基于波浪數(shù)學(xué)模型的防波堤平面布置優(yōu)化

呂淑杰，張笑笑

（杭州港灣交通設(shè)計咨詢有限公司，浙江 杭州 310030）

受海床地形、島嶼岸線以及涉海工程影響，波浪傳播至近岸易發(fā)生折射、擾流、反射以及破碎等系列變化，對近岸海床、岸線以及相關(guān)工程產(chǎn)生復(fù)雜作用。波浪的研究對保護岸線、涉海工程以及海域生態(tài)具有重要意義。

針對實際工程中的波浪傳播問題，一般有理論分析、實驗研究、現(xiàn)場觀測以及數(shù)學(xué)模型等解決方法[1]。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬手段越來越多地應(yīng)用到海岸及近海工程研究中,近年來國內(nèi)外學(xué)者提出和完善了多種數(shù)值計算模型,廣泛應(yīng)用的有Boussinesq方程、波能平衡方程、緩坡方程等[2]。

多年建港經(jīng)驗表明，防波堤的建設(shè)能改變工程區(qū)域的水動力條件[3]，對于波浪傳播有著很大的影響，并引起泥沙淤積、橫流等相關(guān)水文要素的變化，改變工程區(qū)域的作業(yè)條件及港口維護成本。因此，防波堤的平面布置方案對工程成敗起到至關(guān)重要的作用。本文依托蝦峙島某碼頭工程，提出防波堤平面布置整治的比選方案，根據(jù)波浪數(shù)學(xué)模型試驗對方案進行波浪特性研究，模擬各方案實施后的波浪變化情況，探討最優(yōu)平面布置方案，為類似港口設(shè)計提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地理位置

蝦峙島位于舟山群島南部，北距沈家門約21.5km，東北隔蝦峙門國際航道與桃花島相鄰。蝦峙是舟山著名的漁業(yè)鎮(zhèn)，本工程位于舟山市普陀區(qū)蝦峙島的西南面，緊鄰條帚門水道，水域最大水深達100m（1985高程基準，下同）。

1.2 防波堤現(xiàn)狀

為改善蝦峙島西南側(cè)岸線的泊穩(wěn)條件，長山島和蝦峙本島之間海域建設(shè)一條防波堤。防波堤長約480，口門寬度約60m，口門處設(shè)計底標高-4.0m，該防波堤已于2007 年竣工（圖1）。防波堤建設(shè)之后，港池水域存在很大淤積。距離防波堤口門往北約750m 的客運碼頭與本工程漁業(yè)碼頭之間港池底標高淤積至-1.0m 左右，不能滿足漁船停泊條件。目前港池航道的淤積速度和淤積量已經(jīng)嚴重影響了當?shù)卮昂叫信c錨泊，大大制約了蝦峙島內(nèi)港區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)。

圖1 工程局部位置圖

1.3 自然條件

1.3.1 嵊山海洋站波浪資料

嵊山海洋站位于六橫島東北約100km 的嵊山島嵊山鎮(zhèn)。測波點處于嵊山島東南端鰻魚頭附近（即3042N、12250E），測站海拔高度37.4m，視野開闊度大于180°，測波點處水深約40m。該站是浙江北部海域主要的代表站，波浪觀測資料對浙江省北部海域的外海深水波浪具有較好的代表性。

本文收集了嵊山海洋站1960 年～2009 年的分方向年極值波浪資料，從實測資料來看，該站多年實測最大波高H1/10 為13.0 米，出現(xiàn)在E 方向，發(fā)生在1981 年。

外海深水波要素采用交通運輸部規(guī)范《港口與航道水文規(guī)范》推薦的嵊山海洋站不同方向的重現(xiàn)期波高和相應(yīng)波周期，見表1。

表1 嵊山海洋站重現(xiàn)期波要素

1.3.2 設(shè)計風(fēng)速資料

浙江省水利廳頒布的《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》，針對浙江沿海不同地區(qū)的設(shè)計風(fēng)速作了規(guī)定，據(jù)此方法得出的六橫島沿海水域的不同方向、不同重現(xiàn)期的設(shè)計風(fēng)速列于表2（表中數(shù)值均已折算成海平面以上10m 處的風(fēng)速）。

