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深水航道对波浪传播的影响
1.1 研究的背景及意义
目前全国各地港口都在蓬勃发展中，港口要发展，必定要拥有深水泊位、深水航道的支持，这样才能配合船舶大型化的发展要求，各地港口都在建设深水航道──“海上高速公路” 。继 08 年 8 月 15 万吨级航道建成后，连云港正在建设30 万吨级航道，该航道全长为 71 公里，总投资约 78.9 亿元，届时可建 200 多个万吨级以上的码头，必将成为连云港的城市命脉。目前长江口深水航道治理三期工程已经完工，12.5m 水深航道正式通航，并同步延伸至太仓，上海的“江海联运”优势得以进一步放大。天津港 25 万吨级航道工程航道全长37 公里，底宽315 米，水深达到 19.5 米，疏浚总工程量约 4656 万立方米。可满足 25 万吨级油轮、20 万吨级散货船满载进出港，以及 10 万吨级以下船舶，第五代和第六代集装箱船双向航行的需要。
航道的加深加宽， 以及防波堤形式的改进给各个港口城市的经济发展带来了新的活力， 但是深度宽度均加大的人工开挖航道和港池对港内波浪传播变形以及口门附近防波堤堤头部分的波浪作用带来了很大的影响。珠海港风浪与主航道的夹角较小（见图1.1-1）, 大部分波不能穿越航道，而在航道东侧集聚。1998年 12 月 25 日在台风浪的冲击作用下,使顺浪向靠近北港池的平排山护岸发生破坏。现场目击者观察到 SSE 向波浪从外海进入港区后沿主航道行进时波高逐渐增大,到达平排山对面时转向,朝平排山方向冲击,致使护岸遭到破坏。
在其他的工程设计中也出现这种现象，如在大连港大窑湾散粮码头建设中，发现了在航道的影响下使得防波堤堤头波高明显增大的现象。如图1.1-2所示， 大窑湾新港区要开挖通航要求为8 万吨级的南航道， 在SE向波浪作用下, 南航道轴线与其夹角较小，为 10°，使得航道的折射效果非常明显, 航道南侧的防波堤堤头所在位置处波高加大了 30%以上，同时在 ESE 向波浪作用下, 由于航道的折射作用, 使航道北侧即将建设的岛式防波堤所在位置处波高加大了50%。

图1.1-1

图 1.1-2 大连港大窑湾散粮码头

据此， 进行港口工程设计时必须考虑人工开挖的深水航道对港内波浪传播的影响，以减少布置港内建筑物时的失误，避免建筑物的破坏。另外，在防波堤堤顶高程降低的情况下，防波堤允许越浪，甚至潜堤形式的应用，更是给港内波浪场的模拟增加了难度。因此如何综合考虑深水航道、越浪以及波浪透射对港内外波场的影响成为深水航道建设的关键技术。
1.2 研究现状及存在的问题
外海波浪传入近岸浅水地区时，由于受到复杂地形、障碍物和水流等因素的影响,将发生浅化、折射、绕射、反射、底摩擦能量耗散及破碎等一系列复杂现象,即波浪传播发生变形。
对于实际工程中的波浪问题，解决的方法有数学解析，数学模型和物理模型三种。而数学解析的办法只适用于较为简单的情况，目前使用较少；数学模型具有经济、 快速、 计算范围大和不受比尺影响等优点， 伴随计算机性能的不断提高，计算方法的不断进步，众多软件包的形成，数模正在被广泛地应用于计算波浪传播变形的问题中，但目前某些物理现象理论上尚未解决，因此复杂的波浪传播变形仍不能很好地用数模表现出来。物理模型能较好的模拟波浪的折射、反射、绕射等现象，但由于场地大小限制仅使用于小范围的波浪传播变形且其耗时较长、花费人力物力较多。
基于天然波浪的传播变形具有相当的复杂性，目前解决实际工程中较复杂的波浪传播问题一般采用数模和物模相结合的方法。
1．2．1深水航道对港内外波场影响研究
目前国内外对于航道对港内外波浪传播的影响都有了一定的研究，具体分别从数模和物模两方面对其进行概述。 并对减少航道对波浪传播的不利影响的措施进行了概述。
1.2.1.1数值模拟方法
随着各种数学模型的改进和发展及计算机性能的提高， 目前有很多学者致力于采用数学模型进行航道对港内外波浪传播的影响的分析，也得出了一些结论。
左其华、杨正己采用 Niclson一 Crank差分法求解抛物线型波浪折射、绕射联合计算方程，探讨了不同入射角的波浪在典型航道中传播时波高的变化。得出结论：当入射波向与航道中心线垂直时，波高比可用浅水系数来计算；当入射波向与航道中心线平行时，航道内的波高随传播距离的增加而减小；当入射波向与航道中心线夹角为 15°～30°时，较大的波高比出现在迎浪侧航道边坡及其附近滩地上，航道对背浪侧起到遮蔽作用；当夹角大于 45°时，航道对波浪传播的影响逐渐开始减弱。

