潘世虎

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

1 問題的提出

閘前波浪要素與閘前風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度和風(fēng)區(qū)的平均水深等因素密切相關(guān)，對(duì)于某一個(gè)出海閘，閘前風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)區(qū)的平均水深已確定，而風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度與水閘的位置息息相關(guān)。

平原出海閘，兩側(cè)是綿長(zhǎng)的一線海塘，閘外是遼闊的海域，根據(jù)水閘與一線海塘的平面位置關(guān)系，可分為外凸式、平齊式和內(nèi)凹式3種形式，其位置關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以直觀看出，對(duì)于外凸式和平齊式水閘，其波浪計(jì)算的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)與一線海塘基本一致，但對(duì)于內(nèi)凹式水閘，由于凹入長(zhǎng)度有長(zhǎng)有短，長(zhǎng)則2～3km，短則100～200m，不宜采用與一線海塘一樣的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度。

例如上海的出海閘，閘室到對(duì)岸的距離就各不相同。根據(jù)《上海市海塘規(guī)劃》，市區(qū)段一線海塘的擋潮標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期200年一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)下限，故水閘閘前波浪計(jì)算宜采用200年一遇高潮位加12級(jí)風(fēng)下限(水閘主要建筑物級(jí)別為1級(jí))，風(fēng)向均為正向襲擊，風(fēng)速為32.7m/s，幾座出海閘的閘前設(shè)計(jì)波浪要素詳見表1。

圖1 水閘與一線海塘關(guān)系圖

表1 上海四座出海閘閘前波浪要素計(jì)算表

從表1可以看出，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度對(duì)閘前波浪的影響較為顯著。對(duì)于閘外前沿水域較寬、凹入長(zhǎng)度較長(zhǎng)的水閘采用多長(zhǎng)的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，將直接影響到水閘的安全和投資，若風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度選小了，水閘將偏不安全，反之水閘投資將大大增加。

SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)閘前風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度的闡述為：“當(dāng)閘前水域較寬廣或?qū)Π蹲钸h(yuǎn)的距離不超過水閘前沿水面寬度5倍時(shí)，可采用對(duì)面至水閘前沿的直線距離；當(dāng)閘前水域較狹窄或?qū)Π蹲钸h(yuǎn)距離超過水閘前沿水面寬度5倍時(shí)，可采用水閘前沿水面寬度的5倍?！卑瓷鲜稣f法，閘前風(fēng)區(qū)計(jì)算長(zhǎng)度存在以下四種情況：①當(dāng)閘前水域較寬廣，采用對(duì)岸至水閘前沿的直線距離；②當(dāng)對(duì)岸最遠(yuǎn)的距離不超過水閘前沿水面寬度5倍時(shí)，采用對(duì)面至水閘前沿的直線距離；③當(dāng)閘前水域較狹窄，采用水閘前沿水面寬度的5倍；④對(duì)岸最遠(yuǎn)距離超過水閘前沿水面寬度5倍時(shí)，采用水閘前沿水面寬度的5倍。四種情況均闡明的是不超過閘前寬度5倍的原則。

但是，對(duì)于不同的內(nèi)凹式平原出海閘，水閘向內(nèi)凹入長(zhǎng)度不同，水閘前沿水面寬度應(yīng)按內(nèi)凹段的水面寬度，還是應(yīng)按凹口外一線海塘外的水面寬度，規(guī)范沒有明確解釋。若按水閘前沿塘外寬度，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度將很長(zhǎng)，基本為水閘正對(duì)的海域?qū)挾?；若按閘室外側(cè)寬度(即內(nèi)凹段的寬度)，風(fēng)區(qū)計(jì)算長(zhǎng)度就較短，為內(nèi)凹段寬度的5倍，兩者計(jì)算出的波浪高度差別很大。因此，在計(jì)算內(nèi)凹式平原出海閘閘前波浪高度時(shí)，如何合理的選用風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，現(xiàn)行規(guī)范沒有更詳細(xì)的解釋。

本文采用波浪繞射理論分析凹式平原出海閘在不同的閘室前寬度(凹入口門寬度)情況下，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度選擇的研究成果，供設(shè)計(jì)者參考。

2 波浪繞射理論

波浪繞射理論是假定水流是不可壓縮的理想流體，將結(jié)構(gòu)物邊界作為波動(dòng)著的流體邊界的一部分，先找出在結(jié)構(gòu)物邊界上結(jié)構(gòu)物對(duì)入射波的散射速度勢(shì)和未受結(jié)構(gòu)物擾動(dòng)的入射波的速度勢(shì)，兩者迭加后即為結(jié)構(gòu)物邊界上擾動(dòng)后的速度勢(shì)。該理論認(rèn)為，波浪遇到障礙物后即發(fā)生繞射現(xiàn)象，繞射后，其波列頻率和周期不變，只有波高發(fā)生了變化。也就是說，發(fā)生繞射后的波高與入射波高有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就為采用繞射理論計(jì)算不同凹入長(zhǎng)度處閘前波浪高度奠定了基礎(chǔ)。

