崔希成

（中国铁建港航局集团有限公司，广东 珠海 511442）

前言

珠江口是台风多遇的区域，台风过境时常引起狂风巨浪，沿海桥梁直接遭受波浪威胁[1]。尤其是在高潮水位的情况下桥梁有可能部分或全部淹没于水体中，此时桥梁上部结构会承受巨大的托浮力，梁体和下部墩柱会受到剧烈的波浪冲击力，这些都可能导致梁体发生错位乃至坍塌破坏[2-4]。

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.10规定：“位于外海、海湾、海峡的桥梁结构设计必要时应考虑波浪力的作用影响。宜开展专题研究确定波浪力的大小。”波浪专题研究一般包括波浪要素和波浪力的计算，要准确计算桥梁所受的波浪力大小，首先需要确定桥梁所在桥位的波浪要素。波浪要素的获取是通过搜集工程附近相关气象海浪资料，采用适宜波浪数学模型，推算工程外海不同重现期波浪条件，继而推算工程不同位置的设计波浪要素，为工程设计提供技术支撑。如何准确、高效地获取珠海沿海地区各个桥位波浪要素，是实现沿海桥梁受波浪力影响分析和评估的重要一环。

沿海桥梁面临着波浪力作用时的结构安全问题，准确地计算桥梁受到的波浪力，对沿海桥梁结构设计的可靠性和滨海城市防灾减灾都具有重要的工程价值与现实意义。

1 基于SWAN 的波浪数学模型构建

第三代海浪数值模式SWAN 已广泛应用于近岸工程的海浪模拟中。SWAN 模型采用动谱平衡方程描述风浪生成及其在近岸区的演化过程，考虑的物理过程包含由地形及水流引起的折射效应、风成浪、白帽破碎、水底摩擦及水深变浅引起的波浪破碎、三波和四波非线性相互作用等。SWAN 模型控制方程如下，在直角坐标系中，动谱平衡方程可表示为：

式（1）左端第一项表示动谱密度随时间的变化率，第二项和第三项分别表示动谱密度在地理坐标空间中传播时的变化，第四项表示由于水深变化和潮流引起的动谱密度在相对频率σ 空间的变化，第五项表示动谱密度在谱分布方向θ 空间的传播（即由水深变化和潮流引起的折射）。式（1）右端S 是以动谱密度表示的源项，包括风能输入(Sin)、波与波之间的非线性相互作用(Snl)和由于底摩擦、白浪、水深变浅引起的波浪破碎等导致的能量耗散(Sds)，并假设各项可以线性叠加，如式（2）所示。

在SWAN 中，风能(Sin)的发展表达为线性（A）和指数型（BE）发展之和：

其中A 和B 取决于波频、波向、风速和风向。线性发展模型中A 采用修正的Cavaleri和Malanotte-Rizzoli 形式，指数发展模型参数B 采用Komen 的形式：

波浪能量的损失包括白浪Sds，w、底摩擦Sds，b，以及水深变浅引起的破碎Sds，br能量损耗。

2 基于SWAN 数学模型珠江口西岸桥梁波浪力计算

2.1 工程概述

珠江口西岸海域某桥梁设计全长448 m，海域海浪受台风影响外同时受季风风浪影响显着，波型是以风浪为主的混合浪。针对本工程拟开展海域波浪数学模型研究，根据技术要求和研究需要，推算工程外海波浪条件、工程设计波浪要素为设计提供科学根据。

2.2 模型研究范围与参数设置

依据珠江口西岸各域海洋站实测气象波浪数据资料，分析各个海域的风速特征及波浪条件特征。利用中央气象站公布的台风数据资料，采用台风数学模型计算工程海域2010 年至2019 年台风过程，然后采用SWAN 模型模拟台风期间波浪传播过程，部分台风经过实测海浪资料验证后，得到外海深水波浪年极值条件。结合相关规范推荐该海域的外海波要素条件，综合确定工程外海波浪要素条件。最后利用SWAN 模型计算各域近海波浪传播过程，实现对各区域不同水位下设计波浪要素提取，计算重现期为50 年和100 年。

