堤防工程设计波浪爬高分析与计算

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
ｄ
&& (& ( ( Ｈｐ ＝
Ｈ
－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．
７
ｇｄ
２
Ｖ
++０．００１ ８ ｔｈ *
２
Ｖ
０．７
++０．１３ｔｈ
０．
７
ｇｄ
２
++ . ++
,
Ｖ/
% $０．５
２
ｇＴ Ｖ
＝
１３．９
ｇＨ
２
Ｖ
， 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
Ｌ
! 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
２
Ｖ
++０．０１２ ５ ｔｈ*
２
Ｖ
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
２
＝
０．００７
－ １／ １２
６Ｖ
Ｖ
ｇＦ
２
Ｖ
，
" $１／ ３．７５
ｇＬ
２
＝
－
０．３３１Ｖ
１／
２ ． １５
Ｖ
ｇＦ
２
Ｖ
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。
２
++ . ++
,
Ｖ
/
)
０．２５
ｇＦ
-
% $ ｇＨｓ
& ( ２
＝７．５４０ｔｈ
& & ( ( Ｖ
０３．７５
０．８３３ｇｄ２ Ｖ
++ ｔｈ*
０．０７７
２
Ｖ
++ｔｈ
０．８３３
ｇｄ
２
０．３７５
++ . ++
,
Ｖ
/
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
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［ 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
２
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）
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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。
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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
％
（ 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
Ｖ
ｇＦ
２
Ｖ
，
" $１／ ２
ｇＬ
２
＝
０．
０３８
６
Ｖ
ｇＦ
２
Ｖ
式中
Ｈ
ｐ
为
％
累
积
频
率
为
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＜