表2 六橫島水域設(shè)計風(fēng)速(m/s)

1.3.3 實測潮流

為給蝦峙島某碼頭整治工程提供科學(xué)依據(jù)，整治方案提出前，在工程海域內(nèi)布置3個潮位站、6條固定垂線，采集區(qū)域內(nèi)潮位流速流向。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，當?shù)爻绷鞒尸F(xiàn)以下特征：

（1）大潮平均流速明顯大于小潮，落潮平均流速最大為1.14m/s，漲潮平均流速最大為1.15m/s，均出現(xiàn)在大潮期。大潮和小潮平均流向變化較小。

（2）實測固定垂線中，最大漲潮流為2.12m/s，出現(xiàn)在近底層0.8H層；最大落潮流為2.04m/s，出現(xiàn)在表層。

（3）受各垂線所在位置地形差異較大的影響，從大小潮平均流速看，三條垂線落漲比值大于1，而其余三條垂線落漲比值小于1。

（4）漲、落潮期固定垂線測點最大流速多數(shù)出現(xiàn)在垂線的上部，向水底漸減緩。

（5）除個別垂線外，大部分垂線落潮歷時明顯長于漲潮歷時。漲潮流歷時最長為（大、小潮平均）為10:37；落潮流歷時最長為（大、小潮平均）為7:19。

（6）從前后半潮看，前后半潮漲、落潮流歷時存在差異，基本上表現(xiàn)為前半潮落潮歷時較后半潮略短，而大、小潮期前后半潮漲潮歷時呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

2 波浪數(shù)學(xué)模型

2.1 模型簡介

本文基于MIKE21 BW 模塊[4-5]，對工程周邊海域構(gòu)建大小嵌套的波浪模型開展防波堤整治方案的比選研究。

其中大模型范圍為90Km×90Km，模型垂直波峰線方向的計算網(wǎng)格步長為10m，沿波峰線方向的計算步長為20m，模型糙率系數(shù)取0.015。在大模型率定驗證后為小范圍模型提供邊界條件。

小范圍模型主要針對港池周邊4.0km×5.0km 海域開展精細化模擬。其空間步長均為10m，計算時間步長取1s。

2.2 波浪場計算

經(jīng)大范圍波浪模型計算可知：

E 方向的外海波浪進入島鏈后受蝦峙島的掩護、淺水波浪衰減、波浪折射繞射等多種效應(yīng)共同作用，在工程水域的波高有明顯的減小。

ESE～SE 方向的外海波高大，外海波浪可以通過條帚門傳入工程海域，由于蝦峙島、六橫島、元山島的影響以及淺水波浪衰減的作用，外海波浪傳到工程區(qū)附近明顯減弱，工程海域的大浪從ESE～SE 方向傳來。

當波浪從SSE 方向傳來時，波浪受到了元山島的影響而明顯削弱。

3 防波堤整治方案布置比選

3.1 平面布置方案

蝦峙島海域水流較強，水體含沙量較大，碼頭前沿和進港航道淤積的泥沙來源為懸沙落淤。防波堤建成以后，口門位置縮窄為60m，阻隔了漲落潮水流，減弱了潮流動力，使得防波堤掩護區(qū)域成為懸沙淤積區(qū)。尤其是漲潮時，在防波堤內(nèi)側(cè)形成漲潮回流，使得泥沙大量沉積。

減少淤積的整治要點是恢復(fù)漲落潮動力、減小回流影響范圍。因此，在整治方案制定中，拆除防波堤，擴大口門寬度是首選要素。為盡快恢復(fù)航道通過能力，減少對島內(nèi)港區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)的影響，整治方案內(nèi)容包含對口門處的航道進行局部清淤，增加口門斷面的進出潮量。