繞射波高計(jì)算公式如下：

Hd=KdHi

(1)

式中，Hd—防波堤后某點(diǎn)的繞射波高，m；Kd—繞射系數(shù)；Hi—防波堤口門處入射波波高，m。

繞射系數(shù)Kd與入射口門處兩側(cè)堤坡型式、口門寬度和入射波波長(zhǎng)有關(guān)。堤坡型式分為斜坡式和直立式兩種。繞射系數(shù)根據(jù)口門寬度與入射波長(zhǎng)的比值確定計(jì)算方式，當(dāng)比值小于5時(shí)，按雙突堤計(jì)算，否則按單突堤計(jì)算。由于與水閘相接一線海塘一般為斜坡堤，故閘前波浪繞射系數(shù)計(jì)算按斜坡堤進(jìn)行。

雙突堤繞射系數(shù)如圖2所示，其中，L—入射波波長(zhǎng)，m；B—口門寬度，m；ρ—計(jì)算點(diǎn)至口門中心距離，m；α—波浪波向線與口門中心線夾角，°。

圖2 雙突堤繞射系數(shù)表

單突堤繞射系數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

式中，r—計(jì)算點(diǎn)至堤頭間的距離，m，θ—計(jì)算點(diǎn)與堤頭連線與堤軸線之間夾角，(°)；θ0—入射波向線與堤軸線之間的夾角，(°)。

3 采用繞射理論分析閘前波高

采用繞射理論計(jì)算閘前波高，首先應(yīng)確定入射波的波浪要素，主要是平均波長(zhǎng)和累積頻率波高；其次要確定不同口門寬度條件下，堤后不同水閘位置的波浪繞射系數(shù)Kd；最后得出水閘不同的凹入長(zhǎng)度處閘前波浪高度。

(1)入射波的波浪要素分析

對(duì)于出海閘來講，入射波就是一線海塘的堤前波浪。其波浪要素與風(fēng)速、吹程和平均水深有關(guān)，結(jié)合我國(guó)海域基本情況，給出不同風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度的波浪要素，詳見表2。

表2 不同風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度的波浪要素表

注：1.一線海塘水閘一般為1級(jí)建筑物，故累積頻率波高采1%的;2.風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度10km以內(nèi)，平均水深按10m計(jì)，10～30km按15m計(jì)，30～50km按20m計(jì)，50km以上按25m計(jì);3.風(fēng)速采用12級(jí)風(fēng)下限32.7m/s;4.平均波長(zhǎng)括號(hào)外為計(jì)算值，括號(hào)內(nèi)為下文研究采用的近似值。

由表2可以看出，風(fēng)區(qū)越長(zhǎng)，平均波長(zhǎng)越長(zhǎng)，平均波高越大。

(2)波浪繞射系數(shù)分析

計(jì)算時(shí)，入射波波向線與水閘中心線一致，當(dāng)口門寬度不大于5倍波長(zhǎng)L時(shí)，采用斜坡雙突堤計(jì)算，當(dāng)超過5倍波長(zhǎng)時(shí)，按斜坡單突堤計(jì)算。計(jì)算成果如圖3所示。

圖3 不同口門寬度繞射系數(shù)Kd圖

從圖3中可以看出，當(dāng)水閘閘前口門寬度不大于5倍波長(zhǎng)時(shí)，閘室凹入長(zhǎng)度越長(zhǎng)，繞射系數(shù)就越小，當(dāng)凹入長(zhǎng)度大于30倍波長(zhǎng)時(shí)，波浪繞射系數(shù)基本在0.5以下，即：波高不超過堤前波高的一半；當(dāng)水閘閘前口門寬度大于5倍波長(zhǎng)時(shí)，波浪繞射系數(shù)始終為1，說明在這種情況下，閘前波浪與堤前波浪沒有發(fā)生變化，閘前波高采用堤前波高即可。

(3)閘前繞射波高計(jì)算

由圖2可知，繞射系數(shù)僅與入射波口門寬度和水閘凹入長(zhǎng)度相關(guān)，而二者又與入射波的波長(zhǎng)有關(guān)，在水閘凹入長(zhǎng)度與波長(zhǎng)之比相同時(shí)，閘前波高與入射波高正相關(guān)。表3為海域平均水深為10m、吹程為5km時(shí)，不同閘前寬度和凹入長(zhǎng)度的閘前繞射波高計(jì)算成果。

表3 閘室前繞射波高計(jì)算成果表(波長(zhǎng)L=30m)單位：m

由表3知，在平均波長(zhǎng)均為30m時(shí)，閘室前寬度不變，閘室凹入長(zhǎng)度越大，波高就越??；凹入長(zhǎng)度不變時(shí)，閘室前寬度越大，波高越大。例如：當(dāng)閘前寬度為120m時(shí)，閘室凹入長(zhǎng)度為600m(5倍的閘前寬度)時(shí)，閘室前波高僅為0.8m，而相應(yīng)的入射波高為2.22m(見表2)，閘前波高僅為入射波高的36%左右，充分說明凹入長(zhǎng)度對(duì)波高的影響較大。

