坎门渔港设计波浪计算与分析

坎门渔港设计波浪计算与分析杨春平，季小强， 冯卫兵河海大学，江苏南京，（210098）E-mail ：epi301@摘 要：通过多方法比较确定外海波浪要素，采用波浪绕射折射联合方法数值模拟坎门渔港修复设计波要素，并模拟复演“森拉克”、“海棠”等台风浪场，从而客观分析渔港防波堤的损坏原因，为有针对性的修复方案提供合理可靠的设计参数。

关键词：设计波要素，绕折射联合模拟，复演1．引言坎门渔港位于浙江中南部沿海的玉环县坎门湾，渔港的西—北—东诸方向受本岛陆域的掩护，东南面向大海，水深浪急。

1996年在东端大山墩到西端赤礁之间修建1600米防波堤，2000年完工后为解决当地渔船及过往船只的避风问题起到了十分重要的作用。

近几年多次在附近海域的强台风袭击，部分堤段的护面块体毁坏严重，因此，需要进行设计波要素的评估和修复方案确定。

2．外海设计波浪的重新确定尽管1992年对防波堤的外海深水波浪要素作了比较深入的分析研究，但由于时隔已有十多年，原始资料序列相对较短，特别是近几年台风频繁发生，风力也似有逐年增大的趋势。

因此，本文集所能掌握的资料和工程海域特点，采用了实测资料分析、南麂站风速推算、洞头站风速推算以及近几年台风浪资料后评估等方法，综合确定了外海波浪要素，见表1。

由表1可见，各方向的外海波要素都有所调整，以50年一遇为例，E ～ESE 向增大了32%，SE ～SSE 向增大了12%，因而深水波要素的调整是必须的。

表1 50年一遇波浪浅水变形计算起始断面波要素E ～ESE SE ～SSE S ～SSW波要素波高 （H 1/10） 平均周期（s ） 波高 （H 1/10） 平均周期（s ） 波高 （H 1/10） 平均周期（s ） 本文10.87 13.75 7.57 13.75 6.50 10.60 原报告 8.20 10.10 6.75 10.20 6.20 9.20 注：波高单位为米。

3．堤前波浪要素3.1波浪绕射折射变形计算数学模型[1][2]考虑底摩阻的缓变水深水域定常波浪变形计算数学模型的控制方程为：（1）波周期守恒方程：const T2πσ==（2）波数矢无旋性方程：0K =×∇ρ （3）波浪缓坡方程：()()****g 2g W W ΦωiW CC k ΦCC −=++∇⋅∇- 1 -（4）光程函数方程：2*g g g 22W 4R y R CC y x R CC x CC 1k K −⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂+= 上述模型当时，即（1H/kH <<∇k K =）化为单纯折射模型：f r s 01K K K H H =式中W*为因摩阻或破碎波高损失项，W**为由于沿程风能继续输入波高增加项，为浅水变形系数，为折射系数，为底摩阻波高损失系数，C 、Cg 分别为波速和波群速；R 为与波高(H)有关的函数。

由上述公式即可进行波浪折射绕射传播变形计算。

s K r K f K 3.2堤前波浪要素就南排山、外黄门山附近等整个防波堤堤前水域都进行了波浪传播变形计算。

由于只有防波堤堤根外侧的局部地形是新测的，所以在地形概化和数值差分计算时分为两个区域，采用大小网格嵌套方法摘录水深数据，大网格为△X 1=100m 、△Y 1=100m ，小网格△X 2=25m ，△Y 2=25m 。

潮位计算了校核高潮位、设计高潮位和设计低潮位三种工况，波向采取在表8中所列的三个波向范围内每隔7.5°多方位入射，以寻找最不利波浪入射方向。

波周期固定。

为了设计单位修复方案的比较，将100年一遇的设计波浪要素也进行了计算，并绘制了各种工况的计算区域的波高波向矢量图。

介于SE~SSE 之间的波浪传播至堤外侧后，受到局部地形的影响发生较大辐聚变形，波高增大，接近破波波高。

波峰线自南排山与外黄门山之间的深水区平行向前推进，经过传播一定距离后，波浪受地形影响而产生的变形愈来愈明显。

为了方便设计单位使用，本次沿防波堤前取了若干点进行波要素摘录，由于计算工况多，仅仅列出部分计算结果见表2。

计算结果表明，由于受防波堤前水域水下地形的影响，波浪自口门传播至该局部水域形成几个波能集中区，使得部分区域波高增加，甚至超过深水区的原始波高值，较多的堤段波浪已几乎达到极限波高。

百分之一大波波高为8.94m （出现在E4），其波向基本与堤轴线垂直。

由于不同波浪重现期时的波高波向矢量分布的大致相同，因此，仅列出50年一遇的SSE 方向设计高潮位条件下的波高波向矢量图，见图1。

- 2 -E6 7.79 6.87 6.69 5.84 4.01 151.48160. 13.67E7 7.50 6.58 6.41 5.57 3.78 153.93161. 14.17E8 7.49 6.57 6.40 5.56 3.78 153.45161. 14.07E9 6.95 6.07 5.91 5.11 3.44 152.96161.13.97注：1.“*”表示破碎波波高；2.波向为与正北向顺时针夹角。

