长江口地区促淤圈围工程越浪研究

【摘要】 中国东部海岸地带是我国经济发达和人口密集区。随着经济的发展，可利用土地的日趋紧张，促淤圈围工程项目呈现建设高峰。根据设计规范，这些圈围工程中的围堤堤顶高程可以由波浪爬高标准和允许越浪两个标准来确定。越浪量是指波浪作用在海堤上后，水体上爬越过堤顶的水量。在我国海岸工程（如海堤、护岸等）的设计中，可以以“允许越浪量”为控制标准来确定海堤护岸等的堤顶高程。按照允许越浪量标准来确定堤顶高程一般较谨慎。但此标准能够很大程度上降低堤顶高程，节省工程投资。对允许越浪量问题，国、内外学者已经进行了大量研究，提出了多种计算平均越浪量的方法。各国也相继制定了不同的越浪量控制标准。目前绝大多的允许越浪标准是根据物理模型试验结果提出的，由于各标准考虑的影响因素不尽相同，导致相同工况不同公式之间的计算结果常有较大差异。长江口地区促淤圈围工程众多，水文及工程资料丰富，本文选取当地具有典型代表性的长江口横沙五期越浪数据进行研究分析。首先对各种观测数据进行解读和分类，进行初步的对比分析后筛选出合理可用的数据。采用MIKE21软件的SW模型对长江口台风过境进行大范围的波浪场模拟，验证了越浪数据采集仪器布设的合理性。后采用SWASH模型对实测越浪量进行了一维数值模拟，模拟结果良好。并根据周边已建工程项目的物理模型越浪量数据进一步进行越浪量的验证，进一步证明了此模型在此地的良好适用性。同时又对越浪量实测数据进行理论计算对比分析，公式与实测值。最终得出SWASH模型能够较好模拟当地的越浪状态，能够为试验缺失的数据进行补充完善。 

1.绪论

1.1 越浪研究的背景
我国目前的海岸工程(海堤、护岸等)的设计中，“允许越浪量”是堤顶高程的重要控制标准之一。越浪量是指波浪水体沿堤身斜坡上爬后越过堤顶的水量。对此问题，国内外学者已经进行了大量研究，提出了许多计算越浪量的公式及方法，但这大多的研究过程都是以物理模型试验结果为依据提出的。这些计算公式考虑的影响因素不尽相同，计算结果之间也常存在较大差别。国外允许越浪量的控制标准主要分为两个类，一种是满足人员安全和车辆交通安全的要求，允许越浪量很小；另一种是满足建筑物自身结构安全，允许越浪量相对较大，越浪量的允许值一般通过物理模型试验和现场试验得到。国内越浪量控制标准参考国外的越浪量控制标准、考虑堤防建筑物结构安全确定。本次收集了美国、日本、荷兰等国及我国国内的越浪量控制标准。控制标准中允许越浪量是一个平均值的概念，一般取 100 个波列下产生的越浪量的平均值。上世纪五十年代，美国对斜坡堤上规则波的越浪量进行了模型试验研究。上世纪六十年代左右荷兰的 Delft 水工所在风洞水槽中做了不规则波在斜坡堤上的越浪量做了物理模型试验研究，并进行了发表。后来日本的某些学着根据 Saville的试验数据，研究了水深、波高对越浪量的影响曲线，并进行了发表。美国海岸研究中心在 1976 年同样基于 Saville 的越浪试验数据，提出了单坡斜坡堤上的越浪量的预测公式。之后世界多国及我国的大量学者也对越浪量进行了大量的研究，提出了不同断面形式的斜坡堤的平均越浪量的计算公式和控制标准。
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1.2 越浪研究意义和必要性
按允许越浪设计的海岸工程（围堤、护岸等），影响工程安全的主要是波浪越过堤顶后对堤顶和背坡的冲击、越浪水体在围区内积聚后可能会淹没围区等，从而危及人员和财产的安全。而目前规范中的越浪量计算公式属于半经验半理论公式，有很多限制条件；物理模型试验受限于实验室条件的显示，导致物理实验条件与现场实际情况往往有一定差异；以往由于上海周边地区促淤圈围工程围堤的设计标准均按照不允许越浪设计，除横沙五期南大堤和横沙六期北侧堤按照允许越浪标准设计实施外，其他并无按允许越浪标准设计的相关工程经验。长江口地区圈围土地用途不一，为了满足人员和财产安全，必须通过现场试验逐步积累越浪量与波浪、海堤形态（边坡、护面、堤顶高程等）之间的关系以及全线越浪后围区内的积水情况。在此基础上，形成适用于上海地区长风区下的计算公式，才能推广实施允许越浪。按照不允许越浪标准设计的大堤，堤顶高程通常较高，投资较大。随着长江口地区高滩资源的进一步减少，促淤圈围工程逐步转向中低滩进行，技术难度增大，造价较高。对我国广东、浙江等海岸线长、台风登陆频繁、地基条件差的沿海省市来看，很多工程以允许越浪量来控制堤顶高程，积累了一定成功的经验。国外如比利时、英国、荷兰、日本等国对实体越浪观测试验开展了深入的研究，成果显著。相比于按不允许越浪设计的大堤，降低了堤身高度，减少工后沉降量及地基处理费用，投资节省。
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2.越浪数据收集分析

