大鹏湾六月海堤重建工程设计波浪要素研究

2016-04-06周济华何造胜龚春娟

水利规划与设计 2016年2期

关键词：数值计算海堤

周济华，何造胜，龚春娟

（1.深圳市水务工程建设管事中心，广东深圳518048；2.深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，广东深圳518000）

大鹏湾六月海堤重建工程设计波浪要素研究

周济华1，何造胜2，龚春娟2

（1.深圳市水务工程建设管事中心，广东深圳518048；2.深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，广东深圳518000）

摘要：基于SWAN模型，对六月海堤重建工程设计波浪要素进行了数值计算，研究表明：堤前强浪为外海S向波浪所致，50年一遇高水位和50年一遇波浪组合作用下的H13%波高为3.53m，平均波周期为9.8s。

关键词：海堤；波浪要素；数值计算

六月海堤是深圳市东部海堤重建先期工程的重要组成部分［1］，原海堤建成于二十世纪六、七十年代，防潮标准不足50年一遇，经多次台风，特别是“黑格比”超强台风袭击，海堤结构损毁严重［2］，难以抵御强台风的侵袭。为确保堤防安全，需及时对六月海堤进行重建，重建工程的防潮标准与防浪标准为50年一遇。

六月海堤所在的大鹏湾是位于香港和大陆之间的海湾，西面和南面分别是香港的吉澳和西贡半岛，北面和东面被深圳的盐田、大鹏和南澳所包围（图1）。大鹏湾南面南海，湾外25m等深线呈WSW～ENE向展布；湾口朝向SSE，宽度（大浪咀～黑岩角）约为10.5km，水深普遍在20m以上；湾内水深较大，15m等深线可北抵大鹏～溪涌～盐田外海。海湾西侧多岛屿，自北向南依次分布有曲岛、黄文洲、大赤门等岛屿。

六月海堤重建段长约370m，平面形状呈凸状，堤前滩面较窄，南北走向的5m等深线近乎贴岸（图2）。工程西南3.5km有平洲，10m等深线环平洲展布。从工程区位上看，大鹏湾外海S向和SW向波浪可经由湾口传入湾内，对六月海堤结构安全产生影响；同时，大鹏湾内水域开阔，水深大，W向风浪对工程的影响亦不容忽视。因此需对S向、SW和W向的波浪开展数值计算，从而为六月海堤重建工程提供设计波浪要素。

1　模型原理

图1　大鹏湾及其附近水下地形及计算区域图

本研究采用动谱平衡方程数值模拟模型SWAN，可全面考虑近岸波浪传播过程中的浅化、折射、绕射、水底摩阻、风能输入、白浪损耗、近岸波浪破碎以及三相波和四相波非线性相互作用等物理过程。SWAN模型以动谱密度N（σ，θ）描述随机波浪，在笛卡尔坐标系下，动谱平衡方程（无流时即为能量平衡方程）可表示为：

式（1）中，左端第一项为动谱密度随时间的变化率；第二和第三项表示动谱密度在地理坐标空间x、y方向上的传播；第四项表示由于水流和水深所引起的动谱密度在频率σ空间的变化；第五项表示动谱密度在谱分布方向θ空间的传播；右端的S项代表以谱密度表示的源汇项，包括风能输入、波—波非线性相互作用及海底摩阻、白浪、水深变浅诱导波浪破碎引起的能量损耗；Cx、Cy、Cσ和Cθ分别代表在x、y、σ和θ空间的波浪传播速度。

2　模型建立

2.1 深水波要素

据文献［3］关于港珠澳附近水域实测波浪资料的统计可知，在大万山～大亚湾一带，外海大浪主要是台风浪，台风浪的波向主要为向岸的SE～SSW向。文献［4］基于多年台风浪个例过程的数值后报结果，推荐了大鹏湾湾口22m等深线O1点（图1）水域SE、S和SW向不同重现期的波浪要素。该项资料显示，大鹏湾湾口水域以S向波浪的作用为强，50年一遇的H13%波高为7.2m。

