海堤工程波浪要素计算分析与探讨

重现期的年频率分析成果。对于风浪 ， 如设计高潮位为 １０ ０
年一 遇 ， 江省 规 定 在 设 计 高 潮 位 下 加 同频 率 风 速 的影 响 ， 浙 而上 海市 、 岛市 为在 设计 高 潮 位下 加 １ 级 风 影 响 ， 津 市 青 ２ 天
收稿 日期 ； ０－ ． ； 回 日期 ￣ ０ —０ —０ ２ ５ ４２ 修 ０ ０ １ ２ ５ ６ ３ ０ 作者简 介 ： 贸海洪 ， ， 江杭 州人 ， 男 浙 主要 从事 水利 工程设 计 工作 。
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为设计 高潮 位 下 加 ７ 风影 响 。广 东省 在 ２ 世 纪 ５ 年 代就 级 ０ ０ 确定 按海 堤捍 卫 面积 大小 分 别 采 用 ８９ １ 级 风 速 。 １ ７ 、、０ ９ 年 ９ 广 东 省将海 堤 设计 风 速 提 高到 按 海 堤 捍 卫 面积 大 小 分 别 采 用 ９ １、１ 风 速 。１９ 年 广 东 省 要 求 在 进 行 风 浪 爬 高 计 、０ １ 级 ９８
２ 设计波浪要素计算
波浪 的设 计标 准包 括 ： １设 计 波 浪 的 重 现 期 ；２ 设 计 （） （）
波高的波列累积率 。在《 浙江省海塘工程技术规定》 波浪 中，
的设 计重 现期 采 用 与 设 计 高 潮位 相 同 的重 现 期 。确 定 设 计 波浪 要素 的方 法有 两种 ： １ 由 当地 风 场 要 素推 算 波 浪 要 素 （）
自记风 速仪 ， 一般 为 自记 １ ｉ平 均 风 速 ， 此 本 规 范 采 用 ０ｍｎ 因 此风 速 。设 计 风 速 的标 准 究 竟 应 如 何来 定 ，堤 防 工 程 设 计 ” 《 规范 》 定 ， 规 当设 计波 浪 采用 风速 进 行推 算 时 ， 计算 风速 重 现 期可 采用 设计 潮 位 的 重 现 期 。《 港 水 文 规 范》 定 当采 用 海 规 风速 资料 确定 不 同重 现 期 的设计 波 浪 时 ， 计 风速 采 用 设 计 设
浅水 区时 ， 底 的底 坡 摩 擦 使 波 高 减 小 。另 一 方 面 水 深 渐 水
浅， 使波高增大。此外 ， 波浪折射和绕射 为比较常 见的另两 类波浪传播变形。 波浪浅水变形采用分段计算 ， 每段始末波高变化仅考虑
浅水 效 应和 底摩 阻 ， 假 设周 期不 变 ， ： ＝Ｋ ・ 并 即 ， 式
计 算 ， 各计 算模 式 多处 于研 究 阶 段 ， 无 十 分 完 善 的 台 风 但 尚 浪 要 素推算 方 法 。有 学 者对 台风 波 浪 作 了进 一 步 的深 入 研
外还取决于摩擦系数。浅水区 中的波高还有另一限制。波
浪在 达 到平 衡状 态之 前 可能 已先 破 碎 。波 浪 一旦 开始 破 碎 ．
在海堤工程的各个设计参数中， 堤顶高程 的确定十分重
要 ， 为海 堤 的工程 量是 和 堤顶 高 程 的平 方 成 正 比的 。而堤 因 顶高 程取 决 于设 计高 潮位 加上 波 浪爬 高 和 安 全加 高 ， 中波 其 浪爬 高有 时要 远 大 于 潮 位 的影 响 。 在进 行 海 堤 波 浪爬 高 计 算之 前 ， 进行 波 浪要 素计 算工 作 《 防工 程 设 计 规 范》 Ｇ ５２６ ８ 、 相 堤 （ Ｂ０８ —９ ）
素。 ２ １ １ 风 区长 度 （ ．． Ｆ）
《 海港水文规范》删 ２３ ９ ） （ １ — ８ 等。就浙江省而言 ， 还有《 浙江
省 海塘 工程 技术 规定 》 。根 据浙 江 省 近 年来 在 实 际海 堤 工 程 中的应 用情 况 ， 文试 图对 海 堤工 程 波 浪要 素 计 算方 法 做 出 本 综 述分 析 ， 就相 关规 范 的适 用性 进行 探 讨 。 并
