堤防工程设计波浪爬高分析与计算

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波高。
( 3) 水深。指某一设计标准设计水位下, 风区
该公式适用于内陆峡谷水库, 风速 V< 20 m/ s、
内 ( 主 风 向 风 区 长 度 范 围 内 ) 的 水 深 。当 风 区 内 水 风 区 长 度 F< 20 000 m 的 情 况 , 计 算 波 浪 的 波 高
深沿风向变化较大时, 应将水域分成几段来计算 和平均波长。
浪要素的有效值, 在计算得出有效波高值后,可
根据有效波高与平均波高的比值, 再由平均波高
换算出一定设计保证率波高的值。
不规则波的不同累积频率波高 Hp 与平均波高 H 之比值 Hp/H 也可采用格鲁霍夫斯基- 维林斯基
公式计算:
1- H

&& (& ( ( Hp =

-4 "
1+ H lnP 02" d
1 风浪要素计算方法
当工程所在位置或附近水域有较长期 ( 大于 或 等 于 20 年 ) 的 波 浪 实 测 资 料 时 , 可 采 用 分 方 向 的某一累积频率波高的年最大值系列, 按合适的 分布概型( 如 P- Ⅲ型) 进行频率分析, 以确定该 累积频率下不同重现期的设计波高; 测波资料短 缺的情况下, 当工程所在位置对岸距离较大( 大 于 100 km) 时 , 可 采 用 历 史 地 面 天 气 图 确 定 风 场 要素, 利用风浪要素计算图查算波浪要素年最大 值, 然后进行频率分析; 而当工程所在位置处于 有 限 风 区 内 ( 对 岸 距 离 小 于 或 等 于 100 km) , 主 要 为 风 成 浪 , 常 假 定 波 浪 与 风 速 同 频 率 、同 方 向 , 根 据当地实测风场资料, 推算设计波浪要素。 1.1 风场要素及水深的确定
)
gF 0.45 -
% # gH
& ’ 2

0.13th
& ( V
0.7
0.

gd


++0.001 8 th *


0.7
++0.13th
0.

gd

++ . ++
,
V/
% $0.5

gT V

13.9
gH


, L= gT th 2"d 2" L
( 经迭代求解 L)
式中 H 为波浪的平均波高, m; T 为波浪的平均
C0 2nC
" # n=
1 2
1+
4"d/L sh4"d/L
式 中 L, C, H 分 别 为 水 深 d 处 的 波 长 、 波 速 和 波
高 ; Lo、Co 分 别 为 深 水 波 波 高 、波 速 ; H′o 为 等 效 深 水 波 波 高 ; KS 为 浅 水 系 数 。
水 深 、地 形 、地 物 ( 滩 岛 及 水 上 建 筑 物 ) 以 及 底 坡 摩 擦 等 影 响 , 发 生 折 射 、绕 射 、破 碎 及 反 射 变 形 , 从 而 导 致 波 高 、波 长 和 波 向 等 要 素 发 生 变 化 。 因
播变形及波浪爬高分析计算方法, 结合实际工程对不同方法进行比较, 提出合适计算方法。
[ 关键词] 堤防工程; 波浪要素; 波浪爬高
[ 中图分类号] TV139.2+3
[ 文献标识码] B
波浪爬高是由波浪形成的, 而当工程所在位 置 处 于 有 限 风 区 内 ( 对 岸 距 离 小 于 100km) , 主 要 为风成浪。风浪的形成取决于风场要素( 包括风 速 、风 区 长 度 、风 时 ) 和 水 深 。对 于 有 限 风 区 , 可 不 计入风时的影响, 波浪的成长主要取决于水面风 速 、风 区 长 度 及 其 水 深 。
5 400 4.92 9.68 0.27 2.3 8.24
7 420 4.62 10.38 0.32 2.51 9.75
16 000 6.10 9.75 0.40 2.81 12.28
2 波浪传播变形计算
当波浪由深水区传播进入浅水区时, 因受到
L = C = th 2"d
Lo Co

! H
H′o

KS=
周 期 , s; d 为 水 域 的 平 均 水 深 , m。
该公式适用于计算水域中波浪要素的平
均值。
( 4) SMB 法 公 式 :
)
gF 0.42 -
% $ gHs
& ( 2 & & ( ( V
= 0.283th
0.75
0.530
gd


