張從聯(lián)波浪計(jì)算

波浪要素計(jì)算

《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》編制組2009年2月《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》宣貫班波浪要素計(jì)算主要內(nèi)容6.1波浪的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6.3波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法6.4波浪淺水變形計(jì)算

1

為波浪爬高計(jì)算、堤頂高程的確定提供依據(jù)2

為越浪量計(jì)算提供依據(jù)3

為波浪作用力計(jì)算提供依據(jù)4

為海堤護(hù)面的強(qiáng)度、護(hù)面塊體穩(wěn)定性計(jì)算提供依據(jù)

波浪要素計(jì)算的目的波浪要素：波峰、波谷、波高、波長、周期、波速、波陡、波峰線和波向線等。常用的特征波：最大波：波群（波高大于某一固定值的連貫大波波列）或觀測記錄中出現(xiàn)波高最大的波浪稱為最大波（Hmax，Tmax）。

波浪的一些基本知識1/10大波：波群或觀測的全部波浪中，按波高大小的順序，就相當(dāng)于總數(shù)的1/10的大波及對應(yīng)其波高的周期，進(jìn)行平均得到的波浪，并以H1/10和T1/10表示。有效波或1/3大波：波群或全部觀測記錄中，按波高大小順序，就相應(yīng)于總數(shù)的1/3的大波及對應(yīng)其波高的周期，進(jìn)行平均而得到的波浪，稱為有效波，并以H1/3或Hs和T1/3或Ts表示。

波浪的一些基本知識累積概率（F）波高（HF）：實(shí)際海面上不規(guī)則波列所出現(xiàn)的概率F對應(yīng)的波高。例如1000個(gè)波浪，按波高依次排列，其中第10個(gè)（累積概率為1％）波高，則稱為累積概率1％波高，并記為H1%，余類推。風(fēng)浪、涌浪和混合浪風(fēng)浪是指風(fēng)持續(xù)作用的強(qiáng)迫波；涌浪（或稱余波）是指風(fēng)停止作用或風(fēng)浪向風(fēng)區(qū)以外水域傳播所形成的自由波；混合浪是指風(fēng)浪與涌浪疊加或風(fēng)浪生成過程中風(fēng)速、風(fēng)向改變所形成的三維波。波浪的一些基本知識幾種常見的換算關(guān)系：不規(guī)則波L0=1.17有效波周期：Ts=1.15在不同H/d情況下，

H/100≈H0.4%H1/10≈H4%H1/3≈H13%波浪的一些基本知識計(jì)算的思路波浪由深水行近海堤大致分四個(gè)區(qū)域，即深水區(qū)、淺水區(qū)、破碎波區(qū)及岸邊區(qū)。如下圖所示。

計(jì)算的思路進(jìn)行頻率分析，推算外海波浪要素得到堤前波浪要素實(shí)測波浪資料淺水變形計(jì)算海灣河口區(qū)開敞式海岸根據(jù)風(fēng)速資料，應(yīng)用莆田公式計(jì)算原始波要素推薦采用數(shù)學(xué)模型方法計(jì)算波浪要素有無波浪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)波浪的標(biāo)準(zhǔn)包括兩個(gè)方面：①設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)；②設(shè)計(jì)波浪的波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期是指某一特定波列平均多少年出現(xiàn)一次，它代表波浪要素的長期（以幾十年計(jì)）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。

設(shè)計(jì)波浪的波列累積頻率是指其在實(shí)際海面上不規(guī)則波列中的出現(xiàn)概率，它代表波浪要素的短期（以十幾分鐘計(jì)）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期采用與設(shè)計(jì)高潮（水）位相同的重現(xiàn)期，這一規(guī)定與我國沿海的浙江省、廣東省和廣西自治區(qū)的規(guī)定是一致的。有些地區(qū)根據(jù)其本地條件采用不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)行必要的分析論證。

