大鵬灣海堤設計波高模擬計算及分析

苗 青，倪培桐，葉志恒

（廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635）

大鵬灣海堤位于深圳市東南的大鵬半島境內，主要包括土洋海堤、沙魚涌海堤、官湖海堤、月亮灣海堤4 個堤段（地理位置見圖1）。

圖1 大鵬灣海堤位置

1 研究目的和條件

1.1 研究目的

通過波浪整體數學模型計算，分析工程海域波浪場的分布規律，提供海堤堤前設計波浪要素，為開展海堤達標加固設計工作提供參考依據。料，對于開敞式海岸設計波浪要素計算，當工程所在地無長期測波資料時，可采用工程所在地外海已有波浪資料進行推算。本文外海設計波浪要素采用文獻[1]大鵬灣灣口（位置：東經114°28′，北緯22°23′）水深約22 m 處參照點設計波浪要素，具體數值見表2。

表2 大鵬灣口水深約22 m 處參照點不同重現期波浪要素

1.2 設計條件

1.2.1 設計水位

本文采用文獻[1] 給出的大鵬灣赤灣站（113°53′，22°58′）各頻率設計水位，見表1。

表1 工程附近潮位值

1.2.2 外海設計波浪要素

海堤所在的大鵬灣沒有長系列的實測波浪資

1.2.3 重現期風速

本文重現期風速采用文獻[1]給出的深圳站（位置：東經114°6′，北緯22°33′）10 m 高年最大10 分鐘平均風速，各重現期設計風速具體數值見表3。

表3 深圳、惠東站各重現期設計風速

2 海堤設計波高計算及分析

本文采用丹麥水力研究所（DHI Water&Environment）開發的MIKE21 軟件中的SW（Spectral Wave FM）模型來推算工程區域入射波浪要素。SW 模型可考慮波浪繞射、淺水變形、局部風成浪、海底摩擦和波浪破碎的影響。

2.1 計算地形

圖2 給出了大鵬灣海域模型計算地形圖。大鵬灣東瀕大亞灣、西臨珠江口，是一個位于香港和中國大陸之間的海灣，其西面和南面分別為香港的吉澳和西貢半島，北面和東面則被深圳的鹽田、大鵬和南澳所包圍；大鵬灣南面為南海，灣外25 m 等深線呈WSW～ENE 向展布；灣口朝向SSE，寬度（從大浪咀～黑巖角）約10.5 km，水深普遍為20 m，向灣內逐漸減小；灣內水深較大，15 m 等深線可北抵大鵬～溪涌～鹽田外海；大鵬灣內西側水域多島嶼，從北向南依次分布有曲島、黃文洲、大赤門。

圖2 大鵬灣海域地形（單位：m）

2.2 模型計算網格及相關參數

模型計算采用三角形網格，單元邊長約為13～300 m，在工程附近網格單元進行局部加密，最小單元邊長約為13 m，外圍網格相對較粗，模型范圍東西向長約40 km，南北向長約30 km（見圖3），大鵬灣口參照點距造波邊界垂直距離約2.5 km，參照點波浪計算結果不受造波邊界影響。

圖3 大鵬灣計算區域網格及驗證點位置

2.3 模型參數

波浪計算采用JONSWAP 譜，底摩阻取0.01，開啟模擬繞射項。為模擬近岸水深變化導致的波浪破碎，根據SW 波浪模型以往計算經驗，破波系數取1.0，其余源項參數采用SW 缺省的經典配置。

2.4 模型驗證

S、SW 向入射波況下，模型計算所得參照點100 年一遇的波浪要素和文獻[1]所給值的對比情況見表4，波高、波周期整體數值較文獻[1]大，但最大誤差不超過5%，由此認為模型計算確定的邊界輸入條件是可靠的。

表4 大鵬灣參照點計算波要素和文獻[1]給定值的對比

2.5 模型計算結果及分析

由大鵬灣海域整體波高分布可知，由于水下地形及岸線的共同影響，波浪在向灣內傳播過程中呈現東偏態勢，東大鵬灣波高值整體較西側大。水深自灣口向內逐漸減小，波浪自灣口傳入灣內，受島嶼掩護及地形變化引起的波浪淺水變形、折繞射影響，波高衰減較快，海堤工程附近波高整體較小，100 年一遇潮位下100 年一遇的S 向波高分布見圖4，工程附近波高分布見圖5～ 8。

