波浪要素計算

《海堤工程設計規范》編制組2009年2月《海堤工程設計規范》宣貫班波浪要素計算主要內容6.1波浪的設計標準6.3波浪的統計和計算方法6.4波浪淺水變形計算

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為波浪爬高計算、堤頂高程的確定提供依據2

為越浪量計算提供依據3

為波浪作用力計算提供依據4

為海堤護面的強度、護面塊體穩定性計算提供依據

波浪要素計算的目的波浪要素：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，就相當于總數的1/10的大波及對應其波高的周期，進行平均得到的波浪，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，就相應于總數的1/3的大波及對應其波高的周期，進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）：實際海面上不規則波列所出現的概率F對應的波高。例如1000個波浪，按波高依次排列，其中第10個（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。風浪、涌浪和混合浪風浪是指風持續作用的強迫波；涌浪（或稱余波）是指風停止作用或風浪向風區以外水域傳播所形成的自由波；混合浪是指風浪與涌浪疊加或風浪生成過程中風速、風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系：不規則波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算的思路波浪由深水行近海堤大致分四個區域，即深水區、淺水區、破碎波區及岸邊區。如下圖所示。

計算的思路進行頻率分析，推算外海波浪要素得到堤前波浪要素實測波浪資料淺水變形計算海灣河口區開敞式海岸根據風速資料，應用莆田公式計算原始波要素推薦采用數學模型方法計算波浪要素有無波浪設計標準設計波浪的標準包括兩個方面：①設計波浪的重現期標準；②設計波浪的波列累積頻率標準。設計波浪的重現期是指某一特定波列平均多少年出現一次，它代表波浪要素的長期（以幾十年計）統計分布規律。

設計波浪的波列累積頻率是指其在實際海面上不規則波列中的出現概率，它代表波浪要素的短期（以十幾分鐘計）統計分布規律。設計波浪的重現期采用與設計高潮（水）位相同的重現期，這一規定與我國沿海的浙江省、廣東省和廣西自治區的規定是一致的。有些地區根據其本地條件采用不同的設計標準，應進行必要的分析論證。

波浪設計標準

波浪的波列累積頻率標準主要反映波浪對不同類型建筑物的不同作用性質。對于直立式海堤，設計波高的累積頻率采用1%，與前蘇聯規范的規定一致。近年來用不規則波對斜坡堤進行模型試驗的結果表明，規則波的等值波高與波譜形式（寬譜與窄譜）、相對水深、護面塊體的類型以及塊體的失穩標準和失穩率等都有關，也受不規則波與規則波試驗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計波高，一般采用H13%，而當相對水深<0.3時宜用H5%的規定已適當地考慮了上述因素。波浪的設計標準表6.1.2設計波高的波列累積頻率標準海堤型式部位計算內容波高累積頻率F（%）直立式防浪墻；墻身；閘門；閘墻強度和穩定性1基礎墊層；護底塊石穩定性5斜坡式混凝土板護坡、防浪墻；閘門；閘墻強度和穩定性1漿砌石護坡；干砌塊石、塊體護坡穩定性13（注）護底塊石、塊體穩定性13海堤前的潛堤護面塊石、護面塊體穩定性13注：當平均波高與水深的比值＜0.3時，F宜采用5%。由于進行波浪統計或波浪計算中的波高往往僅是某一個累積頻率的波高，而工程設計中還涉及到別的累積頻率，需進行不同累積頻率波高換算，故規范給出了不同累積頻率波高與平均波高的轉換關系，表6.1.3。

波浪設計標準

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為計算點水深，m。波浪設計標準

對不規則波周期，本規范采用平均周期表示，與國內有關規范一致。根據微幅波理論，平均波周期與波長的對應關系為：

波長L可通過上式試算確定，也可根據d/L0值查附錄D中L/L0之比值求得。

波浪的統計和計算方法

當工程地點附近有長期波浪觀測資料時，一般利用觀測資料推算設計重現期波高。在頻率分析的取樣時，應注意各年需使用同一波列累積頻率的波浪要素。6.3.1當工程所在位置或其附近有較長期的波浪實測資料時，可采用分方向的某一累積頻率波高的年最大值系列進行頻率分析，確定不同重現期的設計波高。在選擇年最大波高時，可把主波向左右各一個方位22.5?的資料包括在內。這是因為目前波向的觀測并不是很準確的。另一方面，通常認為在與主波向成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條文中規定波浪觀測系列年限20年，是考慮目前沿海臺站的實際情況確定的下限，有條件的情況下宜采用更長系列資料。目前大多數波浪實測資料為每日四次定時觀測，沒有晚上的數據。另外在臺風等惡劣天氣狀況下，也可能造成缺測。若根據調查或從天氣圖分析，最大波浪發生在晚上或者在白天有缺測的情況，則一般可用天氣圖進行計算，以補充已有的觀測數據。