波浪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

波浪的波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)主要反映波浪對不同類型建筑物的不同作用性質(zhì)。對于直立式海堤，設(shè)計(jì)波高的累積頻率采用1%，與前蘇聯(lián)規(guī)范的規(guī)定一致。近年來用不規(guī)則波對斜坡堤進(jìn)行模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，規(guī)則波的等值波高與波譜形式（寬譜與窄譜）、相對水深、護(hù)面塊體的類型以及塊體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)和失穩(wěn)率等都有關(guān)，也受不規(guī)則波與規(guī)則波試驗(yàn)對比方式和資料分析方法的影響。條文中對斜坡式海堤的設(shè)計(jì)波高，一般采用H13%，而當(dāng)相對水深<0.3時(shí)宜用H5%的規(guī)定已適當(dāng)?shù)乜紤]了上述因素。波浪的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表6.1.2設(shè)計(jì)波高的波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)海堤型式部位計(jì)算內(nèi)容波高累積頻率F（%）直立式防浪墻；墻身；閘門；閘墻強(qiáng)度和穩(wěn)定性1基礎(chǔ)墊層；護(hù)底塊石穩(wěn)定性5斜坡式混凝土板護(hù)坡、防浪墻；閘門；閘墻強(qiáng)度和穩(wěn)定性1漿砌石護(hù)坡；干砌塊石、塊體護(hù)坡穩(wěn)定性13（注）護(hù)底塊石、塊體穩(wěn)定性13海堤前的潛堤護(hù)面塊石、護(hù)面塊體穩(wěn)定性13注：當(dāng)平均波高與水深的比值＜0.3時(shí)，F(xiàn)宜采用5%。由于進(jìn)行波浪統(tǒng)計(jì)或波浪計(jì)算中的波高往往僅是某一個(gè)累積頻率的波高，而工程設(shè)計(jì)中還涉及到別的累積頻率，需進(jìn)行不同累積頻率波高換算，故規(guī)范給出了不同累積頻率波高與平均波高的轉(zhuǎn)換關(guān)系，表6.1.3。

波浪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

表6.1.3不同累積頻率波高換算F（%）0.1123451013205002.972.422.232.112.021.951.711.611.430.940.12.702.262.092.001.921.861.651.561.410.960.22.462.091.961.881.811.761.591.511.370.980.32.231.931.821.761.701.661.521.451.341.000.42.011.781.691.641.601.561.441.391.301.010.51.801.631.561.521.491.461.371.331.251.01注：d為計(jì)算點(diǎn)水深，m。波浪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對不規(guī)則波周期，本規(guī)范采用平均周期表示，與國內(nèi)有關(guān)規(guī)范一致。根據(jù)微幅波理論，平均波周期與波長的對應(yīng)關(guān)系為：

波長L可通過上式試算確定，也可根據(jù)d/L0值查附錄D中L/L0之比值求得。

波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法

當(dāng)工程地點(diǎn)附近有長期波浪觀測資料時(shí)，一般利用觀測資料推算設(shè)計(jì)重現(xiàn)期波高。在頻率分析的取樣時(shí)，應(yīng)注意各年需使用同一波列累積頻率的波浪要素。6.3.1當(dāng)工程所在位置或其附近有較長期的波浪實(shí)測資料時(shí)，可采用分方向的某一累積頻率波高的年最大值系列進(jìn)行頻率分析，確定不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波高。在選擇年最大波高時(shí)，可把主波向左右各一個(gè)方位22.5?的資料包括在內(nèi)。這是因?yàn)槟壳安ㄏ虻挠^測并不是很準(zhǔn)確的。另一方面，通常認(rèn)為在與主波向成22.5?方向上傳播的波高值可為主波向上波高值的0.9以上。

6.3.2條文中規(guī)定波浪觀測系列年限20年，是考慮目前沿海臺站的實(shí)際情況確定的下限，有條件的情況下宜采用更長系列資料。目前大多數(shù)波浪實(shí)測資料為每日四次定時(shí)觀測，沒有晚上的數(shù)據(jù)。另外在臺風(fēng)等惡劣天氣狀況下，也可能造成缺測。若根據(jù)調(diào)查或從天氣圖分析，最大波浪發(fā)生在晚上或者在白天有缺測的情況，則一般可用天氣圖進(jìn)行計(jì)算，以補(bǔ)充已有的觀測數(shù)據(jù)。