圖4 100 年一遇潮位下100 年一遇的S 向波高分布

圖5 100年一遇潮位下工程附近100年一遇的S向波高分布

海堤堤前波高計算成果顯示：從工程前沿水域波高受浪向影響的程度看，土洋段海堤、沙魚涌段海堤、官湖段海堤坡腳前各計算點的波高S向為最大，SW 向次之，W 向浪最小。月亮灣段海堤坡腳前各計算點波高W 向最大，SW 向次之，S向最小。

圖6 100 年一遇潮位下工程附近100 年一遇的SW 向波高分布

圖7 100 年一遇潮位下工程附近100 年一遇的S 向波高分布

圖8 100 年一遇潮位下工程附近100 年一遇的SW 向波高分布

土洋段海堤S 向100 年一遇高水位下100 年一遇的H13%波高為2.20 m～2.43 m， SW 向為2.14 m～2.27 m，W 向浪為1.50 m～1.52 m ；沙魚涌段海堤坡腳前S 向100 年一遇高水位下100 年一遇的H13%波高為2.38 m～3.19 m，SW向為2.29 m～2.73 m，W 向為1.50 m～1.85 m ；官湖段海堤坡腳前S 向100 年一遇高水位下100 年一遇的H13%波高為1.94 m～2.41 m，SW 向為2.11 m～2.22 m，W 向為1.8 m～2.04 m ；月亮灣段海堤100 年一遇高水位下100 年一遇H13%波高為2.26 m～2.64 m，SW 向為2.11 m～3.04 m，S 向為1.75 m～2.63 m。

從工程前沿水域波高受水位變化影響的程度看，隨著水位的降低，各段海堤計算點的波浪強度均呈逐漸減弱的趨勢。土洋段海堤SW 向100 年一遇波浪條件下，100 年一遇高水位下的H13%波高為2.14 m～2.27 m，多年平均高水位下為1.0 m～1.21 m，多年平均低水位下為0.25 m～0.37 m ；沙魚涌段海堤SW 向100 年一遇波浪條件下，100 年一遇高水位下的H13%波高為2.29 m～2.73 m，多年平均高水位下為1.05 m～ 2.49 m，多年平均低水位下為0.22 m～1.72 m ；官湖段海堤SW 向100 年一遇波浪條件下，100 年一遇高水位下的H13%波高為2.11 m～2.22 m，多年平均高水位下為0.88 m～1.14 m，多年平均低水位下為0.19 m～0.22 m；月亮灣段海堤S 向100 年一遇波浪條件下，100 年一遇高水位下的H13%波高為1.75 m～2.63 m，多年平均高水位下為1.56 m～ 2.51 m，多年平均低水位下為0.95 m～2.44 m。

3 結論

本文根據大鵬灣外22 m 水深處的波浪要素邊界條件，建立了SW 二維波浪數學模型，計算了大鵬灣S、 SW 向波浪入射及W 向小風區波浪不同潮水位條件下工程海堤前不同重現期設計波浪波高，為海堤設計提供依據，形成主要結論如下：

（1）從大鵬灣海域整體波高分布可知，波浪在向灣內傳播過程中呈現東偏態勢，大鵬灣東側波高值整體比西側大。波浪自灣口傳入灣內，受水深、地形變化影響，波能衰減，到達海堤工程附近，波高較小。（2）從工程前沿水域波高受浪向影響程度看，土洋段海堤、沙魚涌段海堤、官湖段海堤坡腳前各計算點的波高均以S 向為最大，月亮灣段海堤坡腳前各計算點波高W 向最大。（3）從工程前沿水域波高受水位變化影響程度看，隨著水位降低，各段海堤計算點的波浪強度均呈逐漸減弱趨勢。（4）由于工程海堤附近局部實測地形資料較少，計算時主要采用海圖地形，大鵬灣內也缺乏實測波浪資料進行驗證，這在一定程度上限制了模型的模擬精度，但數值模擬成果基本反映了大鵬灣海域波浪情況，可供海堤設計參考。