吴达开将透浪侧界抛物线模型、 结合方向谱计算德方法应用于研究航道波浪问题，提出航道影响线的概念，得到了航道口门横断面的波能偏态盆形分布模式。
张永刚等应用 Boussinesq 方程采用有限差分法建立了非线性数值波浪模式，并对航道开挖造成水深变化从而使波浪传播发生异常现象进行了数值模拟。得出这种异常现象是由波浪的绕射和折射所造成的， 主要原因是入射波向和航道中心线夹角较小。
龙文等采用线性水波的折射理论和非线性浅水波的数值模拟方法来研究航道港池对港区波浪的折射作用，并分析了珠海港台风浪破坏护岸的原因。
赵智帮等采用了数学模型方法广泛探讨了航道水深、航道边坡坡度、航道宽度、海底坡度以及波浪入射角对波浪传播变形的影响，并分析论证了临界入射角在实际工程中的意义。
吴达开将航道与波浪作用的全场波能分布概化为回折型反射、 绕射和直射三型；对各种入射角条件下的平底绕射理论解作了分析，得出堤前最大比波高值是一不变量；考虑回折绕射与单堤绕射的分区类似以及焦散线的虚拟性，获得航道近域最大比波高控制上限是所在位置的缓坡折射比波高的 2.34倍。
陈汉宝应用 Boussinesq 方程对不同入射角度，不同方向集中度的波浪与航道的相互作用进行模拟，研究航道的折射规律。研究表明当考虑多方向不规则波后，波能集中显著均化；小角度入射时，采用单方向不规则波入射时进入港池的波能出现明显的减小，可能出现偏于危险的结果。
柳淑学、俞聿修利用改进的 Boussinesq 方程所建立的有限元数值计算模型， 研究了开挖航道对波浪传播的影响以及航道和开挖港池对港内波浪分布的影响，指出了航道对波浪传播的影响不仅受波浪传播方向控制，同时还受航道尺度和波浪沿航道传播距离控制。
刘海源等采用 Boussinesq 方程波浪数学模型来模拟小范围波场，并采用物理模型进行验证。结果表明航道两侧数学模型结果比物理模型结果要稍大，相应的航道中的波能减少也稍大一些。 这说明数值模拟时航道对波浪的折射作用比物模试验更为明显。
董利民等采用了基于 Boussinesq 方程的波浪数学模型分别对有无航道情况下双突堤条件下港内的波浪分布进行数值计算，并将波浪分布情况进行比较，指出不能用纯绕射来代替折、绕射联合作用。
庞红梨等是应用复合折射—绕射模型 REF/DIF 模型对深水航道对波浪传播的影响规律进行了系统的研究。得出虽然在航道边坡附近波高显著增加，波能聚集，为港口工程带来隐患，但由于航道对波浪的影响与航道宽度、深度、边坡坡度都有关系，只要合理布置并使航道有一定的长度，是可以改善港内泊稳条件的。
1.2.1.2 物模试验方法
数模的发展非常迅速，对折射绕射的模拟也相当成功，但有些物理现象，理论上尚未有合适的方法进行解决，深水航道对潜堤堤后波浪传播的影响就是这样，航道边坡是一个陡坡，变化非常剧烈，按照港口工程水文规范的方法，手工绘制折射图的方法非常困难，而计算机模拟时由于航道宽度较窄，航道两侧边坡以及航道往往不能被精确地反映出来，而潜堤的模拟过程非常复杂，包括越浪、波浪透射以及波浪反射等物理现象，而越浪过程还包含着强烈卷吸、射流、破碎等复杂问题，因此选择怎样的数模来进行模拟较为恰当，以及模拟过程细节的处理（如航道边坡处理，潜堤处理等）都是很复杂的问题；所以当实际工程问题到
来时，人们往往还是应用物理模型来进行复杂物理现象的模拟。
在第十四届海岸工程会议上, J.A.Zwamborn和G.Grieve发表了《关于进港航道使波浪发散和会聚的问题》 ， 该文是在为南非Richards湾港口门的平面布置设计做整体模型试验以后得出的成果，Richards湾港航道宽三百多米, 航槽内水深25米，航槽外水深约20米。模型试验采用规则波进行，试验结果表明航道对波浪的折射随着航道内外高差增加而增大， 试验结果还表明当波浪入射方向与航道轴线方向接近平行时，航道内的波浪向两侧折射，使航道两侧的波浪增大，而当波浪相对于航道轴线斜向入射时，航道一侧的波浪增大，而另一侧的波浪减小。他们的研究还指出了波浪在航道边坡上产生集聚这种现象只是当波向在一个很窄区间内时才会发生, 并提出了“临界入射角”的概念及估算方法。 临界入射角可由式估算，式中，为波向线与航道轴线的夹角，为航道外波速，为航道内波速。当波浪在口门前以临界入射角进入航道时，波浪在边坡上折射，其波向刚好与航道走向一致，导致口门处波高增大，由航道进港的波能增加，使港内泊稳条件恶化。
