關于海塘波要素計算相關問題的探討

趙宇

摘 要：本文主要就海塘工程波要素計算方法進行探討，其中設計波要素的深水波要素均采用風推浪的計算方法，按莆田公式計算確定。淺水變形采用數模計算和經驗公式推求，并考慮海塘前保灘順壩對波浪的消減作用；結合周邊已建工程的設計波要素，并比較數值模擬與經驗公式的推求結果，分析本工程堤前波要素計算方法的合理性。

關鍵詞：海塘工程 波要素 數值模擬 經驗公式

1.計算標準

某海塘達標工程位于上海市長興島，防洪標準參照《上海市海塘規劃（2011～2020）》執行。本工程建于1997年，原設計抗御標準為50年一遇，本次海塘達標標準提高至200年一遇高潮位+12級風下限（32.7m/s）。

2.計算工況

主海塘的不利風向取N、NNE、NE、ENE、E五個方向，其中E風向的深水波要素較其他幾個風向的最大。

3.數值模擬計算

模型采用的是丹麥水利研究所DHI開發的MIKE21軟件中波譜模型SW進行淺水區波浪數值計算，SW為無結構網格模型，能較為高效和精確地模擬工程中岸線曲折多邊和島嶼眾多的特殊地形。

3.1計算原理

模型根據波作用守恒原理進行波浪傳播變形計算，基本方程如下：

式中：E （σ，θ）—能量密度譜，σ—相對頻率，θ—波向角。

3.2計算范圍及網格

模型網格外海網格較粗，網格邊長約4km；在工程區對網格進行加密至10m。

3.3模型參數設置

根據經驗，長江口杭州灣地區底摩擦系數（Nikuradse Roughness）取0.001，white capping cdis和DELTAdis分別取3和0.25。

3.4模型邊界條件

E向和NE向模型邊界條件根據各計算水位的深水波要素給；N向堤前波浪受崇明島和崇明東灘阻擋作用，北邊波浪對堤前影響很小，故可不考慮波能傳入，采用側邊界。

3.5累積率計算原理

累積率計算：

在順堤起點、東側堤起點和東側堤終點各設置一個計算點經過模型計算得到灘前的波要素，計算見表1。

4.經驗公式計算

深水波要素計算根據《海堤工程設計規范》（GB/T51015-2014）所推薦莆田公式。由《上海風浪實測資料統計分析及風浪譜分析研究》的研究成果表明：上海水域（以大治河測站和中港測站的資料驗證）風浪以莆田方法計算的波高、波周期與實測值吻合最好。

4.1深水波要素計算原理

根據工程水域情況，采用莆田試驗站公式進行波浪要素計算：

（1）莆田試驗站公式：

5.結果分析與結論

由于數值模型法只能計算到灘地的波高，因此本文針對兩種方法計算的淺水波要素成果進行對比和分析。由計算結果可知，數值模擬計算得到的淺水平均波高略小于經驗公式計算結果，但差異不大，絕對差值在0.1m之內，波周期差值在0.5s之內，兩者計算結果基本一致。對比相鄰工程《長興北沿海塘達標保灘工程初步設計》中的波要素計算成果，本工程考慮潛堤消浪后的平均波高最大值為1.37m，參照長興北沿海塘達標保灘工程中北側堤考慮潛堤消浪后的平均波高，可以認為本節中的波要素計算成果是合理的。

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