大鵬灣六月海堤重建工程設(shè)計波浪要素研究

周濟(jì)華，何造勝，龔春娟

（1.深圳市水務(wù)工程建設(shè)管事中心，廣東深圳518048；2.深圳市廣匯源水利勘測設(shè)計有限公司，廣東深圳518000）

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大鵬灣六月海堤重建工程設(shè)計波浪要素研究

周濟(jì)華1，何造勝2，龔春娟2

（1.深圳市水務(wù)工程建設(shè)管事中心，廣東深圳518048；2.深圳市廣匯源水利勘測設(shè)計有限公司，廣東深圳518000）

摘要：基于SWAN模型，對六月海堤重建工程設(shè)計波浪要素進(jìn)行了數(shù)值計算，研究表明：堤前強(qiáng)浪為外海S向波浪所致，50年一遇高水位和50年一遇波浪組合作用下的H13%波高為3.53m，平均波周期為9.8s。

關(guān)鍵詞：海堤；波浪要素；數(shù)值計算

六月海堤是深圳市東部海堤重建先期工程的重要組成部分［1］，原海堤建成于二十世紀(jì)六、七十年代，防潮標(biāo)準(zhǔn)不足50年一遇，經(jīng)多次臺風(fēng)，特別是“黑格比”超強(qiáng)臺風(fēng)襲擊，海堤結(jié)構(gòu)損毀嚴(yán)重［2］，難以抵御強(qiáng)臺風(fēng)的侵襲。為確保堤防安全，需及時對六月海堤進(jìn)行重建，重建工程的防潮標(biāo)準(zhǔn)與防浪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

六月海堤所在的大鵬灣是位于香港和大陸之間的海灣，西面和南面分別是香港的吉澳和西貢半島，北面和東面被深圳的鹽田、大鵬和南澳所包圍（圖1）。大鵬灣南面南海，灣外25m等深線呈WSW～ENE向展布；灣口朝向SSE，寬度（大浪咀～黑巖角）約為10.5km，水深普遍在20m以上；灣內(nèi)水深較大，15m等深線可北抵大鵬～溪涌～鹽田外海。海灣西側(cè)多島嶼，自北向南依次分布有曲島、黃文洲、大赤門等島嶼。

六月海堤重建段長約370m，平面形狀呈凸?fàn)?，堤前灘面較窄，南北走向的5m等深線近乎貼岸（圖2）。工程西南3.5km有平洲，10m等深線環(huán)平洲展布。從工程區(qū)位上看，大鵬灣外海S向和SW向波浪可經(jīng)由灣口傳入灣內(nèi)，對六月海堤結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響；同時，大鵬灣內(nèi)水域開闊，水深大，W向風(fēng)浪對工程的影響亦不容忽視。因此需對S向、SW和W向的波浪開展數(shù)值計算，從而為六月海堤重建工程提供設(shè)計波浪要素。

1　模型原理

圖1　大鵬灣及其附近水下地形及計算區(qū)域圖

本研究采用動譜平衡方程數(shù)值模擬模型SWAN，可全面考慮近岸波浪傳播過程中的淺化、折射、繞射、水底摩阻、風(fēng)能輸入、白浪損耗、近岸波浪破碎以及三相波和四相波非線性相互作用等物理過程。SWAN模型以動譜密度N（σ，θ）描述隨機(jī)波浪，在笛卡爾坐標(biāo)系下，動譜平衡方程（無流時即為能量平衡方程）可表示為：

式（1）中，左端第一項為動譜密度隨時間的變化率；第二和第三項表示動譜密度在地理坐標(biāo)空間x、y方向上的傳播；第四項表示由于水流和水深所引起的動譜密度在頻率σ空間的變化；第五項表示動譜密度在譜分布方向θ空間的傳播；右端的S項代表以譜密度表示的源匯項，包括風(fēng)能輸入、波—波非線性相互作用及海底摩阻、白浪、水深變淺誘導(dǎo)波浪破碎引起的能量損耗；Cx、Cy、Cσ和Cθ分別代表在x、y、σ和θ空間的波浪傳播速度。

2　模型建立

2.1 深水波要素

據(jù)文獻(xiàn)［3］關(guān)于港珠澳附近水域?qū)崪y波浪資料的統(tǒng)計可知，在大萬山～大亞灣一帶，外海大浪主要是臺風(fēng)浪，臺風(fēng)浪的波向主要為向岸的SE～SSW向。文獻(xiàn)［4］基于多年臺風(fēng)浪個例過程的數(shù)值后報結(jié)果，推薦了大鵬灣灣口22m等深線O1點（圖1）水域SE、S和SW向不同重現(xiàn)期的波浪要素。該項資料顯示，大鵬灣灣口水域以S向波浪的作用為強(qiáng)，50年一遇的H13%波高為7.2m。