赵智帮通过烟台西港池工程，大连大窑湾散粮码头工程的整体模型试验，指出了忽略航道对波浪的作用，在某些情况下是偏安全的，但在另一些情况下是不安全的，应慎重对待航道对波浪的折射作用。
杨宪章等通过几个港口工程模型试验为例， 论述了航道对波浪的作用以及航道走向对港内泊稳的影响。文中指出，波浪以小角度入射时，波浪向航道外折射，降低了入港波浪。在选择航道走向时应避免常浪向或强浪向以临界入射角进入航道， 应充分利用航道对波浪作用中对工程有利的一面， 以改善港内泊稳条件。
俞聿修等结合港口整体模型试验实例， 采用了不规则波特别是多向不规则波进行了港口整体模型试验， 得出的入港航道可能对口门附近防波堤的设计波高及港内的波场产生较大影响。
陈汉宝等通过整体物理模型试验， 研究了深水航道对斜向入射波浪传播的影响。指出入射角大于临界角时会产生“完全反射” ， “反射”波系和来波波系相叠加，使得航道迎浪侧在此条件下会出现波高水深比大于1.0的情况。
刘爱珍研究了在有双突堤的情况下航道对波浪传播的影响， 分别研究了口门宽度和航道各尺度对波浪传播变形的影响。
但物理模型本身试验进度太慢，耗费较多人力物力，且随着航道宽度深度的增加，也给物理模型试验提供了难度。所以如何正确地选择数学模型与物理模型相结合进行比较验证也是目前迫切需要研究和解决的问题。
1.2.1.3 减少航道对波浪传播不利影响的措施
在确定航道对波浪影响规律的基础上， 很多学者提出采用一些措施来减少航道对波浪传播变形的不利影响。
张永刚等提出可以采用改变航道的开挖方式和改变堤前地形来减少航道开挖所产生的防波堤前部分区域内的波浪叠加现象，以达到减少投资的目地。
李玉成等通过对特定港区进行改变航道地形结构等开挖方案来消减防波堤前波浪异常叠加的现象， 并指出改变开挖方式在特定条件下可以解决航道对波浪反射和折射对防波堤或港区的影响。
孙克俐等指出可采用调整航道中线与原始入射波向间的夹角， 改变航道的开挖方式，结构物前设置潜堤，航道坡度沿程取不同值的方法来降低航道外波能聚集程度，并采用数学模型，结合大连大窑湾港区一期防波堤工程实例，讨论了上述方法中二和三的可行性。
陈汉宝等通过波浪数学模型， 对航道局部开挖引起的波能重新分配进行了研究，指出了局部开挖可能使边坡及附近边滩波能集中程度加剧，因此因通过开挖使防波堤等的位置处于其形成的“波影区”内，以达到趋利避害的效果。
高峰等[86]结合实际工程实例讨论了采用增加防波堤， 清除浅滩和调整航道轴线三种方案来减少航道在口门处的波能聚集。 并采用基于 Boussinesq方程的波浪数学模型进行试验，讨论这三种方案的改善效果。作者还对多方向波和单方向波的试验结果进行了对比分析， 发现多向波的结果偏安全且更接近波浪传播的真实情况。
以上数学模型和物理模型的的结论都表明了航道对波浪传播影响的一些共同结论：
⑴临界入射角的存在:航道对波浪传播（折射和反射）的影响，主要是因为开挖航道造成的水深变化使得波浪传播速度发生变化而导致的结果。 这与光波从光疏介质射向光密介质时发生折射和反射的原理是一致的， 何时发生反射或折射取决于入射角的大小（这里的入射角指的是入射波向和分界面法线的夹角） 。当入射角大于临界角时，发生全反射，反之则发生折射，同理由于水深不同而导致波速不同，在不同水深交界面上，水面波也发生折射或反射现象，也将有临界角的存在，见图1.2-1。