2.2 设计风速

据赤湾站1986～2008年的测风资料可知，在S～WNW六个方位中，S～SSW向风为强，多年平均极值风速在18.7m/s，W～WNW向风为最弱，多年平均极值风速在14.7m/s，观测期间的最大风速为28.3m/s，出现在WNW向。经水陆订正和高度订正后分析得到的海面10m高度处不同方向50年一遇的S～SSW向设计风速为30.7 m/s，SW～WSW向为28.0 m/s，W～WNW向为31.1 m/s。

2.3 计算方案和参数选取

基于SWAN模型，采用两重嵌套的计算方案，建立了工程海域近岸波浪传播变形的数值模拟模型，模型包括大、小两个不同空间范围（I区和II区）的计算区域（图1），其中I区大模型包括了大鹏湾及其附近海域，模型西至牛尾海外海、东至大亚湾湾口，南至大鹏湾外海25m等深线，空间范围为48km×40km，空间网格步长为160m×160m；II区小模型包括平洲、六月海及其附近水域，空间范围为8km×8km，空间网格步长为20m×20m。I区大模型的入射波边界以22m等深线附近O1点的波浪要素作为控制条件，并通过I区大范围的运行结果提供嵌套区域II区的波谱边界条件。在频率和方向的二维谱空间分辨率上，两个模型相同：频率的计算从0.04～1.0，以对数分布划分为20个；方向的分段为30，分辨率为12°。

在模型的物理机制上，风能输入考虑线性增长和指数增长两部分，其中，线性增长采用Gara1er 和Ma1anotte-Rizzo1i表达式［5］，指数成长采用Komen等［6］的研究成果，计算风速采用赤湾站设计风速；海底摩擦造成的能量损耗采用Go11ins公式［7］，底摩擦系数取为0.01；考虑水深变浅引起波浪破碎的影响，破碎指标（破碎波高水深比）取为0.78；考虑三相波相互作用、四相波相互作用以及波浪的绕射作用，相关参数取为模型建议值［8］。

3　计算结果分析

3.1 大鹏湾波浪传播变形计算结果分析

基于I区大鹏湾大范围波浪数值模拟模型，得到S向和SW向50年一遇波浪计算结果，表1给出了自湾口O1点向湾内O3点不同水位下50年一遇的波浪要素。深入分析S向和SW向50年一遇波浪自湾口向湾内的传播过程可知：

（1）受水下地形及陆域形势的共同影响，S向波浪的传播方向呈现西偏的态势，尤以大鹏湾湾顶及西侧水域为明显。S向波浪在传播至湾内20m等深线（O2点）时，H13%在6.58～6.89m，较湾口O1点的波浪强度减小了8%～11%；在传播至平洲以南的17m等深线（O3点）时，H13%在6.12～6.48m，较O1点的波浪强度降低了14%～16%。

（2）SW向波浪经传播后在湾内多为SSW向，其中，湾口～平洲一带水域受外海浪的影响较大，大赤门～溪涌一带则多受湾内局部风区浪的影响。该向波浪传播至湾内20m等深线（O2点）时，H13%在4.44～4.58m，较湾外O1点减小了13%～15%；继而传播至平洲以南17m等深线（O3点）时，H13%在4.47～4.32m，较O1点的降低了15%～17%。

（3）计算考虑了波浪传播过程中同频率风作用下的风能输入，所以不同特征点位的平均波周期均小于对应方向外海浪的平均周期。在平洲外海O3点，S向、SW向50年一遇波浪的平均周期分别在10.2s和7.9s左右。

（4）从湾外22m等深线O1点的波浪强度上看，不同方向H13%波高和平均波周期的计算结果与分析值［3］相吻合，计算值略大（最大不超过4%），这说明大范围波浪模型边界条件的控制合理，可为工程区（II区）近岸波浪的数学模型的计算提供入射波边界的控制条件。