2.2 設(shè)計風(fēng)速

據(jù)赤灣站1986～2008年的測風(fēng)資料可知，在S～WNW六個方位中，S～SSW向風(fēng)為強(qiáng)，多年平均極值風(fēng)速在18.7m/s，W～WNW向風(fēng)為最弱，多年平均極值風(fēng)速在14.7m/s，觀測期間的最大風(fēng)速為28.3m/s，出現(xiàn)在WNW向。經(jīng)水陸訂正和高度訂正后分析得到的海面10m高度處不同方向50年一遇的S～SSW向設(shè)計風(fēng)速為30.7 m/s，SW～WSW向為28.0 m/s，W～WNW向為31.1 m/s。

2.3 計算方案和參數(shù)選取

基于SWAN模型，采用兩重嵌套的計算方案，建立了工程海域近岸波浪傳播變形的數(shù)值模擬模型，模型包括大、小兩個不同空間范圍（I區(qū)和II區(qū)）的計算區(qū)域（圖1），其中I區(qū)大模型包括了大鵬灣及其附近海域，模型西至牛尾海外海、東至大亞灣灣口，南至大鵬灣外海25m等深線，空間范圍為48km×40km，空間網(wǎng)格步長為160m×160m；II區(qū)小模型包括平洲、六月海及其附近水域，空間范圍為8km×8km，空間網(wǎng)格步長為20m×20m。I區(qū)大模型的入射波邊界以22m等深線附近O1點的波浪要素作為控制條件，并通過I區(qū)大范圍的運(yùn)行結(jié)果提供嵌套區(qū)域II區(qū)的波譜邊界條件。在頻率和方向的二維譜空間分辨率上，兩個模型相同：頻率的計算從0.04～1.0，以對數(shù)分布劃分為20個；方向的分段為30，分辨率為12°。

在模型的物理機(jī)制上，風(fēng)能輸入考慮線性增長和指數(shù)增長兩部分，其中，線性增長采用Gara1er 和Ma1anotte-Rizzo1i表達(dá)式［5］，指數(shù)成長采用Komen等［6］的研究成果，計算風(fēng)速采用赤灣站設(shè)計風(fēng)速；海底摩擦造成的能量損耗采用Go11ins公式［7］，底摩擦系數(shù)取為0.01；考慮水深變淺引起波浪破碎的影響，破碎指標(biāo)（破碎波高水深比）取為0.78；考慮三相波相互作用、四相波相互作用以及波浪的繞射作用，相關(guān)參數(shù)取為模型建議值［8］。

3　計算結(jié)果分析

3.1 大鵬灣波浪傳播變形計算結(jié)果分析

基于I區(qū)大鵬灣大范圍波浪數(shù)值模擬模型，得到S向和SW向50年一遇波浪計算結(jié)果，表1給出了自灣口O1點向灣內(nèi)O3點不同水位下50年一遇的波浪要素。深入分析S向和SW向50年一遇波浪自灣口向灣內(nèi)的傳播過程可知：

（1）受水下地形及陸域形勢的共同影響，S向波浪的傳播方向呈現(xiàn)西偏的態(tài)勢，尤以大鵬灣灣頂及西側(cè)水域為明顯。S向波浪在傳播至灣內(nèi)20m等深線（O2點）時，H13%在6.58～6.89m，較灣口O1點的波浪強(qiáng)度減小了8%～11%；在傳播至平洲以南的17m等深線（O3點）時，H13%在6.12～6.48m，較O1點的波浪強(qiáng)度降低了14%～16%。

（2）SW向波浪經(jīng)傳播后在灣內(nèi)多為SSW向，其中，灣口～平洲一帶水域受外海浪的影響較大，大赤門～溪涌一帶則多受灣內(nèi)局部風(fēng)區(qū)浪的影響。該向波浪傳播至灣內(nèi)20m等深線（O2點）時，H13%在4.44～4.58m，較灣外O1點減小了13%～15%；繼而傳播至平洲以南17m等深線（O3點）時，H13%在4.47～4.32m，較O1點的降低了15%～17%。

（3）計算考慮了波浪傳播過程中同頻率風(fēng)作用下的風(fēng)能輸入，所以不同特征點位的平均波周期均小于對應(yīng)方向外海浪的平均周期。在平洲外海O3點，S向、SW向50年一遇波浪的平均周期分別在10.2s和7.9s左右。