图1.2-1 不同水深分界面上波浪的反射和折射
临界角即为对应于折射角为90°时的入射角，由snell定律可推得，式中为临界角， 为入射波波速，为折射波波速。该结论与上述J.A.Zwamborn和G.Grieve提出的临界入射角（临界入射角指的是入射波向与航道轴线的夹角）公式是一致的。

⑵波浪以大于临界入射角的大角度入射时，波浪可以穿越航道，只不过发生较小的折射，波向线稍有变化。见图1.2-2。

图1.2-2 波浪以大角度入射
⑶波浪以临界入射角入射时，波浪在航道边坡上发生折射，折射角为90°，刚好是波向折射成与航道一致， 波浪沿着航道入港， 使航道波高增大， 港内波况恶化。见图1.2-3。

图 1.2-3 波浪以临界入射角入射

⑷波浪以小于临界入射角的小角度入射时，航道外波浪发生反射而不进入航道，导致航道内波浪减小，迎浪侧波高增大，见图1.2-4（为便于比较，图1.2-4画出的是入射角度与航道中线接近平行的入射波） 。

图 1.2-4 波浪以小角度入射
1.3 接下来的研究内容
国内外在深水航道对港内外波浪场影响问题上，并没有一个较为全面的分析，且单一采用数模或物模研究也具有一定的局限性。
接下来计划中的主要研究内容如下：
⑴应用Mike21-BW和缓坡方程数学模型计算均匀斜坡加椭圆浅滩地形、平底加双突堤地形波场图，并与已有试验值或解析解进行对比；
⑵应用两种数模对典型双突堤加航道地形上不同入射角度、不同航道宽度，不同航道内外水深比，不同航道边坡坡度，不同波陡情况下，航道对波浪传播及港内波场的影响情况进行系统性分析，比较两种数模的差异性；
⑶应用物理模型试验模拟港内波浪场，判断港内泊稳条件，给出防波堤和码头的设计波要素，确定防波堤最佳布置方案；应用Mike21-BW和推广的缓坡方程数学模型模拟临港港内波浪场，并将结果与物理模型试验结果进行对比；
最后给出本文的主要结论以及进行进一步研究的建议。

参考文献
[1] 龙文,陶建华.航道与港池对港区波浪场的影响及珠海港台风浪破坏护岸的分析[J].中国港湾建设,2000,(4): 39-46.
[2] 天津港湾工程研究所.大连港大窑湾一期防波堤改造工程整体物理试验报告,1991.
[3] 左其华,杨正己.航槽对不同人射角波浪传播的影响[J].水运工程,1996(1): l-5.
[4] 吴达开.小迎浪角时长直航道对波浪传播与变形影响的数值研究[J].水运工程,1997,(1):3-13.
[5] 张永刚,李玉成.应用Boussinesq方程对由航道开挖所造成水深变化对波浪传播所产生的异常波况的数值研究[J].海洋工程,1997,(15): 7-17.
[6] 赵智帮,刘子琪等.深水航道对波浪传播影响规律的研究[J].中国港湾建设,2001,(6):9~15.
[7] 吴达开.航道附近最大波能限值控制估算[J].中国港湾建设,2001,(6):35~38.
[8] 陈汉宝.航道对多方向波浪传播影响[J].水道港口.2005,23(4):27~32.
[9] 柳淑学,俞聿修.开挖航道对波浪传播的影响.港口工程分会技术交流文集.
[10] 刘海源,张慈珩.三亚南山港波浪数模与物理试验对比研究[J].水道港口,27 卷4 期,2006.
[11] 董利民,刘爱珍.人工航道对波浪传播规律的影响[J].水道港口,2006,27(2):74-77.
[12] 庞红梨等.复合折射绕射模型在深水航道对波浪传播影响规律研究中的应用.第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集.
[13] 赵智帮.关于航道对波浪的作用[J].港工技术,1992,(1):l-4.
[14] 杨宪章等.航道对港内泊稳条件的影响[J].港口工程,1993,(3):45-50.
[15] 俞聿修,柳淑学.港口整体模型的多向不规则波试验研究[J].港工技术,1994,(1):1-10.
[16] 陈汉宝,孙精石.航道引起波能集中现象的试验研究[J].水道港口,2000,(3):13-16.
[17] 刘爱珍.航道和双突堤条件下波浪传播变形规律的研究.大连：大连理工大学,2005.
[18] 张永刚,李玉成.应用Boussinesq方程对由航道开挖所造成水深变化对波浪传播所产生的异常波况的数值研究[J].海洋工程,1997,(15): 7-17.
[19] 李玉成,孙昭晨等.改善由航道作用使防波堤前波况异常的数值研究[J].海洋通报, 1995,14(2):48-56.