防波挡沙堤波浪场数值模拟及波浪要素推算

防波挡沙堤波浪场数值模拟及波浪要素推算

谢　龙

(苏交科集团股份有限公司　南京　210019)

摘　要　南通港洋口港区航道防波挡沙堤四周为辐射沙脊群海域,针对这一海域水沙情况复杂的特性,采用考虑底摩阻的缓变水深水域定常波浪变形计算数学模型,对工程区域进行三维波浪场数值模拟,研究主要风向(N~NNE)下,不同波浪重现期与设计水位组合情况下工程附近海域的波浪场分布规律,并给在防波挡沙堤附近选取若干计算控制点,计算各控制点的设计波浪要素。关键词　波浪场　数值模拟　特征波浪要素　风浪组合　　南通港洋口港区15万t航道工程位于如东人工岛的东侧,南侧为南航道及如东县临港工业区围海造陆区域。15万t级航道设计底标高为18km,航道疏浚土吹填至烂沙洋南水道南侧边滩的临港工业围填区,根据需要,需在临港工业围填区前沿浅滩区开辟施工期临时航道,并建设防波挡沙堤对临时航道形成掩护,为了分析防波挡沙堤建设位置的波浪传播情况,给防波挡沙堤设计提供合理的设计波浪要素,本文拟建立三维波浪场数学模型,研究主要风向(N~NNE)下,不同波浪重现期与设计水位组合情况下工程附近海域的波浪场,并给出防波挡沙堤附近计算控制点的设计波浪要素。-15.8m,满足LNG全潮通航,疏浚段长度约

1)波周期守恒方程

ω=

2)波数矢无旋性方程

→

2π=const　T

(1)

3)光程函数方程

Ñ×K=0　

-

(2)

4)波作用守恒方程:

2

Ñ·(CCgÑR)ω2-σ222

K=k++　

CCgRCCg

∂HCCK

+Ñ·ægH2ö=-W∗H2　∂tèσø

→

(3)(4)

式中,ω为圆频率;k为波数;H为波高;C为波速;Cg为波群速;K为修正后的波数;Ñ为水平梯度算子;W∗为综合能量系数(单位为s-1),其计算式如式(5)所示。

W∗=W∗-W∗fin　

4fHKσ

3πgksinhkh

(5)

式中,W∗为底摩阻能耗系数;W∗fin为风能输入项。两者计算式如式(6)、式(7)所示。

图1　工程地理位置

1　波浪传播模型建立

根据工程区域四周为辐射沙脊群海域、水沙情况复杂

[1-2]

W∗=fW

∗

in

()

3

　(6)(7)

经验,采用考虑底摩阻的缓变水深水域定常波浪变形计算数学模型[3-5],对工程海域的波浪场及防波挡沙堤附近的设计波浪要素进行推算。1.1　控制方程

、研究海域广泛的特性,及以往类似工程

式中,V∗=Vcos(αV-α);风速矢量V=(VcosαV,1.2　初始条件VsinαV)。

1)初始条件设置

1/bH

gCgæaHV2

∗ö=2bH2　

V∗ègHø

→

考虑底摩阻的缓变水深水域定常波浪变形计

Φ(x,y,t)=0,R(x,y,t)=0

算数学模型的控制方程[6-7]为:

(收稿日期:2019-04-08)

ψ(x,y,t)=0,φ(x,y,t)=0

(8)

·37·

《江苏交通科技》2019年第4期

2)外海入射边界Φ(x,y,t)=-3)统一边界条件

率、每个方向的组成波分别进行模拟计算,得出该

igH0i[k0cosα0x+k0sinα0y-ωt]

e=2ω

-iωt

组成波在计算水域内任一点处的波高比Kfd,则水域

(9)(10)(11)

内任意点的波高为:

K2∑∑fdSd(fj,θk)δfjδθk

j=1k=1

m

n

φ0(x,y,t)e　

-Ksin(α∗-α)

B=B1+iB2=

1+R2+2Rcosε

[2Rsinε+i(R2-1)]　