2.1 长江口概况
长江口（见图 2-1、2-2）长约 181.8km，为缓混合陆海相潮汐河口。长江口外由西北向东南倾斜，呈三角洲形态，在-10m 等深线以上地形平坦，似一平台，在-10m 等深线以下坡降明显增大。长江口具有径流大和潮流强的特点，在潮流和径流相互作用下涨落潮流路分离，故在江中形成沙岛。长江口内岛屿为江心沙多岛型，主要有崇明、长兴、横沙三大岛。自徐六泾开始向下游苏北启东咀与上海南汇咀之间江面逐渐变宽，从5.7km 到 90km 变化，整个长江口呈喇叭形状。长江口中的崇明岛把长江口分为南支和北支，长兴岛和横沙岛又把南支又分为南港和北港，，九段沙又将南港分为南槽和北槽。长江口呈现 三级分汊，四口入海 的形态。长江口深水航道就位于北槽当中。
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2.2 长江口促淤圈围工程概况
自 2003 年以来，长江口附近累计形成促淤面积 12 万余亩，圈围面积近三万亩。长江口周边进行了大量的促淤圈围工程，例如横沙东滩系列促淤圈围工程、浦东机场促淤圈围工程、南汇东滩系列促淤圈围工程等。这其中横沙东滩和横沙浅滩区域的促淤圈围工程具有代表性意义。横沙东滩和横沙浅滩位于横沙岛东端，属于北槽和北港之间的大型滨海沙洲，是进行中的大型促淤圈围的重要区域。其地处长江口口门中心地带，易于泥沙落淤而形成广阔的滩地。横沙东滩串沟将其分隔成东西两部分，西部为横沙东滩，东部为铜沙浅滩。自 1998 年实施深水航道整治工程以来，横沙东滩及浅滩上以陆续完成了六期的权威工程。观测区北侧的西面为 N23 护滩堤，N23 护滩堤长约 8km，近北导堤段 4km，采用袋装砂堤心，护面采用 2.0~4.0t 勾连块体，坝顶现状实际标高约 2.1m；远北导堤段 4km，采用抛石堤心，护面采用 400~600kg 抛石，坝顶现状实际标高约1.1m。
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3.长江口波浪场数学模型 ........ 47
3.1 模型简介 ....... 47
3.2.1 控制方程......... 47
3.2.2 模型参数和边界条件 ...... 48
3.2 模型范围、网格剖分及计算基面......... 53
3.3 利用浮标观测堤前波浪要素 ..... 53
3.4 地形和边界条件 ........ 53
3.5 计算结果 ....... 54
4.越浪模拟 ..... 59
4.1SWASH 模型介绍 ......... 59
4.2 控制方程 ....... 60
4.3 离散方式 ....... 60
4.4 长江口越浪数据模拟 .... 61
4.4.1 波浪变形模拟 ..... 62
4.4.2 越浪模拟结果 ..... 65
4.5 模型验证周边已建工程越浪量 .......... 66
5.越浪影响因素研究 ..... 81
5.1 国内外越浪量计算公式对比分析......... 81
5.2 不同理论公式计算越浪值对比 .......... 83
5.3 越浪影响因素分析 ...... 85

5.越浪影响因素研究

5.1 国内外越浪量计算公式对比分析
计算越浪量公式的影响因素众多，主要包括波浪要素，如波高、周期、波向等；海堤断面尺度，如海堤结构形式、防浪墙结构形式、堤顶超高、护面结构、平台高程及宽度等；堤前海底地形；风况；以及波浪动力和斜坡重力关系的相对波陡、爬高等。因此很难得出适合各地区、各种建筑物型式、不同波浪作用下统一的计算公式。通过对已有研究成果的分析，国外规范、手册中以 Owen、Van de Meer 的研究成果为基础进行修正的较多，国内的研究以南科院、大连理工为代表。上述计算公式各有依据，经假设和计算，对单向不规则波正向作用下，设无胸墙斜坡堤有效波高 HS为 3m，深水波陡 Sop=0.035，谱峰周期=7.4s，坡比 1：1.5 时，对上述公式的计算结果如下表，由表 5-1、5-2 可见，相关公式的计算结果趋势基本一致，但数值大小变化没有一定的规律，差异较大。

总结

本文主要围绕长江口促淤圈围工程越浪量进行了研究，并对国内外关于越浪量控制的主要研究成果和观测试验案例进行了分析，并将国内外主要越浪控制公式进行了对比分析；对横沙五期南大堤越浪观测值进行的越浪研究：首先对长江口地区的越浪值进行了整理分析纠错；然后通过 MIKE21 软件进行长江口大范围的波浪数值模拟；后进一步应用 SWASH 模型对小范围的波浪变形、爬坡和越浪量进行模拟，拟合结果较好，并进一步用两个周边已建工程物模越浪量验证了模型的良好适应性。最后根据数值模拟的结果，对越浪影响因素进行了一定的分析。通过本文研究可以得出以下结论：
（1）海岸工程设计中关于越浪的标准有很多，但是大多数基于室内物理模型实验确定。按照规范公式设计的海岸工程结构，其结构物在实际应用过程中发生越浪的情况较为罕见，可见规范标准安全系数较高，设计偏保守。本次长江口横沙东滩顺利采集到实测越浪量数据，这为我国原型越浪研究起到了巨大的推动作用。长江口地区后续圈围工程众多。对长江口促淤圈围工程进行越浪进行研究，这对当地后续工程设计具有重大的指导意义。
（2）本文利用了长江口区域丰富的水文观测数据，采用现场波浪及气象数据进行了整个长江口区域的波浪数值模拟，模拟结果良好，证明了波浪测量设备的布设的合理性。后着重对越浪量进行了波浪和越浪量的模拟研究。首先以离岸的波浪浮标数据作为输入条件，模拟波浪向岸边的传递变形，模拟结果显示岸边波浪验证良好，同样波压力验证良好，这确定了本模型能够较好的模拟当地波浪变性。后应用此模型进一步对越浪量进行模拟，模拟结果较好，进一步证明了此模型能够较好模拟当地越浪量。
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参考文献（略）