波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法6.3.3選用理論累積頻率曲線的目的是以擬合經(jīng)驗(yàn)累積頻率點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到外延的目的。對于波浪的頻率分析，常用的方法有皮爾遜Ⅲ型累積頻率曲線、極值Ⅰ型分布（耿貝爾分布）、對數(shù)正態(tài)概率分布、威布爾分布、泊松——耿貝爾復(fù)合極值分布等。

本著與實(shí)測經(jīng)驗(yàn)累積頻率點(diǎn)擬合最佳為原則，經(jīng)多方面比較，若其他理論累積頻率曲線擬合更佳，即可用其代替皮爾遜Ⅲ型或極值Ⅰ型分布曲線。波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法

6.3.4

當(dāng)海堤當(dāng)?shù)鼗蚱溧徑Ｓ驔]有海洋水文觀測站，為充分利用已有的一些波浪觀測資料，規(guī)范中給出了利用短期測波資料推算設(shè)計(jì)波浪的方法，即附錄C中的（C.0.2）式：

式中Pb——重現(xiàn)期為b年的設(shè)計(jì)頻率；a——波浪實(shí)測資料的年數(shù)；n——波浪觀測的總次數(shù)。波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法

6.3.4用短期測波資料進(jìn)行頻率分析時(shí)，一般采用不分方向的，全部或日最大波高值作為樣本。需要指出的是：（C.0.2）式只能供參考使用。使用本方法時(shí)，要求實(shí)測波浪資料中一定要包含有臺風(fēng)大浪或寒潮大風(fēng)等引起的大浪資料，這樣得出的結(jié)果才較為準(zhǔn)確。波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法6.3.5當(dāng)工程所在位置及其附近均無測波資料時(shí)，一般是利用風(fēng)速資料推算設(shè)計(jì)重現(xiàn)期風(fēng)速，假定風(fēng)與浪完全相關(guān)，然后根據(jù)風(fēng)浪計(jì)算公式，由成浪要素（風(fēng)速、風(fēng)區(qū)、水深）確定波浪要素，這種方法原則上只適用于局部水域的波浪推算，此時(shí)風(fēng)區(qū)較短，可不考慮風(fēng)作用延時(shí)的影響。對于開敞海岸情況，可采用歷史地面天氣圖等方法確定風(fēng)場，再推算波浪要素。關(guān)于利用歷史地面天氣圖推算波浪方法，可參照《海港水文規(guī)范》（JTJ213）。波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法

規(guī)范中給出了海灣和河口區(qū)域的設(shè)計(jì)波浪要素的波浪推算方法，即確定風(fēng)場要素后采用莆田公式計(jì)算波要素（附錄C中的C.0.3條和C.0.4條）。莆田公式在沿海堤防設(shè)計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用，《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）等也采用該法。近年來，國內(nèi)一些測波資料（包括浙江5個(gè)沿海岸站和4個(gè)沿海島站、長江口以及一些內(nèi)陸湖泊、水庫等）驗(yàn)證表明，該法符合程度還是比較好的。而對于開敞式海岸，應(yīng)用莆田公式計(jì)算波浪的效果不好，因此規(guī)定采用外海波浪資料通過淺水變形計(jì)算確定，外海波浪要素可按JTJ213的相關(guān)方法計(jì)算。莆田公式：波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法波浪的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法

對于確定風(fēng)場要素時(shí)極限風(fēng)區(qū)長度的確定，根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，可將風(fēng)區(qū)上限定為100km左右，或者定為河口或海灣口寬度的5倍。