++0.012 5 th*


0.75
++th
0.53
gd
26.5 m/ s、 风 区 长 度 F< 7 500 m 的 情 况 , 计 算 波
浪的波高和平均波长。
( 2) 官厅水库公式:
% $1/ 3
gH


0.007
- 1/ 12
6V

gF



" $1/ 3.75
gL



0.331V
1/
2 . 15

gF


式 中 H 为 当 gF/V2= 20~250 时 , 为 累 积 频 率 5%的
浪 要 素 , 还 综 合 反 映 了 风 速 、吹 程 、水 深 对 风 浪 要 海 大 学 曾 对 规 则 波 、不 规 则 波 的 单 突 堤 和 双 突 堤
素的影响。显然江河风浪计算情况与水库蓄水后 以及岛式防波堤后绕射变形作过研究 , 提出了相
和深海的风浪计算情况有所不同, 一般情况下应 应的计算公式和计算图解。

++ . ++
,

/
)
0.25
gF
-
% $ gHs
& ( 2
=7.540th
& & ( ( V
03.75
0.833gd2 V
++ th*
0.077


++th
0.833
gd

0.375
++ . ++
,

/
Hs, Ts 分 别 为 有 效 波 高 和 有 效 波 周 期 , Ts = 1.15T。
该公式适用于计算水域中深水波和浅水波波
素见表 1。
表 1 波浪要素计算表
式给出的浅水关系, 均系根据线性波理论, 按以 下公式计算成果制作:
风向
N NNE EN EN E
吹程 F 平 均 计 算 平 均 平均波 波长 L
水深 d 风速 V 波高 H 周期 T
(m)
(m) (m/ s) (m)
(s)
(m)
2 460 7.63 7.89 0.16 1.79 4.98
2006年第 6 期( 第 24 卷 263 期)
东北水利水电

[ 文章编号] 1002- 0624( 2006) 06- 0005- 03
堤防工程设计波浪爬高分析与计算
李士峰
( 黑 龙 江 省 佳 木 斯 市 水 利 勘 测 设 计 研 究 院 , 黑 龙 江 佳 木 斯 市 154003)
[ 摘 要 ] 根 据 有 关 规 范 及 资 料 , 综 合 论 述 了 堤 防 工 程 设 计 时 , 由 风 场 要 素 推 求 设 计 波 浪 要 素 、波 浪 传

鹤地水库公式和官厅水库公式均只能计算深
水风浪要素, 且仅反映风速与吹程对风浪要素的
影响, 没有考虑水深对风浪要素的影响, 对水库
2006年第 6 期( 第 24 卷 263 期)
东北水利水电

风浪要素值计算而言较为合适; 蒲田试验站公式
( 2) 波浪绕射变形。波浪绕射是由于防波堤后
和 SMB 法 公 式 不 仅 能 计 算 深 水 波 与 浅 水 波 的 风 波 能 横 向 传 递 引 起 的 。南 京 水 利 科 学 研 究 院 与 河
属于浅水波的范畴。运用蒲田试验站公式和
( 3) 浅 水 变 形 。在 进 行 波 浪 折 射 、绕 射 变 形 计
SMB 法 公 式 应 较 鹤 地 、官 厅 水 库 公 式 计 算 江 河 风 算 的 同 时 , 尚 需 结 合 波 浪 浅 水 变 形 时 , 波 高 、波
浪 要 素 更 趋 合 理 。按 蒲 田 试 验 站 公 式 计 算 的 波 要 长 、波 速 与 水 深 的 关 系 , 目 前 有 关 规 定 以 表 格 形
经验和半理论半经验的。前者, 因限于资料测取
范围和现场的具体条件, 其应用常有一定的局限
性; 后者, 由于风浪现象的复杂性, 立论时常需要
作一些假设及简化处理, 其结果还要需经过实测
资 料 的 验 证 与 修 正 , 应 用 仍 有 一 定 的 局 限 性[7]。
因此在方法选用时, 宜谨慎对待。
目 前,在 我 国 主 要 有 鹤 地 水 库 公 式 、官 厅 水 库
此, 应根据实际将波浪传播变形至堤前的波要 素, 作为波浪爬高计算的输入。波浪折射及绕射 为工程实践中比较常见的两类变形。