波浪的統計和計算方法6.3.3選用理論累積頻率曲線的目的是以擬合經驗累積頻率點，進而達到外延的目的。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）、對數正態概率分布、威布爾分布、泊松——耿貝爾復合極值分布等。

本著與實測經驗累積頻率點擬合最佳為原則，經多方面比較，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。波浪的統計和計算方法

6.3.4

當海堤當地或其鄰近海域沒有海洋水文觀測站，為充分利用已有的一些波浪觀測資料，規范中給出了利用短期測波資料推算設計波浪的方法，即附錄C中的（C.0.2）式：

式中Pb——重現期為b年的設計頻率；a——波浪實測資料的年數；n——波浪觀測的總次數。波浪的統計和計算方法

6.3.4用短期測波資料進行頻率分析時，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，要求實測波浪資料中一定要包含有臺風大浪或寒潮大風等引起的大浪資料，這樣得出的結果才較為準確。波浪的統計和計算方法6.3.5當工程所在位置及其附近均無測波資料時，一般是利用風速資料推算設計重現期風速，假定風與浪完全相關，然后根據風浪計算公式，由成浪要素（風速、風區、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，此時風區較短，可不考慮風作用延時的影響。對于開敞海岸情況，可采用歷史地面天氣圖等方法確定風場，再推算波浪要素。關于利用歷史地面天氣圖推算波浪方法，可參照《海港水文規范》（JTJ213）。波浪的統計和計算方法

規范中給出了海灣和河口區域的設計波浪要素的波浪推算方法，即確定風場要素后采用莆田公式計算波要素（附錄C中的C.0.3條和C.0.4條）。莆田公式在沿海堤防設計中已得到廣泛應用，《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）等也采用該法。近年來，國內一些測波資料（包括浙江5個沿海岸站和4個沿海島站、長江口以及一些內陸湖泊、水庫等）驗證表明，該法符合程度還是比較好的。而對于開敞式海岸，應用莆田公式計算波浪的效果不好，因此規定采用外海波浪資料通過淺水變形計算確定，外海波浪要素可按JTJ213的相關方法計算。莆田公式：波浪的統計和計算方法波浪的統計和計算方法

對于確定風場要素時極限風區長度的確定，根據國內經驗，可將風區上限定為100km左右，或者定為河口或海灣口寬度的5倍。

波浪淺水變形計算

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

波浪淺水變形計算

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生變化。促使波浪在淺水區發生變化的原因主要是水深變淺、地形復雜、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，發生折射繞射現象，受海底摩阻影響，波浪衰減，隨水深減小，波浪前峰變陡，可能發生破碎，破碎后的波浪有可能形成新生波，到達海堤。波浪淺水變形計算

由于波浪淺水變形較為復雜，進行淺水變形計算時需做出一些假設。對于波浪淺水變形計算，規范在6.4.2條給出了一般規定。波浪淺水變形計算的起始水深是與波浪實測資料或用風浪推算方法得到的波浪要素處的水深相聯系的。如在海灣或河口區，莆田公式計算得到的波要素對應風區的平均水深，因此變形計算的起始水深可取風區的平均水深處。波浪淺水變形計算以往常用的波浪淺水變形計算方法（經驗公式）僅適用于海底地形平緩的情況，在復雜地形條件下容易出現計算結果失真，甚至無法計算，且這些方法都不能考慮波浪繞射問題，難于適用復雜地形上波浪場的計算。同時近年來波浪的數值模擬計算方法研究漸為成熟，因此，規范中推薦對于1~3級海堤，其近岸區的波浪變形計算采用數值計算方法。目前在海岸工程實踐中廣泛運用的兩大類海岸波浪場預測模型分別是：（1）能量平衡模型。它一般用來預測海洋深水波候，已發展到相當完善的階段，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間變化的風場效應。（2）質量、動量守恒模型。它在海岸工程中應用最為普遍，并且內容豐富，數值技巧多樣。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。波浪淺水變形計算6.4.6波浪進入淺水后，波長漸短，波高開始時也略減小，但以后就逐漸增大，因此當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，波浪或因波陡達到極限（理論上極限H/L≈1/7）失去穩定而破碎；或因前坡陡峭傾倒或封頂破碎（理論上極限波峰頂角達120°）。這些都是波浪的破碎現象。波浪淺水變形計算

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條件下可能出現的最大波高，故又稱為極限波高。關于破碎波高的確定，條文6.4.6中的圖6.4.