàn)波要素受ENE向波浪控制。在極端高水位＋4.67m時(shí)，北堤、南堤、爵溪防波堤試驗(yàn)波要素H1%波高為5.00m＊（＊表示波浪已破碎）。

表3 爵溪防波堤試驗(yàn)波要素Table 3 Wave parameters for the test of the Juexi breakwater

2.3.2 爵溪防波堤錨地波浪變形計(jì)算結(jié)果

爵溪防波堤錨地水域的波浪計(jì)算不僅要考慮水下地形的折射和繞射，還需考慮防波堤和岸線的反射影響，為較好地模擬港內(nèi)水域波浪傳播變形情況，采用緩坡方程數(shù)學(xué)模型計(jì)算SE、SSE等向來浪時(shí)的港內(nèi)波高分布。方案的平面布置見圖2。

港內(nèi)數(shù)模整個(gè)計(jì)算區(qū)域約為0.7km×0.7km。為使計(jì)算結(jié)果達(dá)到足夠的精度，差分方程的空間步長Δx、Δy均取為5m。時(shí)間步長的取值僅影響收斂速度，而不影響最終的計(jì)算結(jié)果，本研究中取Δt＝1s。南堤的反射系數(shù)取0.4，爵溪防波堤外側(cè)按斜坡式結(jié)構(gòu)考慮，內(nèi)側(cè)按直立式結(jié)構(gòu)考慮。

本區(qū)平均潮位在1.84m，臺(tái)風(fēng)期一般高潮位在2.0～3.0m之間。本次計(jì)算選取的潮位為＋3.0m。

圖4為方案一不同波向在＋3.0m潮位條件下港內(nèi)Hs波高的分布。圖5為方案二不同波向在＋3.0m潮位條件下港內(nèi)Hs波高的分布。圖6給出了方案三不同波向在＋3.0m潮位條件下港內(nèi)Hs波高的分布。

圖4 平面方案一SE向、SSE向港內(nèi)H13%分布（m）Fig.4 Distributions of H13%（m）with SE and SSE direction in the harbor（Proposal 1）

圖5 平面方案二SE向、SSE向港內(nèi)H13%分布 （m）Fig.5 Distributions of H13%（m）with SE and SSE direction in the harbor（Proposal 2）

圖6 平面方案三SE向、SSE向港內(nèi)H13%分布（m）Fig.6 Distributions of H13%（m）with SE and SSE direction in the harbor（Proposal 3）

表4為12級風(fēng)與＋3.0m潮位組合條件下各方案錨地水域內(nèi)有效波高H13%掩護(hù)面積分別小于0.5m的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表4可見：方案一港內(nèi)有效波高Hs小于0.5m的掩護(hù)面積較小，約為0.3萬m2；方案二港內(nèi)有效波高Hs小于0.5m的掩護(hù)面積大于7.4萬m2；方案三港內(nèi)有效波高Hs小于0.5m的掩護(hù)面積大于4.9萬m2。

表4 爵溪防波堤錨地水域內(nèi)有效波高H13%＜0.5m的掩護(hù)面積（萬m2）Table 4 The area covered by significant wave height H13%of less than 0.5mwithin the anchorage waters（104 m2）

通過與爵溪街道及下屬有關(guān)各村用海漁民就錨地布置方式進(jìn)行了征詢：錨地“平面方案二”內(nèi)部使用面積能達(dá)到要求，但開口處風(fēng)浪惡劣，使用起來較為困難；錨地開口布置方案較傾向于平面方案三。因此，設(shè)計(jì)最終推薦方案三作為錨地平面布置方案。

3 結(jié) 語

本研究首先進(jìn)行開敞海域波浪折射、繞射傳播變形數(shù)值模型計(jì)算，確定波要素。然后采用綜合考慮波浪折射、繞射、反射聯(lián)合計(jì)算的港域不規(guī)則波數(shù)學(xué)模型進(jìn)行爵溪防波堤錨地的波浪傳播變形計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出爵溪防波堤平面布置方案。經(jīng)當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)與漁民充分交流，最終采用方案三，能夠滿足抗擊12級臺(tái)風(fēng)，即在設(shè)計(jì)高水位、12級風(fēng)條件下港內(nèi)Hs波高不大于0.5m，漁船泊穩(wěn)要求。

［1］ 潘軍寧，王登婷.象山縣道人山圍涂工程斷面模型試驗(yàn)及波浪數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2010.

［2］ 金德鋼，楊波澤.象山縣道人山涂圍涂工程初步設(shè)計(jì)［R］.寧波：寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2010。