东北水利水电
2006 年第 6 期( 第 24 卷 263 期)
是 可 取 △!=ຫໍສະໝຸດ Baidu7.5°( i=0, ±1, ±2, … , ±6) , 初 步 计 算 波 高 , 当 gF/V2= 250~1 000 时 , 为 累 积 频 率 10%的
也 可 取△!= 15°( i=0, ±1, ±2, ±3) 。
!2
ricos !i Fe= i
!cos!i i
式 中 ri— 在 主 风 向 两 侧 各 45°范 围 内 , 每 隔△! 角 由计算点引 到对岸的 射 线 长 度 , m; △!—射 线 与 主 风 向 上 射 线 r0 之 间 的 夹 角 ( °) , !i= i·△!。 计 算
[收稿日期] 2005- 12- 12 [作者简介] 李 士 峰 ( 1963- ) , 男 , 黑 龙 江 省 明 水 县 人 , 高 级 工 程 师 , 主 要 从 事 水 利 工 程 规 划 设 计 工 作 。
风 场 要 素 主 要 包 括 风 速 、风 区 长 度 ( 吹 程 ) 、 风 时 。 对 于 有 限 风 区 ( 风 区 长 度 小 于 或 等 于 100 km) , 可 不 计 入 风 时 的 影 响 , 波 浪 的 成 长 主 要 取 决 于 水 面 风 速 、风 区 长 度 及 其 水 深 。
在进行设计风速统计之前, 一般需根据当地 历 年 风 速 、风 向 资 料 , 确 定 对 于 工 程 比 较 不 利 的
几 组 主 波 向 ( 主 风 向 ) 。主 波 向 是 波 浪 爬 高 计 算 的 必不可少的一项输入。
( 1) 设计风速。风速取值标准高度为设计水 位 以 上 10 m 高 处 风 速 , 对 此 国 内 外 规 范 一 致 。对 风速时距, 目前国内规范有的要求采用定时 2 min 平 均 风 速 , 而 有 的 则 规 定 采 用 自 己 10 min 平 均 风 速 。《堤 防 工 程 设 计 规 范 》(GB 50286—98) 指 出 “考 虑 到 70 年 代 以 后 , 国 内 气 象 站 普 遍 采 用 自 记 风 速 仪 , 一 般 为 自 记 10 min 平 均 风 速 , 因 此 本 规 范 采 用 此 风 速 。”因 此 , 采 用 自 记 10 min 平 均 风 速。对江湖堤 防计算风速 采用历年汛 期最大风速 平均值的 1.5 倍。
公 式 、蒲 田 试 验 站 公 式 、SMB 法 公 式 等 。上 述 公 式
往 往 是 根 据 一 定 的 水 深 、一 定 的 水 域 形 状 的 观 测
资 料 加 以 整 理 、分 析 后 得 出 的,各 自 具 有 一 定 的 范
围和局限性。
( 1) 鹤地水库公式:
" #1/ 3
gHp


( 2) 风 区 长 度 。 在 江 河 、湖 泊 、水 库 等 有 限 风 区内, 水域岸线边界给风浪成长以限制性影响。 当 计 算 风 向 两 侧 水 域 较 宽 、边 界 比 较 规 则 , 风 区 长度可采用由计算点逆风向量到对岸的距离; 而 当 水 域 周 界 不 规 则 、水 域 中 有 岛 屿 时 , 或 在 河 道 的 转 弯 、汊 道 处 , 风 区 长 度 可 采 用 等 效 风 区 长 度 Fe, Fe, 并 按 下 式 计 算 :
波浪要素; 而当风区内的水深变化较小时, 可按
( 3) 莆田试验站公式:
计算风向的水下地形剖面图确定平均水深。
1.2 由风场推算波浪要素
影 响 风 浪 要 素 大 小 的 主 要 因 素 有 风 速 、风
向 、风 区 长 度 、水 深 、水 域 形 状 、地 形 局 部 变 化 等
情 况 。对 于 此 类 计 算 , 现 行 方 法 很 多 , 且 大 多 属 于

0.
006
1/ 8
25V

gF



" $1/ 2
gL


0.
038


gF


式中









p%的 波 高 , m; V 为 风 速 ,
m/ s; F 为 风 区 长 度 , m; L 为 平 均 波 长 , m; g 为 重
力 加 速 度 9.81 m/ s2。
该 公 式 适 用 于 丘 陵 、平 原 地 区 水 库 , 风 速 V<