采用波浪绕射理论对凹入式出海闸闸前波浪高度分析与研究

潘世虎

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

1 问题的提出

闸前波浪要素与闸前风向、风速、风区长度和风区的平均水深等因素密切相关，对于某一个出海闸，闸前风向、风速、风区的平均水深已确定，而风区长度与水闸的位置息息相关。

平原出海闸，两侧是绵长的一线海塘，闸外是辽阔的海域，根据水闸与一线海塘的平面位置关系，可分为外凸式、平齐式和内凹式3种形式，其位置关系如图1所示。

从图1可以直观看出，对于外凸式和平齐式水闸，其波浪计算的风区长度应与一线海塘基本一致，但对于内凹式水闸，由于凹入长度有长有短，长则2～3km，短则100～200m，不宜采用与一线海塘一样的风区长度。

例如上海的出海闸，闸室到对岸的距离就各不相同。根据《上海市海塘规划》，市区段一线海塘的挡潮标准为重现期200年一遇高潮位+12级风下限，故水闸闸前波浪计算宜采用200年一遇高潮位加12级风下限(水闸主要建筑物级别为1级)，风向均为正向袭击，风速为32.7m/s，几座出海闸的闸前设计波浪要素详见表1。

图1 水闸与一线海塘关系图

表1 上海四座出海闸闸前波浪要素计算表

从表1可以看出，风区长度对闸前波浪的影响较为显著。对于闸外前沿水域较宽、凹入长度较长的水闸采用多长的风区长度，将直接影响到水闸的安全和投资，若风区长度选小了，水闸将偏不安全，反之水闸投资将大大增加。

SL 265—2001《水闸设计规范》对闸前风区长度的阐述为：“当闸前水域较宽广或对岸最远的距离不超过水闸前沿水面宽度5倍时，可采用对面至水闸前沿的直线距离；当闸前水域较狭窄或对岸最远距离超过水闸前沿水面宽度5倍时，可采用水闸前沿水面宽度的5倍。”按上述说法，闸前风区计算长度存在以下四种情况：①当闸前水域较宽广，采用对岸至水闸前沿的直线距离；②当对岸最远的距离不超过水闸前沿水面宽度5倍时，采用对面至水闸前沿的直线距离；③当闸前水域较狭窄，采用水闸前沿水面宽度的5倍；④对岸最远距离超过水闸前沿水面宽度5倍时，采用水闸前沿水面宽度的5倍。四种情况均阐明的是不超过闸前宽度5倍的原则。

但是，对于不同的内凹式平原出海闸，水闸向内凹入长度不同，水闸前沿水面宽度应按内凹段的水面宽度，还是应按凹口外一线海塘外的水面宽度，规范没有明确解释。若按水闸前沿塘外宽度，风区长度将很长，基本为水闸正对的海域宽度；若按闸室外侧宽度(即内凹段的宽度)，风区计算长度就较短，为内凹段宽度的5倍，两者计算出的波浪高度差别很大。因此，在计算内凹式平原出海闸闸前波浪高度时，如何合理的选用风区长度，现行规范没有更详细的解释。

本文采用波浪绕射理论分析凹式平原出海闸在不同的闸室前宽度(凹入口门宽度)情况下，风区长度选择的研究成果，供设计者参考。

2 波浪绕射理论

波浪绕射理论是假定水流是不可压缩的理想流体，将结构物边界作为波动着的流体边界的一部分，先找出在结构物边界上结构物对入射波的散射速度势和未受结构物扰动的入射波的速度势，两者迭加后即为结构物边界上扰动后的速度势。该理论认为，波浪遇到障碍物后即发生绕射现象，绕射后，其波列频率和周期不变，只有波高发生了变化。也就是说，发生绕射后的波高与入射波高有着一一对应的关系，这就为采用绕射理论计算不同凹入长度处闸前波浪高度奠定了基础。

绕射波高计算公式如下：

Hd=KdHi

(1)

式中，Hd—防波堤后某点的绕射波高，m；Kd—绕射系数；Hi—防波堤口门处入射波波高，m。

绕射系数Kd与入射口门处两侧堤坡型式、口门宽度和入射波波长有关。堤坡型式分为斜坡式和直立式两种。绕射系数根据口门宽度与入射波长的比值确定计算方式，当比值小于5时，按双突堤计算，否则按单突堤计算。由于与水闸相接一线海塘一般为斜坡堤，故闸前波浪绕射系数计算按斜坡堤进行。

双突堤绕射系数如图2所示，其中，L—入射波波长，m；B—口门宽度，m；ρ—计算点至口门中心距离，m；α—波浪波向线与口门中心线夹角，°。

图2 双突堤绕射系数表

单突堤绕射系数计算公式如下：

(2)

式中，r—计算点至堤头间的距离，m，θ—计算点与堤头连线与堤轴线之间夹角，(°)；θ0—入射波向线与堤轴线之间的夹角，(°)。

3 采用绕射理论分析闸前波高

采用绕射理论计算闸前波高，首先应确定入射波的波浪要素，主要是平均波长和累积频率波高；其次要确定不同口门宽度条件下，堤后不同水闸位置的波浪绕射系数Kd；最后得出水闸不同的凹入长度处闸前波浪高度。