（4）從灣外22m等深線O1點的波浪強(qiáng)度上看，不同方向H13%波高和平均波周期的計算結(jié)果與分析值［3］相吻合，計算值略大（最大不超過4%），這說明大范圍波浪模型邊界條件的控制合理，可為工程區(qū)（II區(qū)）近岸波浪的數(shù)學(xué)模型的計算提供入射波邊界的控制條件。

表1　大鵬灣O1 ~O3點50年一遇設(shè)計波浪要素計算結(jié)果

3.2 工程區(qū)近岸波浪傳播變形計算結(jié)果分析

通過大范圍模型提供工程區(qū)近岸模型的波譜邊界條件，計算得到了50年一遇高水位下、不同方向50年一遇H13%波高、以及海堤坡腳前沿不同點位、不同水位下50年一遇波浪的最大H13%波高、對應(yīng)的平均波周期、波向角和最大波浪的出現(xiàn)位置（表2），可知六月海堤堤前設(shè)計波浪要素特點如下。

（1）六月海堤前沿水域受外海S向浪的影響強(qiáng)于SW向浪，最大波浪發(fā)生于凸段前沿A3點，50年一遇高水位下50年一遇的H13%波高為3.53m，對應(yīng)的平均波周期為9.8s；

（2）W向風(fēng)區(qū)浪的強(qiáng)度不及S和SW向外海浪，其極端高水位下50年一遇的最大H13%波高為2.28m，對應(yīng)的平均波周期為5.6s；

（3）工程近岸水下形勢變化（由東南～西北走向的10m等深線漸變?yōu)楣こ糖把亟跄媳弊呦虻?m等深線）引起的折射作用使堤前波浪的波向不同于標(biāo)稱的外海浪向，在海堤前沿，S向外海浪的波向西偏為SW向，W向風(fēng)區(qū)浪的波向南偏為WSW向。

（4）因為水位的降低使波浪傳播過程中的底摩阻耗能作用變強(qiáng)，尤其是對于淺水域而言更為顯著，所以海堤前沿低水位下的波浪強(qiáng)度小于高水位，如50年一遇低水位下50年一遇的最大H13%波高為2.89m，約為50年一遇高水位下50年一遇波浪強(qiáng)度的82%。

4　結(jié)語

基于SWAN模型，采用嵌套計算方案，對大鵬灣～六月海堤海域S、SW向外海浪以及W向風(fēng)區(qū)浪的傳播變形進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，得到以下結(jié)論。

（1）外海波浪自大鵬灣灣口傳播至灣內(nèi)過程中，因陸域掩護(hù)和底摩阻耗能，以致波浪衰減較為明顯。

（2）影響大鵬灣海域波浪強(qiáng)度的重要因素是水位，高水位下的波浪強(qiáng)度明顯高于低水位。

（3）六月海堤前沿水域主導(dǎo)浪向為S向浪，50年一遇高水位與50年一遇波浪組合作用下，H13%波高為3.53m，平均波周期為9.8s，出現(xiàn)在凸段前沿。

參考文獻(xiàn)

［1］何造勝.深圳東部海堤設(shè)計初探［J］.中國水運(yùn)，2014，14 （09）：224-225.

［2］張從聯(lián)，等.臺風(fēng)“黑格比”損壞海堤成因初步分析及建議.廣東水利水電，2009（02）.

［3］港珠澳大橋主體工程初步設(shè)計階段設(shè)計波要素和水流分析計算報告［R］.南京水利科學(xué)研究院，2009.

［4］廣東省海堤工程設(shè)計導(dǎo)則（試行）［M］.北京：中國水利水電出版社，北京，2004.

［5］Gava1eriL，Ma1anotte-Rizzo1iP.Wind waveprediction in sha11ow water：theory and ap1ications. J. Geophys. Res.，1981，186 （G11）：10961-10973.

［6］Komen G.J.，Hasse1mann S.Hasse1mann K.On TheExistenceof afu11ydeve1oped wind seaspectrum.J.Phys.Oceanogr，1984 （14）：1271-1285.

［7］Go11insJ.I.Prediction ofsha11owwaterspectra.J.Geophys.Res.，1972，77（15）：2693-2707.

［8］SWANGyc1eIIIVersion 41.01：usermanua1［R］.De1ftUniversity ofTechno1ogy，2014.

表2　50年一遇設(shè)計波浪要素計算結(jié)果

收稿日期：圖2工程位置及其附近水下地形圖2015-09-29

作者簡介：周濟(jì)華（1970年—），男，高級工程師。

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.011

中圖分類號：TV871

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0030-03