基于波浪數學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、岸線以及相關工程產生復雜作用。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、現場觀測以及數學模型等解決方法[1]。隨著計算機技術的快速發(fā)展,數值模擬手段越來越多地應用到海岸及近海工程研究中,近年來國內外學者提出和完善了多種數值計算模型,廣泛應用的有Boussinesq方程、波能平衡方程、緩坡方程等[2]。

多年建港經驗表明，防波堤的建設能改變工程區(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，根據波浪數學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 防波堤現狀

為改善蝦峙島西南側岸線的泊穩(wěn)條件，長山島和蝦峙本島之間海域建設一條防波堤。防波堤長約480，口門寬度約60m，口門處設計底標高-4.0m，該防波堤已于2007 年竣工（圖1）。防波堤建設之后，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嚴重影響了當地船舶航行與錨泊，大大制約了蝦峙島內港區(qū)的生產作業(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期波高和相應波周期，見表1。

表1 嵊山海洋站重現期波要素

1.3.2 設計風速資料

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

表2 六橫島水域設計風速(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依據，整治方案提出前，在工程海域內布置3個潮位站、6條固定垂線，采集區(qū)域內潮位流速流向。根據現場實測數據，當地潮流呈現以下特征：

（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，出現在近底層0.8H層；最大落潮流為2.04m/s，出現在表層。

（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出現在垂線的上部，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出不同的規(guī)律。

2 波浪數學模型

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格步長為10m，沿波峰線方向的計算步長為20m，模型糙率系數取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，在防波堤內側形成漲潮回流，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。為盡快恢復航道通過能力，減少對島內港區(qū)的生產作業(yè)的影響，整治方案內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（航道設計水深為-5.5m，考慮備淤深度0.5m）；同時，清理口門南側淺灘約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（航道設計水深為-5.5m，考慮備淤深度0.5m）；同時，清理口門南側淺灘約400*260m 范圍，水深同樣為-6.0m。

3.2 計算結果

經小范圍模型計算得，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。

現狀條件（口門寬度為60m）：在50 年一遇、設計高水位條件下，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，B1與B2 測點位于防波堤后方并沿蝦峙島岸線布設。

圖2 控制點位置示意圖

測點特征波高統(tǒng)計結果見表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、設計高水位波高H1%（m）比較（方案二）

（1）在50 年一遇、設計高水位條件下，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 結論

（1）本文依據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+設計高水位、2 年一遇+設計高水位下的波高分布和漁港內控制點的波要素。

（2）在50 年一遇、設計高水位條件下，當波浪從ESE 方向和SE 方向傳來時，在現狀條件下（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與運營。