大鵬灣海堤設(shè)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(xué)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(nèi)，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(shù)學(xué)模型計算，分析工程海域波浪場的分布規(guī)律，提供海堤堤前設(shè)計波浪要素，為開展海堤達標加固設(shè)計工作提供參考依據(jù)。料，對于開敞式海岸設(shè)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(shè)計波浪要素采用文獻[1]大鵬灣灣口（位置：東經(jīng)114°28′，北緯22°23′）水深約22 m 處參照點設(shè)計波浪要素，具體數(shù)值見表2。

表2 大鵬灣口水深約22 m 處參照點不同重現(xiàn)期波浪要素

1.2 設(shè)計條件

1.2.1 設(shè)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(shè)計水位，見表1。

表1 工程附近潮位值

1.2.2 外海設(shè)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(xiàn)期風(fēng)速

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

表3 深圳、惠東站各重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速

2 海堤設(shè)計波高計算及分析

本文采用丹麥水力研究所（DHI Water&Environment）開發(fā)的MIKE21 軟件中的SW（Spectral Wave FM）模型來推算工程區(qū)域入射波浪要素。SW 模型可考慮波浪繞射、淺水變形、局部風(fēng)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(nèi)逐漸減小；灣內(nèi)水深較大，15 m 等深線可北抵大鵬～溪涌～鹽田外海；大鵬灣內(nèi)西側(cè)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(wǎng)格及相關(guān)參數(shù)

模型計算采用三角形網(wǎng)格，單元邊長約為13～300 m，在工程附近網(wǎng)格單元進行局部加密，最小單元邊長約為13 m，外圍網(wǎng)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(jié)果不受造波邊界影響。

圖3 大鵬灣計算區(qū)域網(wǎng)格及驗證點位置

2.3 模型參數(shù)

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(dǎo)致的波浪破碎，根據(jù)SW 波浪模型以往計算經(jīng)驗，破波系數(shù)取1.0，其余源項參數(shù)采用SW 缺省的經(jīng)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(shù)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(jié)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(nèi)傳播過程中呈現(xiàn)東偏態(tài)勢，東大鵬灣波高值整體較西側(cè)大。水深自灣口向內(nèi)逐漸減小，波浪自灣口傳入灣內(nèi)，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(jié)論

本文根據(jù)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(shù)學(xué)模型，計算了大鵬灣S、 SW 向波浪入射及W 向小風(fēng)區(qū)波浪不同潮水位條件下工程海堤前不同重現(xiàn)期設(shè)計波浪波高，為海堤設(shè)計提供依據(jù)，形成主要結(jié)論如下：

（1）從大鵬灣海域整體波高分布可知，波浪在向灣內(nèi)傳播過程中呈現(xiàn)東偏態(tài)勢，大鵬灣東側(cè)波高值整體比西側(cè)大。波浪自灣口傳入灣內(nèi)，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(nèi)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(shù)值模擬成果基本反映了大鵬灣海域波浪情況，可供海堤設(shè)計參考。