图6 50年一遇波高波向矢量图（原始波向：SSE ；计算潮位：4.67m ）4．“森拉克”、“海棠”台风波浪计算4.1台风浪资料的取舍和起始断面的确定“森拉克”台风于2002年9月6日在温州沿海登陆，台风对本海区的影响有一个延续过程，按南麂海洋观测站的实测波浪资料主要大浪发生在2002年9月7日自8时至17时波高逐渐加大，十分之一大波波高由8.3m 增大到13.0m ，测得的波浪周期在14.6~19.4秒之间变化，综合考虑波高与周期的变化范围选择四个测次与校核高潮位、设计高潮位和设计低潮位等三种潮位组合进行防波堤堤前波要素的计算。

“海棠”台风于2005年7月19日在福建连江县沿海登陆，台风对本海区的影响有一个延续过程，按南麂海洋观测站的实测波浪资料主要大浪发生在2005年7月18日自8时至19日17时波高逐渐加大，十分之一大波波高由6.2m 增大到11.0m ，测得的波浪周期在10.6~13.9秒之间变化，综合考虑波高与周期的变化范围选择19日08时的观测值作为基本参数，潮位组合与“森拉克”台风浪计算相同。

根据南麂海 - 3 -洋观测站的测波位置和水深，决定将波浪折射绕射计算的起始断面放在坎门渔港工程前的海图水深30米等深线处。

4.2堤前水域台风波浪变形计算台风浪的计算数学模型与前面一样，在此不再赘述。

所不同的是需要先将波浪由上述的起始断面计算至南排山与外黄门山连线水域，然后再应用与常规波浪计算的相同办法进行堤前波要素的计算，考虑到实测波浪资料的波向归并，以及本次防波堤的损坏情况和现场拍摄的录像资料等客观现象，进行波浪折射绕射变形计算时将波向作了一定的调整。

从工程安全性出发，以SE、SSE向等波浪方向作为堤前小区域计算的边界条件较为合适。

为了与常规波浪计算结果进行比较和设计单位应用方便，台风波浪计算结果的摘录位置以及波浪破碎指标都与常规波浪计算时相同。

计算是在起始断面将实测波高值按波高分布规律求得不同累积率的波高值，然后按代表波进行折射绕射浅水变形联合计算至堤前，并将波要素摘录成表。

结果表明：无论从空间分布还是从对应点波高量值上来看，“森拉克”、“海棠”台风浪的计算结果均介于波浪重现期为100年一遇和50年一遇之间，50年一遇潮位时百分之一大波波高最大者可达8.55m，出现波向为SSE向。

5．结论（1）通过多方法、多途径综合分析确定的坎门渔港外海波要素表明，由于受到近几年来台风频繁发生的影响，对原先确定的多年一遇的深水波要素必须作一定的调整，并以此作为波浪折射绕射变形计算起始波要素较为合适。

（2）坎门渔港防波堤堤前水域的水下地形复杂，东侧有浅滩，西侧有深槽，使得入射波浪受地形影响发生较大折射绕射变形，波能产生辐聚、辐散现象，在堤前形成了部分波能集中的局部区域，对防波堤安全产生一定的不利影响。

（3）利用波浪折射绕射联合数学模型进行工程前设计波浪要素计算，确定防波堤工程基本上由SSE向波浪起控制作用，该方向的最大者在50年一遇高潮位时，100年一遇和50年一遇的百分之一大波波高可达8.94m和7.80m。

（4）经过对“森拉克”、“海棠”台风浪的复演计算，表明该方向的台风浪与50年一遇潮位组合时的百分之一大波波高为8.55m。

因此，无论“森拉克”还是“海棠”台风对坎门渔港防波堤造成的危害，超过了原防波堤的设计标准，即50年一遇。

（5）如果考虑潮流对波浪的影响，当波浪与水流呈一定的逆向角度时，波高还将有所增大，这一点希望有关单位引起注意。

- 4 -参考文献[1]冯卫兵，坎门渔港潮汐及波浪特性分析推算[R]，河海大学，1992[2]冯卫兵，坎门渔港西防波堤堤根设计波浪及“森拉克”台风浪计算[R]，河海大学，2002[3]浙江省海塘工程技术规定，浙江省水利厅，1999[4]海港水文规范（JTJ213-98），人民交通出版社，1998.[5]冯卫兵，浙江省洞头县东沙渔港防波堤工程初步设计阶段波浪等动力因素计算与分析，河海大学海岸及海洋工程研究所[R]，2002[6]冯卫兵、洪广文，水流中波浪绕射折射数值计算与分析[J]，海岸工程，2000，18（4）：13-20[7]Fengweibing，hongguangwen，An Analytic—Numerical Solution of Wave Transformation，China Ocean Engineering[J]，Vol.9. No.1.pp.43-50[8]《堤防工程设计规范》（GB50286-98），中国计划出版社Computation and Analysis of Waves for KanmenFishing-portYang Chunping，Ji Xiaoqiang，Feng WeibingHohai University, Nanjing, China (210098)AbstractBased on computation and analysis of the deepwater waves, the reasonable design characteristics for the repair of Kanmen fishing-port are given by using the model of diffraction-reflection combined calculation. At the same time, the reproduce simulation for some typhoon waves, the methods and contents of compution can be used for similar projects.Keywords: design wave element, combined calculation for wave diffraction-reflection, the reproduce simulation.作者简介：杨春平（1982－），女，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事港口海岸及近海工程研究。