堤 设计 的 各种 重 现 期 波 浪 要 素 往 往 由 台风 波 浪 所 决 定 。而
算时 ， 采用相应年最高潮位 日的最大风速频率计算成果。从 上述各地对风速标准的规定来看 ， 对设计风速的要求是逐 步
提高 的 ， 用频 率风 速进 行 海堤 工程 设 计 较 采用 固定 级 别 风 采 速先 进 ， 现 了工程 等级 与 设计 保证 率 相 匹配 的思 想 。 体
有限风 区， 可不计人风时 的影响。当水域深 度较浅 时， 还将
受 水深 的影响 。当风 区 内的水 域深 度 大 致 均 匀 ， 明显 变 浅 无 或 变深 趋势 时 ， 可取 其平 均水 深 来 计 算 风 浪 要 素 ； 风 区 内 当 的水 深沿 风 向变化 较 大 时 ， 宜将 水 域 分成 几 段 来计 算 风 浪 要
现行具有代表性的 由风场推算波浪要素的方法有莆 田 试验站法 、Ｍ Ｓ Ｂ法、 青岛海洋大学法等 ， 介绍如下。 ａ ）莆田试验站法 ｌ。《 】 堤防工程设计规范》 Ｊ 中的风浪要
素计 算方 法采 用 该 法 。 当风 区 长 度 Ｆ小 于 等 于 １ ｍ 时 ， ０ ｋ ０ 可不计 人 风时 的影 响 ， 由已 知 的风 速 、 区长 度 Ｆ 和水 深 风 ｄ 可按 下式 确定 稳 定状 态 的 风 浪要 素 平 均 波 高 和 平均 波 ， 周期 。
用 的线 型 做 出规定 ， 《 防 工程 设 计 规 范》 指 出 ： 内 目 但 堤 中 国 前 常采 用皮 尔逊 Ⅲ型 分 布 ， 外 一般 采 用 魏伯 分 布 、 数 正 国 对 态分 布 、 值 Ｉ型 分 布 等 ， 对 适 线 情 况 进 行 分 析 后 采 用 。 极 需
范》 指出“ 考虑到 ２ 世纪 ７ ０ ０年代 以后， 国内气象站普遍采用
《 海港水文规范》 中指出 ： 可采用皮尔逊 Ⅲ型曲线 ， 当有条件
时 ， 以与 实测 资 料 拟 合 最 佳 为 原 则 ， 配 其 它 的 理 论 频 率 可 选 曲线 ， 如极 值 Ｉ 分布 、 型 对数 正态 分 布 和威 布 尔 分 布等 ， 终 最 确定 不 同重 现期 的设 计 波 浪 。 以下 着 重对 “ 推 浪 ” 法作 风 方 综 述分 析和 探讨 。 ２１ 风场 要 素 的确定 ．
ｇ Ｈ
波浪向近岸浅水区传递时， 会因水深变化以及底坡摩擦
等原因， 其波 要 素 发 生 变 化 ， 进 行 波 浪 浅 水 变 形 计 算 。 生 需
＝ ． ｔ ０７ ０１ ｈ ．（ ３［ ：１．［ ｙ ３９ｇ ｖ Ｈ］ ２
｝） （ １
（’ ２
（） ３
成于深水区的波浪 ， 当它不受任何进一步的风的作用而进入
并且最后达到一种平衡状态 ， 即风所传递的能量完全消耗 于 底摩擦 ， 因而对于波浪增 长已没有剩余 能量 可以借助 ， 这一
平衡 状态 下 的波 浪 特 征 值 既 取 决 于 水深 ， 取 决 于 风 速 ， 也 另
Ｗｉｏ ， ． ｌ ｎ Ｂ Ｗ． １５ ） ｓ （９５ 的移动风区分析方法， 对风场作简化处 理后， 仍用前述的风浪公式进行计算。 目前多推荐使用数值
继续 增 大 。 ２２ 由风 场推 算波 浪要 素 ．
内， 历史上最大的台风暴潮往往 发生在台风登陆期间 ， 如此
时 又逢 天文 大潮 高潮 位 ， 种大 风 风 浪 、 这 风暴 增 水 和 天 文 高 潮 位 三碰头 的 时刻 ， 往 就 是海 堤 经受 严 峻 考 验 的 时候 。所 往 以 ， 加 强对 台风 暴 潮 引起 的风 浪 、 水 机 制 和各 类 台 风 的 应 增 出 现概 率 ， 以及与 天 文大 潮 的遭 遇概 率 问题 的研 究 。 ２３ 波 浪传 播 变形计 算 ．
的方 法 ， 习惯 称 为“ 推浪 ” 法 ；２ 通 过有 长期 实 测 波 浪要 风 方 （）
素 的资料 来 推 算 周 围 邻 近 地 区 波 浪 要 素 的方 法 ， 惯 称 为 习