(1)入射波的波浪要素分析

对于出海闸来讲，入射波就是一线海塘的堤前波浪。其波浪要素与风速、吹程和平均水深有关，结合我国海域基本情况，给出不同风区长度的波浪要素，详见表2。

表2 不同风区长度的波浪要素表

注：1.一线海塘水闸一般为1级建筑物，故累积频率波高采1%的;2.风区长度10km以内，平均水深按10m计，10～30km按15m计，30～50km按20m计，50km以上按25m计;3.风速采用12级风下限32.7m/s;4.平均波长括号外为计算值，括号内为下文研究采用的近似值。

由表2可以看出，风区越长，平均波长越长，平均波高越大。

(2)波浪绕射系数分析

计算时，入射波波向线与水闸中心线一致，当口门宽度不大于5倍波长L时，采用斜坡双突堤计算，当超过5倍波长时，按斜坡单突堤计算。计算成果如图3所示。

图3 不同口门宽度绕射系数Kd图

从图3中可以看出，当水闸闸前口门宽度不大于5倍波长时，闸室凹入长度越长，绕射系数就越小，当凹入长度大于30倍波长时，波浪绕射系数基本在0.5以下，即：波高不超过堤前波高的一半；当水闸闸前口门宽度大于5倍波长时，波浪绕射系数始终为1，说明在这种情况下，闸前波浪与堤前波浪没有发生变化，闸前波高采用堤前波高即可。

(3)闸前绕射波高计算

由图2可知，绕射系数仅与入射波口门宽度和水闸凹入长度相关，而二者又与入射波的波长有关，在水闸凹入长度与波长之比相同时，闸前波高与入射波高正相关。表3为海域平均水深为10m、吹程为5km时，不同闸前宽度和凹入长度的闸前绕射波高计算成果。

表3 闸室前绕射波高计算成果表(波长L=30m)单位：m

由表3知，在平均波长均为30m时，闸室前宽度不变，闸室凹入长度越大，波高就越小；凹入长度不变时，闸室前宽度越大，波高越大。例如：当闸前宽度为120m时，闸室凹入长度为600m(5倍的闸前宽度)时，闸室前波高仅为0.8m，而相应的入射波高为2.22m(见表2)，闸前波高仅为入射波高的36%左右，充分说明凹入长度对波高的影响较大。

4 两种闸前波高比较与分析

4.1 采用规范理论的闸前波高分析

闸前平均水深采用10m，风速采用12级风下限，闸前宽度采用凹入口门宽度40～400m，风区长度采用5倍闸前宽度(凹入口门处宽度，下同)，计算波高为1%累计频率波高+波浪中心线高度，计算成果见表4。

表4 规范理论闸前波高计算成果表 单位：m

与表3(平均波长为30m)相比，采用规范计算相对较保守，例如，当闸室前宽度为120m时，按规范5倍宽度风区长度计算波浪高度为1.21m，而按绕射计算相同位置的闸前波高仅为0.8m，规范公式偏安全些。但如果入射波长变大后，规范公式就偏不安全了。

4.2 绕射波高分析(绕射长度采用闸前宽度的5倍)

绕射长度为口门中心点至计算点(闸室外前缘中心点)的长度。当绕射计算长度采用闸前宽度的5倍长度时，与入射波长相对应的闸前波高计算成果见表5。

表5 闸前绕射波高计算成果与水闸计算波高对比表

由表5知，在绕射计算长度与规范风区计算长度相同的情况下，绕射波高多大于规范计算值，这说明采用规范方式计算闸前波高偏不安全。

4.3 规范闸前波高与绕射波高比对分析

在计算闸前波高时，当闸室凹入长度超过多少倍闸前宽度，采用规范理论计算是偏安全的，表6给出了不同入射波对应满足规范理论的绕射长度与闸前宽度最小倍数表。

表6 相同波高下绕射长度对闸前宽度的倍数表

由表6知，在与规范计算闸前波高相同的条件下，绕射计算长度随闸前宽度(等于5倍的波长除外)的增大而减小，随入射波长增大而增大。以闸前宽度100m为例，在入射波波长不大于40m时，按规范5倍闸前宽度计算闸前波高是偏于安全的，但当入射波波长大于40m时就不安全；波长为50m时，水闸凹入长度超过6.75倍的闸前宽度，采用规范5倍闸前宽度进行波浪计算是安全的，否则不安全；波长为80m时，水闸凹入长度超过16.80倍闸前宽度时，方可采用规范计算公式计算闸前波浪。

5 结论

通过绕射理论对闸前波浪分析计算，得出以下结论：位于一线海塘上凹入式出海闸，其闸前波浪高度与堤前波浪(入射波)要素、水闸凹入长度和口门宽度相关，可分为以下几种情况进行分析计算。

(1)当水闸凹入段的宽度(闸前宽度)大于5倍入射波长时，闸前波浪计算宜按一线海塘风区长度进行波浪计算。

(2)当闸前宽度小于等于5倍入射波长时，若入射波长不超过30m，水闸波浪可采用5倍闸前宽度作为风区长度进行计算。

(3)当闸前宽度小于等于5倍入射波长时，若入射波长大于30m，水闸波浪计算又分为两种情况。针对不同的入射波长L，存在一个长度界线，在界线以内，水闸波浪采用规范公式计算；在界线以外，宜采用绕射理论进行分析计算。分界线与入射口门中心距A与5倍闸前宽度5B的比值与闸前宽度B的关系曲线及函数关系如图4所示。

图4 分界长度A、闸前宽度B的关系曲线及函数关系