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)
設(shè)計波浪要素是影響水利工程建設(shè)的一個重要因素,目前,有較多的專家學(xué)者對設(shè)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(jīng)驗。目前,MIKE21 數(shù)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(yōu)勢,在工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。
工程區(qū)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(fēng)浪和涌浪組成的混合浪。據(jù)波浪資料統(tǒng)計,年平均波高1.1 m,最大波高10.0 m,波向E。海域呈現(xiàn)兩個常浪向,以東向浪為主,(E、ESE)向浪,年出現(xiàn)頻率為46.2%,偏北向浪次之,(NNE、NE)向浪,年出現(xiàn)頻率為28%,偏南向浪,(SSW、SW)向浪,年出現(xiàn)頻率為6.7%。
根據(jù)工程地理位置,海堤北段處半開敞式海域,受風(fēng)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(yīng)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(qū)風(fēng)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(fēng)、底摩阻、破碎等影響,應(yīng)用簡單,計算速度較快。該模式在國內(nèi)已成功的應(yīng)用于海岸、河口及近海水域波浪預(yù)報。
(1)外海波要素
根據(jù)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(jié)果見表1。
表1 深水波浪要素
(2)堤前設(shè)計波要素
MIKE 21 SW 以波能守恒原理為基礎(chǔ),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(dāng)波頻σ 和波向θ。波作用密度與波能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為:
其中σ 為相當(dāng)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(shù)項描述了各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加:
式中:Sin為風(fēng)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(chǎn)生的能量損耗。
波浪數(shù)學(xué)模型的起始邊界取在-20 m 等深線附近。底摩阻系數(shù)取為0.01。數(shù)模計算包含風(fēng)能輸入情況,各風(fēng)50 年一遇最大風(fēng)速見表2。
表2 50 年一遇工程區(qū)各風(fēng)向風(fēng)速表
各向50 年一遇波浪要素見表3,波浪場計算結(jié)果表明:在三個計算波向中,工程區(qū)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(shè)計波浪要素成果表(P=2%)
工程區(qū)域鄰近沒有長期的波浪站,根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL 435-2008)及《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》(1999 年,以下簡稱“規(guī)定”),以風(fēng)浪為主的有限風(fēng)區(qū),采用風(fēng)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(guī)定”南麂站長期實測波要素推算設(shè)計波要素,設(shè)計波要素代表等深線為20 m 處的設(shè)計波要素。計算中考慮波浪淺水變形。
“莆田風(fēng)浪要素計算公式”式如下:
風(fēng)區(qū)長度按采用等效風(fēng)區(qū)長度計算,其計算如下:
風(fēng)區(qū)水深為風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均深度。
(1)由風(fēng)區(qū)產(chǎn)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(fēng)區(qū)產(chǎn)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(fēng)區(qū)產(chǎn)生。依據(jù) “規(guī)定”有關(guān)規(guī)定,采用“莆田公式”計算北堤和主堤北端連接段的風(fēng)浪要素,風(fēng)向組分別為N~NNE、NE~ENE 和NE~ENE、E~ESE,經(jīng)淺水校正后的計算結(jié)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(fēng)區(qū)。順直段大致呈東北-西南走向,堤線面向無限風(fēng)區(qū)。按照“規(guī)定”的要求,波浪計算采用浪推浪方法計算設(shè)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(fēng)區(qū)。波浪計算也采用浪推浪方法計算設(shè)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(shè)計波要素(浪推浪,P=2%) 單位:m
通過對比分析,浪推浪計算成果和MIKE21 近岸譜波浪(NSW)數(shù)模計算成果基本一致,數(shù)模成果略大一點。根據(jù)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(shè)計波浪要素見表7。
表7 各堤段堤前設(shè)計波要素(P=2%)
為了確定工程的設(shè)計波浪要素為后續(xù)工程設(shè)計提供依據(jù),分別采用MIKE21 數(shù)值模擬方法和規(guī)范推薦的莆田風(fēng)浪要素方法進行分析計算,工程區(qū)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(jù)計算結(jié)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(shù)值作為設(shè)計依據(jù),不同段波浪平均爬高為0.65 m~2.13 m。