利用第三代海浪模式SWAN 计算各区域外海域的波浪要素，研究将采用卫星高度计资料或者实测海浪资料进行模型验证，SWAN 模型设计参数见表1。利用ADCIRC 进行计算域的网格划分，模型网格为三角形网格。整个网格划分见图1。整个计算模型102 675个结点、196 407 个三角形单元组成，最大单元尺寸达3 km 为模型边界网格，最小的三角形单元尺寸10 m为研究站点处水域。水深分布图见图2。

表1 SWAN 模型的计算参数设置

图1 网格划分示意

图2 水深分布示意

本研究进行波浪要素计算时，ENE～NE 将进行小风区风成浪计算，SE～E 向考虑风浪及外海涌浪同时作用，此外利用SWAN 模型以工程设计风速为驱动场进行工程设计波浪要素计算。

该桥波浪数学模型依据深圳市气象站1971-2001年的年最大风速推荐了深圳湾公路最大设计风速条件值，同时参考了《黄茅岛燃气发电项目波浪数学模型计算分析研究报告》并复核了2016-2019 年台风过程，给出了本区域的设计风速。因此本次研究进行NE-ENE 向小风区风成浪计算时，采用上述研究成果不同重现期10 min 平均设计风速条件见表2，计算时参考《工程水文学》转换为2 min 平均设计风速后使用见表2。本工程NE 向重现期100 年设计风速取值46.29 m/s，重现期50 年设计风速为40.60 m/s，见表2。

表2 不同重现期2 min 平均设计风速（单位：/s）

2.3 波浪模型验证

研究计算2010-2018 年影响范围为110 km 时台风过程，得到考虑台风与背景风场联合作用的风场过程。以上述风场过程为驱动力采用SWAN 模型计算台风浪，利用可搜集到的实测海浪过程进行模型的验证。2018 年9 月8 日山竹台风起源于西北太平洋，9月15 日穿过菲律宾群岛进入中国南海海域，研究利用台风模型及海浪模式SWAN 对工程海域的台风及台风浪过程进行复演。利用搜集的东沙岛附近实测波浪过程对山竹台风过程进行验证，如图3 所示，计算最大有效波高为12.3 m，实测最大有效波高为12.2 m，两曲线的相关系数为0.95，趋势拟合良好。当波浪传播至该海域时，有效波高是8.4 m，波向表现为ESE向。

图3 2018 年1822 号山竹台风作用下东沙洋面波浪验证过程

工程位于珠江口的西侧海岸，工程海域面向SE向～NE 向开敞，同时E～SE 向主要珠江口外海浪的作用。因此进行设计波要素计算时，SE～E 向考虑外海涌浪的作用，而ENE～NE 向主要考虑受湾内的风成浪影响，按照风成浪进行计算。现状条件下工程区离岸280 m 是岛屿，南侧存在已建的弧形防波堤，堤长约1 555 m。受该堤的掩护作用S 向及SSE 向传播至工程区域，波能减弱。因此研究主要的计算方向是SE、ESE、E、ENE 及NE 向。研究采用SWAN 模型对粤港澳大湾区内的波浪传播规律进行研究并提取工程设计波要素条件[5]。

按照桥形特征，研究选取了11个特征点，点位布置见图4。各特征点底高程见表3，其中#1 与#2 位于桥根段，#3～#8 位于桥身段，#9～#10 位于桥头段。#3、#5、#8 位于各个桥段的转折点位，易于出现波能集中现象，因此设计时应更注意其安全性。

图4 计算点位置示意

表3 计算点底高程（黄海高程）

3 结论

采用第三代海浪数值模型SWAN 及逆行近岸工程的海浪模拟，选取珠江口西岸典型桥梁项目进行海浪数值模拟和波浪要素提取，数值模拟结果和实测结果接近，证明采用SWAN 数字模型进行的珠江口西岸桥梁波浪力计算方法可行。