【摘要】 中國東部海岸地帶是我國經(jīng)濟發(fā)達和人口密集區(qū)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，可利用土地的日趨緊張，促淤圈圍工程項目呈現(xiàn)建設(shè)高峰。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，這些圈圍工程中的圍堤堤頂高程可以由波浪爬高標準和允許越浪兩個標準來確定。越浪量是指波浪作用在海堤上后，水體上爬越過堤頂?shù)乃�。在我國海岸工程（如海堤、護岸等）的設(shè)計中，可以以“允許越浪量”為控制標準來確定海堤護岸等的堤頂高程。按照允許越浪量標準來確定堤頂高程一般較謹慎。但此標準能夠很大程度上降低堤頂高程，節(jié)省工程投資。對允許越浪量問題，國、內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量研究，提出了多種計算平均越浪量的方法。各國也相繼制定了不同的越浪量控制標準。目前絕大多的允許越浪標準是根據(jù)物理模型試驗結(jié)果提出的，由于各標準考慮的影響因素不盡相同，導致相同工況不同公式之間的計算結(jié)果常有較大差異。長江口地區(qū)促淤圈圍工程眾多，水文及工程資料豐富，本文選取當?shù)鼐哂械湫痛硇缘拈L江口橫沙五期越浪數(shù)據(jù)進行研究分析。首先對各種觀測數(shù)據(jù)進行解讀和分類，進行初步的對比分析后篩選出合理可用的數(shù)據(jù)。采用MIKE21軟件的SW模型對長江口臺風過境進行大范圍的波浪場模擬，驗證了越浪數(shù)據(jù)采集儀器布設(shè)的合理性。后采用SWASH模型對實測越浪量進行了一維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果良好。并根據(jù)周邊已建工程項目的物理模型越浪量數(shù)據(jù)進一步進行越浪量的驗證，進一步證明了此模型在此地的良好適用性。同時又對越浪量實測數(shù)據(jù)進行理論計算對比分析，公式與實測值。最終得出SWASH模型能夠較好模擬當?shù)氐脑嚼藸顟B(tài)，能夠為試驗缺失的數(shù)據(jù)進行補充完善。 

1.緒論

1.1 越浪研究的背景
我國目前的海岸工程(海堤、護岸等)的設(shè)計中，“允許越浪量”是堤頂高程的重要控制標準之一。越浪量是指波浪水體沿堤身斜坡上爬后越過堤頂?shù)乃�。對此問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量研究，提出了許多計算越浪量的公式及方法，但這大多的研究過程都是以物理模型試驗結(jié)果為依據(jù)提出的。這些計算公式考慮的影響因素不盡相同，計算結(jié)果之間也常存在較大差別。國外允許越浪量的控制標準主要分為兩個類，一種是滿足人員安全和車輛交通安全的要求，允許越浪量很��；另一種是滿足建筑物自身結(jié)構(gòu)安全，允許越浪量相對較大，越浪量的允許值一般通過物理模型試驗和現(xiàn)場試驗得到。國內(nèi)越浪量控制標準參考國外的越浪量控制標準、考慮堤防建筑物結(jié)構(gòu)安全確定。本次收集了美國、日本、荷蘭等國及我國國內(nèi)的越浪量控制標準�？刂茦藴手性试S越浪量是一個平均值的概念，一般取 100 個波列下產(chǎn)生的越浪量的平均值。上世紀五十年代，美國對斜坡堤上規(guī)則波的越浪量進行了模型試驗研究。上世紀六十年代左右荷蘭的 Delft 水工所在風洞水槽中做了不規(guī)則波在斜坡堤上的越浪量做了物理模型試驗研究，并進行了發(fā)表。后來日本的某些學著根據(jù) Saville的試驗數(shù)據(jù)，研究了水深、波高對越浪量的影響曲線，并進行了發(fā)表。美國海岸研究中心在 1976 年同樣基于 Saville 的越浪試驗數(shù)據(jù)，提出了單坡斜坡堤上的越浪量的預測公式。之后世界多國及我國的大量學者也對越浪量進行了大量的研究，提出了不同斷面形式的斜坡堤的平均越浪量的計算公式和控制標準。
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1.2 越浪研究意義和必要性
按允許越浪設(shè)計的海岸工程（圍堤、護岸等），影響工程安全的主要是波浪越過堤頂后對堤頂和背坡的沖擊、越浪水體在圍區(qū)內(nèi)積聚后可能會淹沒圍區(qū)等，從而危及人員和財產(chǎn)的安全。而目前規(guī)范中的越浪量計算公式屬于半經(jīng)驗半理論公式，有很多限制條件；物理模型試驗受限于實驗室條件的顯示，導致物理實驗條件與現(xiàn)場實際情況往往有一定差異；以往由于上海周邊地區(qū)促淤圈圍工程圍堤的設(shè)計標準均按照不允許越浪設(shè)計，除橫沙五期南大堤和橫沙六期北側(cè)堤按照允許越浪標準設(shè)計實施外，其他并無按允許越浪標準設(shè)計的相關(guān)工程經(jīng)驗。長江口地區(qū)圈圍土地用途不一，為了滿足人員和財產(chǎn)安全，必須通過現(xiàn)場試驗逐步積累越浪量與波浪、海堤形態(tài)（邊坡、護面、堤頂高程等）之間的關(guān)系以及全線越浪后圍區(qū)內(nèi)的積水情況。在此基礎(chǔ)上，形成適用于上海地區(qū)長風區(qū)下的計算公式，才能推廣實施允許越浪。按照不允許越浪標準設(shè)計的大堤，堤頂高程通常較高，投資較大。隨著長江口地區(qū)高灘資源的進一步減少，促淤圈圍工程逐步轉(zhuǎn)向中低灘進行，技術(shù)難度增大，造價較高。對我國廣東、浙江等海岸線長、臺風登陸頻繁、地基條件差的沿海省市來看，很多工程以允許越浪量來控制堤頂高程，積累了一定成功的經(jīng)驗。國外如比利時、英國、荷蘭、日本等國對實體越浪觀測試驗開展了深入的研究，成果顯著。相比于按不允許越浪設(shè)計的大堤，降低了堤身高度，減少工后沉降量及地基處理費用，投資節(jié)省。
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2.越浪數(shù)據(jù)收集分析