4 兩種閘前波高比較與分析

4.1 采用規(guī)范理論的閘前波高分析

閘前平均水深采用10m，風(fēng)速采用12級(jí)風(fēng)下限，閘前寬度采用凹入口門寬度40～400m，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度采用5倍閘前寬度(凹入口門處寬度，下同)，計(jì)算波高為1%累計(jì)頻率波高+波浪中心線高度，計(jì)算成果見表4。

表4 規(guī)范理論閘前波高計(jì)算成果表 單位：m

與表3(平均波長(zhǎng)為30m)相比，采用規(guī)范計(jì)算相對(duì)較保守，例如，當(dāng)閘室前寬度為120m時(shí)，按規(guī)范5倍寬度風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算波浪高度為1.21m，而按繞射計(jì)算相同位置的閘前波高僅為0.8m，規(guī)范公式偏安全些。但如果入射波長(zhǎng)變大后，規(guī)范公式就偏不安全了。

4.2 繞射波高分析(繞射長(zhǎng)度采用閘前寬度的5倍)

繞射長(zhǎng)度為口門中心點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)(閘室外前緣中心點(diǎn))的長(zhǎng)度。當(dāng)繞射計(jì)算長(zhǎng)度采用閘前寬度的5倍長(zhǎng)度時(shí)，與入射波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的閘前波高計(jì)算成果見表5。

表5 閘前繞射波高計(jì)算成果與水閘計(jì)算波高對(duì)比表

由表5知，在繞射計(jì)算長(zhǎng)度與規(guī)范風(fēng)區(qū)計(jì)算長(zhǎng)度相同的情況下，繞射波高多大于規(guī)范計(jì)算值，這說明采用規(guī)范方式計(jì)算閘前波高偏不安全。

4.3 規(guī)范閘前波高與繞射波高比對(duì)分析

在計(jì)算閘前波高時(shí)，當(dāng)閘室凹入長(zhǎng)度超過多少倍閘前寬度，采用規(guī)范理論計(jì)算是偏安全的，表6給出了不同入射波對(duì)應(yīng)滿足規(guī)范理論的繞射長(zhǎng)度與閘前寬度最小倍數(shù)表。

表6 相同波高下繞射長(zhǎng)度對(duì)閘前寬度的倍數(shù)表

由表6知，在與規(guī)范計(jì)算閘前波高相同的條件下，繞射計(jì)算長(zhǎng)度隨閘前寬度(等于5倍的波長(zhǎng)除外)的增大而減小，隨入射波長(zhǎng)增大而增大。以閘前寬度100m為例，在入射波波長(zhǎng)不大于40m時(shí)，按規(guī)范5倍閘前寬度計(jì)算閘前波高是偏于安全的，但當(dāng)入射波波長(zhǎng)大于40m時(shí)就不安全；波長(zhǎng)為50m時(shí)，水閘凹入長(zhǎng)度超過6.75倍的閘前寬度，采用規(guī)范5倍閘前寬度進(jìn)行波浪計(jì)算是安全的，否則不安全；波長(zhǎng)為80m時(shí)，水閘凹入長(zhǎng)度超過16.80倍閘前寬度時(shí)，方可采用規(guī)范計(jì)算公式計(jì)算閘前波浪。

5 結(jié)論

通過繞射理論對(duì)閘前波浪分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：位于一線海塘上凹入式出海閘，其閘前波浪高度與堤前波浪(入射波)要素、水閘凹入長(zhǎng)度和口門寬度相關(guān)，可分為以下幾種情況進(jìn)行分析計(jì)算。

(1)當(dāng)水閘凹入段的寬度(閘前寬度)大于5倍入射波長(zhǎng)時(shí)，閘前波浪計(jì)算宜按一線海塘風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行波浪計(jì)算。

(2)當(dāng)閘前寬度小于等于5倍入射波長(zhǎng)時(shí)，若入射波長(zhǎng)不超過30m，水閘波浪可采用5倍閘前寬度作為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。

(3)當(dāng)閘前寬度小于等于5倍入射波長(zhǎng)時(shí)，若入射波長(zhǎng)大于30m，水閘波浪計(jì)算又分為兩種情況。針對(duì)不同的入射波長(zhǎng)L，存在一個(gè)長(zhǎng)度界線，在界線以內(nèi)，水閘波浪采用規(guī)范公式計(jì)算；在界線以外，宜采用繞射理論進(jìn)行分析計(jì)算。分界線與入射口門中心距A與5倍閘前寬度5B的比值與閘前寬度B的關(guān)系曲線及函數(shù)關(guān)系如圖4所示。

圖4 分界長(zhǎng)度A、閘前寬度B的關(guān)系曲線及函數(shù)關(guān)系