波浪淺水變形計(jì)算

按波浪實(shí)測資料或風(fēng)浪推算方法得到的波浪要素，一般還不是具體工程位置（如設(shè)計(jì)堤段）的波浪要素，因此需利用淺水變形計(jì)算方法，計(jì)算出具體位置（如堤前）的波浪要素。

波浪淺水變形計(jì)算

波浪從深水傳入淺水過程中，無論波高、波長、波速以及波浪的剖面形狀都將不斷發(fā)生變化。促使波浪在淺水區(qū)發(fā)生變化的原因主要是水深變淺、地形復(fù)雜、海底摩擦、水流作用以及障礙物（島嶼、建筑物等）等的影響。波浪因受島嶼阻擋或地形影響，發(fā)生折射繞射現(xiàn)象，受海底摩阻影響，波浪衰減，隨水深減小，波浪前峰變陡，可能發(fā)生破碎，破碎后的波浪有可能形成新生波，到達(dá)海堤。波浪淺水變形計(jì)算

由于波浪淺水變形較為復(fù)雜，進(jìn)行淺水變形計(jì)算時(shí)需做出一些假設(shè)。對于波浪淺水變形計(jì)算，規(guī)范在6.4.2條給出了一般規(guī)定。波浪淺水變形計(jì)算的起始水深是與波浪實(shí)測資料或用風(fēng)浪推算方法得到的波浪要素處的水深相聯(lián)系的。如在海灣或河口區(qū)，莆田公式計(jì)算得到的波要素對應(yīng)風(fēng)區(qū)的平均水深，因此變形計(jì)算的起始水深可取風(fēng)區(qū)的平均水深處。波浪淺水變形計(jì)算以往常用的波浪淺水變形計(jì)算方法（經(jīng)驗(yàn)公式）僅適用于海底地形平緩的情況，在復(fù)雜地形條件下容易出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果失真，甚至無法計(jì)算，且這些方法都不能考慮波浪繞射問題，難于適用復(fù)雜地形上波浪場的計(jì)算。同時(shí)近年來波浪的數(shù)值模擬計(jì)算方法研究漸為成熟，因此，規(guī)范中推薦對于1~3級海堤，其近岸區(qū)的波浪變形計(jì)算采用數(shù)值計(jì)算方法。目前在海岸工程實(shí)踐中廣泛運(yùn)用的兩大類海岸波浪場預(yù)測模型分別是：（1）能量平衡模型。它一般用來預(yù)測海洋深水波候，已發(fā)展到相當(dāng)完善的階段，例如，最為著名的WAM3G模型。這種模型在海岸工程中的作用就在于可以模擬施加在波浪上的隨時(shí)間變化的風(fēng)場效應(yīng)。（2）質(zhì)量、動量守恒模型。它在海岸工程中應(yīng)用最為普遍，并且內(nèi)容豐富，數(shù)值技巧多樣。目前包含了以下代表性的模型：緩坡方程、拋物型方程、Boussinesq方程。波浪淺水變形計(jì)算6.4.6波浪進(jìn)入淺水后，波長漸短，波高開始時(shí)也略減小，但以后就逐漸增大，因此當(dāng)波浪傳播到一定淺水后，波陡就迅速增大。另一方面，因波谷處水深比波峰處要小，波谷受海底摩擦影響較大，因而波谷的傳播速度比波峰小，導(dǎo)致波峰逐漸向前追趕波谷，波形扭曲前傾，前坡變陡。因此到一定水深后，波浪或因波陡達(dá)到極限（理論上極限H/L≈1/7）失去穩(wěn)定而破碎；或因前坡陡峭傾倒或封頂破碎（理論上極限波峰頂角達(dá)120°）。這些都是波浪的破碎現(xiàn)象。波浪淺水變形計(jì)算

波浪破碎處的水深為臨界水深也稱破碎水深，以db表示，相應(yīng)的波高稱為破碎波高，以Hb表示，也是在水深db條件下可能出現(xiàn)的最大波高，故又稱為極限波高。關(guān)于破碎波高的確定，條文6.4.6中的圖6.4.