“ 浪推浪” 方法。“ 浪推浪” 法中进 行频率分析 时，堤 防工 方 《 程设计规范》 浙江省海塘工程技术规定》 和《 未对频率分析采
在计 算 风场要 素 以 前 ， 般需 要 根 据 当 地 累 年 风 速 、 一 风 频玫 瑰 图 以及水 域岸 线 ， 确定 对于 工 程 比较 不 利 的 几组 主 波
向（ 主风向） 。主波向亦是波浪折射变形和爬高计算必不可
少 的一项 输 入 。风 区是 指 风 向 、 速 大 致 相 近 的水 域 ， 风 风 从 区上 沿 （ 算 点 ） 向 到 计 算 点 的 距 离 。风 区长 度 与 设 计 风 起 风 向有 关 ， 计 风 向一 般 取 计 算 点 与 海 塘 轴 线 成 正 交 方 向 （ 设 称 主风 向 ） 。必要 时 应 验 算 左 、 各 ２ 、。４。 向 的 风 速 、 右 ２ ５、５方 风 区 ， 行 波要 素的 比较 计 算 ， 其 不利 者 。在 海 湾 、 口段 等 进 取 河 有 限水 域 中 ， 区受 水 域 岸 线 边 界 的 限 制 ， 宽 度 常 远小 于 风 其 其 长度 ， 限制 了风浪 的成 长 。 ２１２ 设 计风 速 （ ） ．． 计 算 风浪 要 素 的 风 速 均 以 海 平 面 以上 １ 处 风 速 为 ０ｍ 准 ， 内外 对此 的规 范一 致 。对 风速 时距 ，堤 防工 程 设 计 规 国 《
风波 浪要 素 等 ， 对各种 有 关规 范 的适 用性 作 了探 讨 。 并 关键 词 ： 工 程 ； 浪要 素 ； 场要 素 ； 海堤 波 风 波浪 传播 变形 中 图分 类号 ：Ｖ ３ 、 Ｔ １９２
１ 引言
文 献标 识码 ： Ｂ
文章 编号 ： ０． ３（０５０． ４． １ １ ２５２０ ） ０ ８ ３ ０ ９ ３０ ０ 风 浪 的成 长取 决 于 风 区 、 速 和 风 时等 风 场 要 素 ， 于 风 对
从本文所介绍的波浪要素计算方法可以看 出， 田试验 莆 站法 的设计波高与波周期是一一对应的， Ｓ Ｂ法 、 但 Ｍ 青岛海
洋 大学 法 的 同一波 高 并非 只对 应 一 个周 期 。 比如 ， 速 与 吹 风
程的两种不 同组合 ， 以得 出同一波 高， 可 但得 出的周期并不 相同。这个 问题值得进一步探讨。 需要进一步深 入研 究的还有 台风对海堤的影响。东南 沿海 的海堤受 台风 （ 包括热 带风 暴， 同） 下 影响频繁 ， 于海 用
前述的波浪 要素推算方法 ， 仅仅适 用于相对稳 定风 区的情 在浅水区中成长 的波 ， 波高受到两个 因素 的限制 ， 即底
部摩 擦 和破碎 。在 波 浪 成 长 过程 中 ， 底摩 擦 是 随 之增 加 的 ， 况 。如风 区本 身具 有 较大 的 移动 速 度时 ， 如 风 场在 时 间 和 例 空 间 上都 在变 化 着 的 台 风 ， 过去 多 根据 Ｋ ｐ ｎ ．１５ ） ａｌ ，Ｋ （９ ３ 或 ａ
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人 民珠 江
Ｐ Ａ ＬＲＶ Ｒ ２０ 年 第 ３ Ｅ Ｒ ＩＥ ・ ５ ０ 期
海 堤工程 波浪要 素计算分析 与探讨
贺 海 洪 ， 海 忠 胡
（ 浙江 省钱 塘 江管理 局 ， 浙江 杭 州 ３０ １） １ ６ ０
摘
要： 综合论述了海堤工程波浪要素计算方法， 包括 由风场要 素推算设计波要素、 波浪传播 变形 以及如何 考虑 台
究 ［［ ６７ 。对台风波浪要素计 算 ， ３ ３ 笔者认 为 ， 除了要考虑到
台风风 场是 旋 转 和 移 动 的 以 外 ， 要 考虑 到 以 下 因 素 ： 风 还 台 暴 潮 引起 的最 大增 水 多数 发生 在 台风 登 陆前 后 的 ０ ５小 时 ～
风传给波浪所增加的能量便为破碎波峰所消耗， 波浪不会再