开敞海域海堤设计波浪波高数值研究

徐立清

(福建省莆田市水利水电勘测设计院，福建 莆田 351100)

波浪是海岸动力中最基本的要素之一，近岸波浪在水下地形及陆域边界等客观条件的影响下将会发生包括折射和绕射在内的各种变形，其波高、波长以及波向等设计波浪要素也将随之发生变化。而波浪要素中波浪爬高的量值(大小)又将决定海堤的堤顶高程、堤身断面形式、尺寸以及护面块体的大小，直接影响到工程投资。因此，对于设计出安全可靠、经济合理的海堤，海堤堤前波浪爬高的合理性显得尤为重要。本文以平海石井海堤为例，采用数学模型对开敞海域海堤波浪要素中波浪波高的计算进行一些探讨，为海堤设计提供参考。

1 概况

1.1 海域风浪条件分析

平海石井海堤属于凹岸型海岸类型，正面向台湾海峡基本不受到岛屿的掩护，外海波浪可长驱直入直接传播至工程前沿，波浪作用明显。根据海堤所处地理位置和海岸线走向分析，对平海石井海堤影响较大波浪主要是台湾海峡内传来的SE、SSE、S、SSW、SW向波浪。

平海石井海堤没有长期的实测风浪资料。从地形地貌以及水下等深线的走向分析，可以认为该工程海域的外海深水区域波浪场与其西南方向约55.0km处的崇武海洋观测站海域的深水区域的波浪场一致。因此，平海石井海堤设计波要素计算的主要依据资料是崇武海洋站长期的实测波浪资料(1962～2000年的实测波高(H)年极值及其对应的波周期)和风速资料。应用P-III型理论分布线型进行频率分析，对每一波向均归并相邻一个方位内的数据，即SE(SSE)、S(SSW)、SW(WSW)等。分析得到的频率曲线如图1～3所示。

图1 S(SSW)方向波高年极值累积频率曲线

图2 SE(SSE)方向波高年极值累积频率曲线

图3 SW(WSW)方向波高年极值累积频率曲线

由相关的频率分析方法推求相应重现期的设计波浪要素和设计风速，计算分析可得SE(SSE)、S(SSW)、SW(WSW)方向H1/3波高(14m水深处测波点位置)和设计风速见表1。

表1 崇武海洋站重现期为20a统计波浪波高要素

1.2 设计潮位与计算组合

在计算波高时，由于潮位的变化会对工程点的计算水深产生影响，所以需要根据历史资料和海堤工程设计规范确定海堤的设计潮位，并确定本次波浪计算的组合。

1.2.1 设计潮位

按照SL435-2008《海堤工程设计规范》，确定本次研究的平海石井海堤的设计潮位为20a一遇，综合平海石井海堤工程年最高潮位的频率分析和工程设计潮位值，平海石井海堤20a一遇的设计潮位取4.40m。

1.2.2 计算组合

根据工程设计的实际需要，结合当地的地形地貌情况，从安全的角度考虑，本次波浪计算选择海堤前沿5个主浪方向的20a一遇波浪和20a一遇潮位组合作为堤前设计波浪要素计算的工况组合。

2 计算

波浪自深水进入浅水的过程中由于水深发生变化，波浪在浅水区域发生了较为明显的折射绕射变形。本文通过浅水变形的数学模型，计算出平海石井海堤影响最大的五个方向上到海堤前沿20a一遇潮位与20a一遇波浪同频率组合的波要素，再通过相关换算得出海堤浅水区各工程点位置的波要素。

2.1 模型

基于波作用守恒方程，控制方程采用波作用密度谱N(σ，θ)来描述波浪。模型的自变量为相对波频率σ和波向θ。波作用密度与波能谱密度E(σ，θ)的关系为：

N(σ，θ)=E(σ，θ)/σ

(1)

式中，σ—相对频率；θ—波向。

在笛卡尔坐标系下，波作用守恒方程为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

地理空间和谱空间采用中心单元有限体积法离散用于求解方程。在地理空间的陆地边界上采用全吸收边界，入射量(以传播速度垂直于小单元正向为正)设置为零，透射边界不需要边界条件；在开边界处需要指定能量谱。在频率空间，所有的边界都为全吸收边界；在方向空间不需要边界条件。

2.2 网格

根据工程所在区域的海域特征和地形特征，采用无结构网格对模型区域进行剖分，准确贴合复杂多变的岸线、岛屿及工程方案平面布置。本次计算采用大小网格嵌套的方法对计算区域进行网格剖分，外海海域因波浪潮流参数相对稳定，且离工程海堤距离较远，用大网格剖分以节省计算时间和提高计算效率。在海堤工程所在海域和岛屿众多、地形变化明显的港湾处，为真实反映潮流和波浪的传播破碎等物理过程，宜采用局部加密小网格以提高计算精度。工程区域地形图如图4所示，计算网格如图5所示。

图4 工程区域地形

图5 模型网格

2.3 结果与分析

由前面确定的计算参数、计算公式及数值模式，对平海石井海堤工程计算点的设计波浪波高要素进行计算。各计算点波向就不同潮位条件下各重现期的深水波进行了波浪传播变形计算。波向主要考虑SE、SSE、S、SSW、SW，在计算中考虑了波向在一定范围内变化对计算结果的影响，对主方向左、右各11.25°也分别进行计算比较，取较不利入射波向的计算结果，海堤前不同水深处设计有效波高计算成果见表2。

表2 平海石井海堤堤前波浪波高分布 单位：m

*表示破碎波高，近岸破波参数取0.88；波向指从正北向顺时针至来波向的角度。

由计算结果可知，平海石井海堤因其来波向海域宽敞、少有岛屿，受外海涌浪和局部风浪的联合作用，波浪直冲工程区前沿，海堤各计算点SE、SSE、S和SSW波向的各累积率波高和平均波高在水深2.40m处均已破碎，破碎波高Hs=2.11m。水深3.40m、4.40m和8.00m处的有效波高分布为2.96m、3.64m、4.62m。

3 结论

本文根据平海石井海堤工程波浪要素计算的特点和要求，构建近岸波浪变形传播计算模型，获得其所在工程区的海堤前波浪设计要素。结果表明：

(1)影响海堤波浪设计要素的主要是SE、SSE、S、SSW、SW波向外海台湾海峡涌浪。

(2)海堤所在的南日水道20a一遇设计潮位为4.40m。

(3)海堤各计算点各波向的累积率波高和平均波高在水深2.40m处均已破碎。

由于模型深水区边界无明确潮位资料，因此采用临近潮位站资料进行试算获得，存在一定局限。笔者将进一步研究深水区边界潮位的换算方法。