→

∂Φ/∂n+BΦ=0　

H=H0

2　数学计算模型的建立

本工程位于南通港洋口港区,外侧为广阔的辐射沙脊群,根据工程所在海域的风况和波况特征,本次波浪数学模型研究的主要计算波向为N~NNE[10],计算范围为171km×135km,外海最大水深20~25m。其中,重现期为50a、20a、10a时,工程区域各频率下风浪要素如表1所示。

表1　工程区域各频率下风浪要素

要素风

项

50

重现期/a29.0420

10

式中,H0为入射波高。

∑∑S(fj,θk)δfjδθkj=1k=1

mn

　(13)

式中,α和α∗分别为波向、固壁边界切线与x轴夹角(假定x轴指向岸线);n为固壁边界外法线方向;R=Re,R、ε分别为反射系数和相位差。对于固

iε

→

壁边界,应按其物理特性确定R及ε,当R=1.0、ε=0,即为完全反射边界,即:

当R=0则为透射边界:

∂Φ/∂n=0　

(12)(13)

在本文模型中,由于计算区域较大,开边界处当有波浪入射时设为入射边界,其余为透射边界,岸边界设为全吸收边界。1.3　不规则波模拟

实际海浪包括不同频率、不同方向的组成

∂Φ/∂n+iksin(α∗-a)Φ=0　

风速/(m·s-1)31.69

-3.40H/m

Hs/m波浪5.14

T/s

-

3.1.857.85

26.48

3.014.687.69

　　根据计算需求及以往模型的计算经验,设计波浪要素计算组合如表2所示。

波向

工况波浪重现期工况一

N~NNE

工况二

50a一遇

表2　设计波浪要素计算组合

设计水位

计算内容波高(H1%、H4%、H5%、H13%、平均波高)、波

长、周期

50a一遇高潮位设计高水位设计高水位设计高水位

8.09

波,基于线性随机波浪理论,不规则波可以表示成无数不同频率、不同方向组成波的线性叠加[8-9]:ζ(x0,y0,t)=

式中,ζ为波面;ajk为组成波振幅;fj为组成波圆频率;θp为衍射波方向;θk为组成波方向;εjk为服从均匀分布的随机相位。振幅ajk与波谱关系为:

12

a=S(fj,θk)δfjδθk　2jk

(12)

kjy0sin(θp+θk)+2πfjt+εjk]　

∑∑ajkcos[kjx0cos(θpj=1k=1

mn

+θk)+

(14)

工况三20a一遇工况四10a一遇

3　数学计算结果分析

所示。选择若干监测点,监测点布设示意图如图3所示,各工况下各监测点设计波浪要素如表3所示,由于篇幅关系,只列出6个特征点。

各工况下研究海域的H13%波高、波矢图如图2

对不规则波传播变形进行数值模拟时,将入射方向谱S(f,θ)进行频率分割与方向分割,对每个频

a)工况一

图2　各工况下研究海域的H13%波高、波矢图

b)工况二

c)工况三

d)工况四

·38·

《江苏交通科技》2019年第4期

北、东南等开阔海域,波浪方向基本与风向一致。在近海区域,波浪传输至固定边界后受阻挡反射,并与后续传输波浪发生叠加、衍射,波浪场较为散乱。

分布形状十分相似,范围大小有一定差异。极端组合下同一级等值线分布范围向近岸收缩。

图3　监测点布设示意图

(2)在各工况下,2.5m、3m、4m、4.5m等值线(3)在50a一遇高潮位与50a一遇风浪组合情

分析图2及表3可得以下6点结论。

(1)波浪方向主要受风向及地形影响。在东

工况

计算位置S01S03

工况一

S07S011S014S01S03

工况二

S07S011S014S01S03

工况三

S07S011S014S01S03

工况四

S07S011S014S09S09S09S09

2.5m、3m等值线范围之间,其他工况下则基本分布在2.5m波高等值线范围内。

设计波要素

况下,工程区域N~NNE向H13%波高主要分布在

表3　各工况下各监测点设计波浪要素

H1%/m3.17∗3.853.82∗4.01∗3.66∗3.74∗1.76∗2.47∗2.41∗2.60∗2.25∗2.34∗1.76∗2.47∗2.41∗2.60∗2.25∗2.34∗1.76∗2.47∗2.41∗2.60∗2.25∗2.34∗

