內凹式閘區波要素計算分析

肖志喬 盛軍

摘?要：相關規范中波浪淺水變形的計算公式適用于岸線順直、工程前沿灘地平緩的情況，對于岸線曲折多變的內凹式閘區，波要素計算影響因素較多。本文首先采用規范公式進行波要素計算，然后采用國際通用的波浪數值模型進行復核驗證。

關鍵詞：內凹式；閘區；波要素；計算

1?概述

設計波要素計算關系到兩側大堤堤頂高程和水閘閘墻頂高程的確定，從而影響整個工程的投資。擬建金匯港南閘閘址前灘地變化明顯，所處岸線上下游曲折多變，對波浪傳播變形過程存在明顯影響。相關規范中淺水變形的計算公式適用于岸線順直、工程前沿灘地平緩，等深線與岸線平行的情況，與本工程前沿的狀況有一定的差距。本文設計波要素首先采用規范公式進行計算，然后采用國際通用的波浪數值模型進行復核驗證。

2?規范公式計算成果

2.1?規范公式計算原理

2.1.1?深水波要素計算原理

根據杭州灣水域情況，推算深水波要素。由河海大學、上海市水務局關于《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：上海水域風浪以莆田方法計算的波高、波周期與實測值吻合最好。該公式也是國家《堤防工程設計規范》中所推薦公式，故采用莆田公式：

gH-V2=0.13tanh0.7gdV20.7tanh0.0018gFV20.450.13tanh0.7gdV20.7（1）

gT-V=13.9gH-V20.5（2）

波長計算公式如下：

L=gT-22πtanh2πdL（3）

L0=gT-22π（4）

2.1.2?淺水波要素計算原理

由于波浪傳播受地形影響不可忽略，應考慮淺水變形、折射及灘面摩阻作用。波浪變形控制方程及方法：

（1）在周期不變的情況下，波長只與水深有關

L=gT22πtanh（kh）（5）

k=2πL（6）

（2）波速和波群速表達式如下：

C=LT（7）

Cg=nC（8）

n=121+2khsinh（2kh）（9）

（3）折射系數的計算方法如下：

Snell定律表明由波速的變化可確定角度的變化：

sinθ1C1=sinθ2C2（10）

kr=cosθ1cosθ2（11）

（4）淺水系數的計算方法如下：

ks=Cg1Cg2（12）

5）波高的變化即可確定：

H2=H1kskrkf（13）

2.2?規范公式計算成果

鑒于水閘前沿岸線和灘地比較復雜，為了合理確定水閘前沿波要素，本文分別采用《堤防工程設計規范》和《水閘設計規范》中關于風區長度的計算方法計算波要素。其中“水閘閘墻1”工況采用等效風區長度，“水閘閘墻2”工況風區長度依照《水閘設計規范》E.0.1條按水閘前沿水面寬度的5倍（0.3×5=1.5km）取值。

當波浪在淺水區域傳播時，受水下地形變化的影響，需作波浪折射、淺水變形計算，其中大堤計算時，需考慮海上運動中心大堤的消浪影響，進行二次淺水變形換算。

2.2.1?深水波要素

2.2.2?淺水波要素及累積率

3?數值模型計算分析

工程位置及岸線見圖1。

圖1?本工程位置及岸線示意圖

3.1?模型概述

采用歐洲丹麥水利研究所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，能較為精確和高效地模擬工程中岸線曲折多邊和島嶼眾多的特殊地形。

3.1.1?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：

tN+xCxN+yCyN+σCσN+θCθN=sσ（14）

N（σ，θ）=E（σ，θ）/σ（15）

（Cx，Cy）=dx-dt=C→g+U→（16）

Cσ=dσdt=σddt+U-·

x-d-cgk-·U-s（17）

Cθ=dθdt=-1kσddm+k-·U-m（18）

式中E（σ，θ）—能量密度譜，σ—相對頻率，θ—波向角。

3.1.2?計算范圍及網格

模型由水深約15m等深線處起算，模擬至閘門前位置，考慮到在200年一遇潮位下，金匯港東側水上運動中心潛堤淹沒在水中，即使是正向來波，對波浪傳播也可能有影響，潛堤高程分別按5.0m考慮，潛堤和導流壩形狀狹長，為準確刻畫并模擬其對入射波的影響，建筑物網格最小邊長為1.6m。

模型采用無結果網格進行地形數值化，網格邊長從外海250m漸變至工程處為1.6m，有限元計算的網格單元104723個，節點52692個，計算面積150km2。

3.2?計算成果

（1）考慮到水閘縱向軸線與正北向偏角為10°，東南側碧水金沙水上運動中心西側潛堤長1.0km，結構的高程為5.5～50m左右，對東南向風浪有很好的消減作用，見東南向130°入射時波高等值線云圖。

（2）從流場圖中可以看出水閘前沿灘地對閘前波浪有一定的消浪效果，東側海上運動中心大堤消浪效果明顯。比較波向入射角度為170°和180°計算方案，由波高分布圖可知，由于入射角180°偏西向入射，閘門處波高分布不均勻，閘門東側波高略大于西側。入射角170°正向入射時，閘門處波高值基本相同，上述兩個計算方案中最大值考慮，閘前波要素取值見表3。

4?計算結果合理性分析

對比規范公式計算結果與數值模型計算結果可知（以閘前波要素為例），水閘閘前波浪要素數值模型計算結果位于規范計算兩種結果之間，小于按等效風區長度結果（“水閘閘墻1”工況），大于按5倍閘前水寬計算結果（“水閘閘墻2”工況）。這是因為，水閘雖然位于兩側大堤內，閘前水域相對較為狹窄，但由于水閘距離一線海塘較近（東側205m，西側390m），東側雖有海上運動中心大堤掩護，但高潮位時，只能作為潛壩考慮，且西側柘林塘以東有一塊凹岸水域，杭州灣此處水域寬達90多公里，水閘受波浪襲擊作用還是比較大的，故風區長度按《水閘設計規范》中5倍閘前水域寬度（僅1.5km）取值偏小，而按《堤防工程設計規范》中等效風區長度計算難以反映閘前地形變化，結果理應偏大。數值模型計算較好地刻畫了地形條件，計算結果比按《堤防工程設計規范》計算值偏小，也屬合理，由于兩者相差不大，出于安全考慮，本工程波要素取《堤防工程設計規范》計算結果。

結語

本文通過對金匯港南閘的計算分析，認為不同規范計算所得波浪要素不同，數值模型更能反映岸線和地形變化形式，對于岸線曲折復雜的閘區波要素計算按規范計算的同時，應采用數值模型進行復核驗證，從工程安全和經濟等方面比較后合理選用計算方法。

參考文獻：

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［4］陳國寧.開敞式海堤波浪計算初探［J］.海峽科學，2007（06）：174176+179.

作者簡介：肖志喬（1977—?），男，漢族，湖北漢川人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：水利工程。