2.1 長江口概況
長江口（見圖 2-1、2-2）長約 181.8km，為緩混合陸海相潮汐河口。長江口外由西北向東南傾斜，呈三角洲形態(tài)，在-10m 等深線以上地形平坦，似一平臺，在-10m 等深線以下坡降明顯增大。長江口具有徑流大和潮流強的特點，在潮流和徑流相互作用下漲落潮流路分離，故在江中形成沙島。長江口內(nèi)島嶼為江心沙多島型，主要有崇明、長興、橫沙三大島。自徐六涇開始向下游蘇北啟東咀與上海南匯咀之間江面逐漸變寬，從5.7km 到 90km 變化，整個長江口呈喇叭形狀。長江口中的崇明島把長江口分為南支和北支，長興島和橫沙島又把南支又分為南港和北港，，九段沙又將南港分為南槽和北槽。長江口呈現(xiàn) 三級分汊，四口入海 的形態(tài)。長江口深水航道就位于北槽當中。
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2.2 長江口促淤圈圍工程概況
自 2003 年以來，長江口附近累計形成促淤面積 12 萬余畝，圈圍面積近三萬畝。長江口周邊進行了大量的促淤圈圍工程，例如橫沙東灘系列促淤圈圍工程、浦東機場促淤圈圍工程、南匯東灘系列促淤圈圍工程等。這其中橫沙東灘和橫沙淺灘區(qū)域的促淤圈圍工程具有代表性意義。橫沙東灘和橫沙淺灘位于橫沙島東端，屬于北槽和北港之間的大型濱海沙洲，是進行中的大型促淤圈圍的重要區(qū)域。其地處長江口口門中心地帶，易于泥沙落淤而形成廣闊的灘地。橫沙東灘串溝將其分隔成東西兩部分，西部為橫沙東灘，東部為銅沙淺灘。自 1998 年實施深水航道整治工程以來，橫沙東灘及淺灘上以陸續(xù)完成了六期的權(quán)威工程。觀測區(qū)北側(cè)的西面為 N23 護灘堤，N23 護灘堤長約 8km，近北導堤段 4km，采用袋裝砂堤心，護面采用 2.0~4.0t 勾連塊體，壩頂現(xiàn)狀實際標高約 2.1m；遠北導堤段 4km，采用拋石堤心，護面采用 400~600kg 拋石，壩頂現(xiàn)狀實際標高約1.1m。
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3.長江口波浪場數(shù)學模型 ........ 47
3.1 模型簡介 ....... 47
3.2.1 控制方程......... 47
3.2.2 模型參數(shù)和邊界條件 ...... 48
3.2 模型范圍、網(wǎng)格剖分及計算基面......... 53
3.3 利用浮標觀測堤前波浪要素 ..... 53
3.4 地形和邊界條件 ........ 53
3.5 計算結(jié)果 ....... 54
4.越浪模擬 ..... 59
4.1SWASH 模型介紹 ......... 59
4.2 控制方程 ....... 60
4.3 離散方式 ....... 60
4.4 長江口越浪數(shù)據(jù)模擬 .... 61
4.4.1 波浪變形模擬 ..... 62
4.4.2 越浪模擬結(jié)果 ..... 65
4.5 模型驗證周邊已建工程越浪量 .......... 66
5.越浪影響因素研究 ..... 81
5.1 國內(nèi)外越浪量計算公式對比分析......... 81
5.2 不同理論公式計算越浪值對比 .......... 83
5.3 越浪影響因素分析 ...... 85

