[科普中国]-波浪要素

背景

在港口工程设计过程中，为减小波浪对港区的影响，通常在外侧建设防波堤进行掩护，港内波浪的大小是衡定防波堤掩护效果的有效标准，是优化防波堤布置的重要依据，因此进行防波堤掩护下的港内设计波浪要素计算是工程设计过程中必不可少的环节。 波浪从外海向近海传播的过程中，受到浅水变形、折射、底摩擦等各种作用的影响，当遇到防波堤的掩护传播到港池内部时，发生绕射，进入港池内部后，又受到反射等作用的影响，多种作用的影响使得波浪到达近岸后的传播变得复杂，也使得计算过程变得复杂。

简介

波浪高出静止水面的水体称为波峰， 波峰的最高点称为波顶。 波浪低于静止水面的空间称为波谷， 波谷的最低点称为波底。 波顶与波底之间的垂直距离称为波高h。 前后两相邻的波顶(或波底)之间的水平距离称为波长λ。波高h与波长λ的比值h/λ称为波陡。沿着波浪前进方向由波顶到波底的波浪表面称为前坡。沿着相反方向由波顶到波底的波浪表面称为后坡。平分波高的水平线称为波浪中线。 一般波峰部分均较波谷部分窄瘦， 故静水面至波峰的距离均大于静水面至波谷的距离。 因此波浪中线位于静水面之上， 其超出的高度称为超高τo。 重复一个完整的波动过程所经历的时间称为周期τ。 波峰沿水平方向移动的速度称为波速c。1

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》中,波浪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的方法,习惯称为“风推浪”方法;

(2)通过有长期实测波浪要素的资料来推算周围邻近地区波浪要素的方法,习惯称为“浪推浪”方法。

《堤防工程设计规范》中指出:国内目前常采用皮尔逊Ⅲ型分布,国外一般采用魏伯分布、对数正态分布、极值Ⅰ型分布等,需对适线情况进行分析后采用。《海港水文规范》中指出:可采用皮尔逊Ⅲ型曲线,当有条件时,可以与实测资料拟合最佳为原则,选配其它的理论频率曲线,如极值Ⅰ型分布、对数正态分布和威布尔分布等,最终确定不同重现期的设计波浪。

风场要素的确定风浪的成长取决于风区、风速和风时等风场要素,对于有限风区,可不计入风时的影响。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,无明显变浅或变深趋势时,可取其平均水深来计算风浪要素;当风区内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素。

风区长度(F)在计算风场要素以前,一般需要根据当地累年风速、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、风速大致相近的水域,从风区上沿(起算点)风向到计算点的距离。风区长度与设计风向有关,设计风向一般取计算点与海塘轴线成正交方向(称主风向)。必要时应验算左、右各22.5°、45°方向的风速、风区,进行波要素的比较计算,取其不利者。在海湾、河口段等有限水域中,风区受水域岸线边界的限制,其宽度常远小于其长度,限制了风浪的成长。

设计风速(Vap)计算风浪要素的风速均以海平面以上10m处风速为准,国内外对此的规范一致。对风速时距,《堤防工程设计规范》指出“考虑到20世纪70年代以后,国内气象站普遍采用自记风速仪,一般为自记10min平均风速,因此本规范采用此风速。”设计风速的标准究竟应如何来定,《堤防工程设计规范》规定,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。《海港水文规范》规定当采用风速资料确定不同重现期的设计波浪时,设计风速采用设计重现期的年频率分析成果。对于风浪,如设计高潮位为100年一遇,浙江省规定在设计高潮位下加同频率风速的影响,而上海市、青岛市为在设计高潮位下加12级风影响,天津市为设计高潮位下加7级风影响。广东省在20世纪50年代就确定按海堤捍卫面积大小分别采用8、9、10级风速。1997年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、10、11级风速。1998年广东省要求在进行风浪爬高计算时,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,采用频率风速进行海堤工程设计较采用固定级别风速先进,体现了工程等级与设计保证率相匹配的思想。

水深(d)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,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,也取决于风速,另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,风传给波浪所增加的能量便为破碎波峰所消耗,波浪不会再继续增大。2

波浪传播变形计算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,需进行波浪浅水变形计算。生成于深水区的波浪,当它不受任何进一步的风的作用而进入浅水区时,水底的底坡摩擦使波高减小。另一方面水深渐浅,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。2

计算方法在现阶段的研究过程中，用来计算港内波浪要素的计算方法主要有：规范方法、数学模型计算方法、物理模型计算方法，这三种方法各有利弊：规范计算方法简单快捷，但无法综合考虑各种因素的影响；数学模型计算方法较规范计算方法程序复杂，比物理模型计算方法简单，可以综合考虑多种因素的影响，但计算过程需设置各种边界条件跟参数，计算结果受人为影响较大；物理模型试验可以较准确的模拟工程边界条件，计算结果可靠性最强，但需要前期调查、场地建模、模拟作用，受场地限制，周期较长，费用高。

规范方法《海港水文规范》（JTS145-2-2013）中规定：港内波浪要素的计算应以波浪绕射为主；在港内水深变化较大时，应同时考虑绕射与折射；在港域边界为直立墙或陡坡时，应同时考虑绕射与反射；港域风区长度超过 1km 时，应同时考虑绕射波与局部风浪的合成。

数学模型方法随着计算机技术的发展，波浪数学模型计算方法也逐渐的产生和发展，目前已有不少成熟的模型在工程上被应用，例如 MIKE21、SWAN、HARBD 等软件包。这些方法经过不断的发展和完善，已经在许多工程建设时的前期研究中被应用过。

物理模型方法物理模型方法是将研究海域的工程布置情况及海浪运动形态按照相似准则进行比例缩小，在实验室复演海浪与工程的相互作用，人工控制下模拟不同工况和波浪入射情况以研究波浪对工程的影响。在进行港内设计波浪要素研究时，需要把港口及地形都按照一定的比例进行缩小进行试验，这称作整体物理模型试验。在进行试验时，模型比例尺根据不同条件来确定，大比例尺模型与原型相似性好，得出的结果精确度高。3