H4%/m3.133.413.493.573.431.76∗2.47∗2.41∗2.60∗2.25∗2.34∗1.76∗2.47∗2.41∗2.60∗2.25∗2.34∗1.76∗2.422.41∗2.60∗2.25∗2.34∗3.36

H5%/m3.063.333.403.483.351.76∗2.47∗2.41∗2.60∗2.25∗2.34∗1.76∗2.462.41∗2.60∗2.25∗2.34∗1.76∗2.362.2.312.41∗2.25∗3.27

H13%/m2.712.923.003.062.951.76∗2.272.382.452.222.192.292.352.242.142.092.192.252.152.051.76∗2.25∗1.76∗2.88

1.922.032.092.132.072.001.291.631.741.771.651.611.291.561.661.691.1.1.291.481.571.601.561.46

H/m

-

L/m.6959.6859.3360.5958.2458.8241.7948.8248.3450.06.8447.6340.4747.2446.7848.4345.3446.1039.5946.1945.7447.34.3445.08

8.098.098.098.098.098.098.098.098.098.098.098.097.857.857.857.857.857.857.697.697.697.697.697.69

T/s

-

d/m5.206.356.266.586.006.142.4.043.9.273.693.832.4.043.9.273.693.832.4.043.9.273.693.83

注:∗代表当地极限波高

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《江苏交通科技》2019年第4期

　　(4)在各工况下,防波挡沙堤的堤头位置附近各计算点处波浪基本以当地极限波高控制为主。

(5)在各工况组合条件下,各项H1%最大波高波高较大;由于工程位置滩面较高,设计高水位时,

[2]陆培东.南黄海辐射状沙脊浅水人工岛的工程稳定性研

究[C]∥中国海洋学会海洋工程分会.第十四届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上册).北京:海洋出版社,2009.

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tions,U.S.Army,corpsofengineers,beacherosion[4]SAVILLET.Laboratorydataonwaverun-upandover-top-center,Vicksburg,1955.

pingonshorestructures[R].Coastalengineeringresearch

均出现在S09点,在50a一遇高潮位与50a一遇风浪组合情况下,N~NNE向H1%波高约为4.01m,对应的H13%波高为3.06m。

(6)设计高水位与50a一遇风浪组合、设计高

水位与20a一遇风浪组合及设计高水位与10a一遇风浪组合情况下,S09点H1%波高均达到当地极限2.29m和2.25m。4　结论

波高2.60m,而对应的H13%波高分别为2.45m、

[5]方昭昭,朱仁传,缪国平.数值波浪水池中航行船舶辐射[6]陈可锋.黄河北归后江苏海岸带陆海相互作用过程研究[7]赵保仁,方国洪,曹德明.渤、黄、东海潮汐潮流的数值模

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问题的数值模拟[J].水动力学研究与进展A辑,2011,

本文建立了南通港洋口港区15万t航道工程

防波挡沙堤区域的三维波浪数值模型,分析各工况主要风向(N~NNE)下,不同波浪重现期与设计水位组合情况下工程附近海域的波浪场。分析结果1.45~1.92m,极值风速为31.69m/s,风浪条件较好,对防波挡沙堤堤顶要求较低。

参考文献

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显示,工程区域的波高极值为4.01m,正常波高在

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2.0版,并为将来发展更为成熟后,建设3.0版高铁车站预留基础和条件。同时应注意到,由于国内高铁车站建设周期较短(平均18~24个月),很多项目快速上马、短期建成,因此必须充分提前、统筹考虑车站的规划设计,尽可能提前3~5年开展前期设计,以保证充足的设计和修订完善时间,以免在车站建设后期再行更改,造成工作被动和大量浪费。

基于此,当前高铁车站商住综合体的开发建设需要积极转变观念,深入分析车站客流特征、商业价值,优化以站前广场改造为核心的车站商业布局,在较短的建设周期内努力实现由交通枢纽中心向车站商住综合体的转变,从而促进高铁车站的高

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质量、可持续发展。

参考文献

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