根據(jù)上述整治目的及思路，提出兩個整治方案：

方案一：拆除防波堤130m，使得口門寬度增至190m；清理航道至水深-6.0m（航道設(shè)計水深為-5.5m，考慮備淤深度0.5m）；同時，清理口門南側(cè)淺灘約400*200m 范圍，水深同樣為-6.0m。

方案二：拆除防波堤200m，使得口門寬度增至260m；清理航道至水深-6.0m（航道設(shè)計水深為-5.5m，考慮備淤深度0.5m）；同時，清理口門南側(cè)淺灘約400*260m 范圍，水深同樣為-6.0m。

3.2 計算結(jié)果

經(jīng)小范圍模型計算得，工程區(qū)域水域涌浪主要受到工程區(qū)外ESE 和SE 兩個方向波浪的影響。

現(xiàn)狀條件（口門寬度為60m）：在50 年一遇、設(shè)計高水位條件下，防波堤和長山島之間的水域，H1%大部分在0.5m～1.0m 之間。

方案一：在50 年一遇、設(shè)計高水位條件下，防波堤和長山島之間的水域，H1%大部分在1.5m～2.0m 之間。

方案二：在50 年一遇、設(shè)計高水位條件下，防波堤和長山島之間的水域，H1%大部分大于2.0～2.5m。

為定量明確不同方案下防波堤對港池的掩護效果，本節(jié)對防波堤后方海域布設(shè)5 個波浪測點（圖2）。其中A1、A2 與A3 位于防波堤后方并沿防波堤布設(shè)，B1與B2 測點位于防波堤后方并沿蝦峙島岸線布設(shè)。

圖2 控制點位置示意圖

測點特征波高統(tǒng)計結(jié)果見表3～4。對比方案一、方案二測點特征波高可知：

表3 控制點不同方向50 年一遇、設(shè)計高水位波高H1%（m）比較（方案一）

表4 控制點不同方向50 年一遇、設(shè)計高水位波高H1%（m）比較（方案二）

（1）在50 年一遇、設(shè)計高水位條件下，當波浪從ESE～SE 方向傳來時，方案二防波堤堤后（A2～A3 點）H1%波高比方案一增大了35%～45%。

（2）在2 年一遇、設(shè)計高水位條件下，當波浪從ESE～SE 方向傳來時，方案二的防波堤堤后（A2～A3 點）H1%波高比方案一增大了50%～75%。

4 結(jié)論

（1）本文依據(jù)工程海域外海的嵊山海洋站1960 年～2009 年的分方向年極值波浪觀測資料，確定了工程水域的深水波浪要素，計算了ESE 向～SE 向在50 年一遇+設(shè)計高水位、2 年一遇+設(shè)計高水位下的波高分布和漁港內(nèi)控制點的波要素。

（2）在50 年一遇、設(shè)計高水位條件下，當波浪從ESE 方向和SE 方向傳來時，在現(xiàn)狀條件下（口門寬度60m），防波堤和長山島之間的水域H1%波高小于1m；在方案一條件下（口門寬度190m），防波堤和長山島之間的水域H1%波高在1m～1.5m 之間；方案二H1%波高大于1.5m。當防波堤口門寬度增加和地形開挖以后，防波堤波浪掩護效果有所減弱。

（3）在50 年一遇、設(shè)計高水位條件下，當波浪從ESE～SE 方向傳來時，方案二防波堤堤后（A2～A3點）波高比方案一增大了35%～45%。在2 年一遇、設(shè)計高水位條件下，當波浪從ESE～SE 方向傳來時，方案二的防波堤堤后（A2～A3 點）波高比方案一增大了50%～75%。因此從波浪角度分析，方案一對波浪的掩護情況優(yōu)于方案二，更利于今后碼頭的建設(shè)與運營。