5.越浪影響因素研究

5.1 國內(nèi)外越浪量計算公式對比分析
計算越浪量公式的影響因素眾多，主要包括波浪要素，如波高、周期、波向等；海堤斷面尺度，如海堤結(jié)構(gòu)形式、防浪墻結(jié)構(gòu)形式、堤頂超高、護面結(jié)構(gòu)、平臺高程及寬度等；堤前海底地形；風況；以及波浪動力和斜坡重力關(guān)系的相對波陡、爬高等。因此很難得出適合各地區(qū)、各種建筑物型式、不同波浪作用下統(tǒng)一的計算公式。通過對已有研究成果的分析，國外規(guī)范、手冊中以 Owen、Van de Meer 的研究成果為基礎(chǔ)進行修正的較多，國內(nèi)的研究以南科院、大連理工為代表。上述計算公式各有依據(jù)，經(jīng)假設(shè)和計算，對單向不規(guī)則波正向作用下，設(shè)無胸墻斜坡堤有效波高 HS為 3m，深水波陡 Sop=0.035，譜峰周期=7.4s，坡比 1：1.5 時，對上述公式的計算結(jié)果如下表，由表 5-1、5-2 可見，相關(guān)公式的計算結(jié)果趨勢基本一致，但數(shù)值大小變化沒有一定的規(guī)律，差異較大。

總結(jié)

本文主要圍繞長江口促淤圈圍工程越浪量進行了研究，并對國內(nèi)外關(guān)于越浪量控制的主要研究成果和觀測試驗案例進行了分析，并將國內(nèi)外主要越浪控制公式進行了對比分析；對橫沙五期南大堤越浪觀測值進行的越浪研究：首先對長江口地區(qū)的越浪值進行了整理分析糾錯；然后通過 MIKE21 軟件進行長江口大范圍的波浪數(shù)值模擬；后進一步應用 SWASH 模型對小范圍的波浪變形、爬坡和越浪量進行模擬，擬合結(jié)果較好，并進一步用兩個周邊已建工程物模越浪量驗證了模型的良好適應性。最后根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對越浪影響因素進行了一定的分析。通過本文研究可以得出以下結(jié)論：
（1）海岸工程設(shè)計中關(guān)于越浪的標準有很多，但是大多數(shù)基于室內(nèi)物理模型實驗確定。按照規(guī)范公式設(shè)計的海岸工程結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)物在實際應用過程中發(fā)生越浪的情況較為罕見，可見規(guī)范標準安全系數(shù)較高，設(shè)計偏保守。本次長江口橫沙東灘順利采集到實測越浪量數(shù)據(jù)，這為我國原型越浪研究起到了巨大的推動作用。長江口地區(qū)后續(xù)圈圍工程眾多。對長江口促淤圈圍工程進行越浪進行研究，這對當?shù)睾罄m(xù)工程設(shè)計具有重大的指導意義。
（2）本文利用了長江口區(qū)域豐富的水文觀測數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)場波浪及氣象數(shù)據(jù)進行了整個長江口區(qū)域的波浪數(shù)值模擬，模擬結(jié)果良好，證明了波浪測量設(shè)備的布設(shè)的合理性。后著重對越浪量進行了波浪和越浪量的模擬研究。首先以離岸的波浪浮標數(shù)據(jù)作為輸入條件，模擬波浪向岸邊的傳遞變形，模擬結(jié)果顯示岸邊波浪驗證良好，同樣波壓力驗證良好，這確定了本模型能夠較好的模擬當?shù)夭ɡ俗冃�。后應用此模型進一步對越浪量進行模擬，模擬結(jié)果較好，進一步證明了此模型能夠較好模擬當?shù)卦嚼肆俊?br /> …………
參考文獻（略）