波浪要素

波浪要素是表征波浪運動性質和形態的各主要物理量。港內波浪的大小是衡定防波堤掩護效果的有效標準，是最佳化防波堤布置的重要依據，因此進行防波堤掩護下的港內設計波浪要素計算是工程設計過程中必不可少的環節。

基本介紹

• 中文名：波浪要素
• 外文名：wave elements
• 表現於：表征波浪運動性質和形態
• 主要要素：波高、 波長和波速
• 方法：規範方法、數學模型、物理模型
• 所屬學科：海洋工程

背景

在港口工程設計過程中，為減小波浪對港區的影響，通常在外側建設防波堤進行掩護，港內波浪的大小是衡定防波堤掩護效果的有效標準，是最佳化防波堤布置的重要依據，因此進行防波堤掩護下的港內設計波浪要素計算是工程設計過程中必不可少的環節。 波浪從外海向近海傳播的過程中，受到淺水變形、折射、底摩擦等各種作用的影響，當遇到防波堤的掩護傳播到港池內部時，發生繞射，進入港池內部後，又受到反射等作用的影響，多種作用的影響使得波浪到達近岸後的傳播變得複雜，也使得計算過程變得複雜。

波浪要素簡介

波浪要素示意圖

波浪高出靜止水面的水體稱為波峰， 波峰的最高點稱為波頂。 波浪低於靜止水面的空間稱為波谷， 波谷的最低點稱為波底。 波頂與波底之間的垂直距離稱為波高h。 前後兩相鄰的波頂(或波底)之間的水平距離稱為波長λ。波高h與波長λ的比值h/λ稱為波陡。沿著波浪前進方向由波頂到波底的波浪表面稱為前坡。沿著相反方向由波頂到波底的波浪表面稱為後坡。平分波高的水平線稱為波浪中線。 一般波峰部分均較波谷部分窄瘦， 故靜水面至波峰的距離均大於靜水面至波谷的距離。 因此波浪中線位於靜水面之上， 其超出的高度稱為超高τo。 重複一個完整的波動過程所經歷的時間稱為周期τ。 波峰沿水平方向移動的速度稱為波速c。

設計波浪要素

波浪的設計標準包括:

(1)設計波浪的重現期;

(2)設計波高的波列累積率。

在《浙江省海塘工程技術規定》中,波浪的設計重現期採用與設計高潮位相同的重現期。確定設計波浪要素的方法有兩種:

(1)由當地風場要素推算波浪要素的方法,習慣稱為“風推浪”方法;

(2)通過有長期實測波浪要素的資料來推算周圍鄰近地區波浪要素的方法,習慣稱為“浪推浪”方法。

《堤防工程設計規範》中指出:國內目前常採用皮爾遜Ⅲ型分布,國外一般採用魏伯分布、對數常態分配、極值Ⅰ型分布等,需對適線情況進行分析後採用。《海港水文規範》中指出:可採用皮爾遜Ⅲ型曲線,當有條件時,可以與實測資料擬合最佳為原則,選配其它的理論頻率曲線,如極值Ⅰ型分布、對數常態分配和威布爾分布等,最終確定不同重現期的設計波浪。

風場要素確定

風浪的成長取決於風區、風速和風時等風場要素,對於有限風區,可不計入風時的影響。當水域深度較淺時,還將受水深的影響。當風區內的水域深度大致均勻,無明顯變淺或變深趨勢時,可取其平均水深來計算風浪要素;當風區內的水深沿風向變化較大時,宜將水域分成幾段來計算風浪要素。

風區長度(F)

在計算風場要素以前,一般需要根據當地累年風速、風頻玫瑰圖以及水域岸線,確定對於工程比較不利的幾組主波向(主風向)。主波向亦是波浪折射變形和爬高計算必不可少的一項輸入。風區是指風向、風速大致相近的水域,從風區上沿(起算點)風向到計算點的距離。風區長度與設計風向有關,設計風向一般取計算點與海塘軸線成正交方向(稱主風向)。必要時應驗算左、右各22.5°、45°方向的風速、風區,進行波要素的比較計算,取其不利者。在海灣、河口段等有限水域中,風區受水域岸線邊界的限制,其寬度常遠小於其長度,限制了風浪的成長。

設計風速(Vap)

計算風浪要素的風速均以海平面以上10m處風速為準,國內外對此的規範一致。對風速時距,《堤防工程設計規範》指出“考慮到20世紀70年代以後,國內氣象站普遍採用自記風速儀,一般為自記10min平均風速,因此本規範採用此風速。”設計風速的標準究竟應如何來定,《堤防工程設計規範》規定,當設計波浪採用風速進行推算時,計算風速重現期可採用設計潮位的重現期。《海港水文規範》規定當採用風速資料確定不同重現期的設計波浪時,設計風速採用設計重現期的年頻率分析成果。對於風浪,如設計高潮位為100年一遇,浙江省規定在設計高潮位下加同頻率風速的影響,而上海市、青島市為在設計高潮位下加12級風影響,天津市為設計高潮位下加7級風影響。廣東省在20世紀50年代就確定按海堤捍衛面積大小分別採用8、9、10級風速。1997年廣東省將海堤設計風速提高到按海堤捍衛面積大小分別採用9、10、11級風速。1998年廣東省要求在進行風浪爬高計算時,採用相應年最高潮位日的最大風速頻率計算成果。從上述各地對風速標準的規定來看,對設計風速的要求是逐步提高的,採用頻率風速進行海堤工程設計較採用固定級別風速先進,體現了工程等級與設計保證率相匹配的思想。

水深(d)

在淺水區中成長的波,波高受到兩個因素的限制,即底部摩擦和破碎。在波浪成長過程中,底摩擦是隨之增加的,並且最後達到一種平衡狀態,即風所傳遞的能量完全消耗於底摩擦,因而對於波浪增長已沒有剩餘能量可以藉助,這一平衡狀態下的波浪特徵值既取決於水深,也取決於風速,另外還取決於摩擦係數。淺水區中的波高還有另一限制。波浪在達到平衡狀態之前可能已先破碎。波浪一旦開始破碎,風傳給波浪所增加的能量便為破碎波峰所消耗,波浪不會再繼續增大。

波浪傳播變形

波浪向近岸淺水區傳遞時,會因水深變化以及底坡摩擦等原因,其波要素髮生變化,需進行波浪淺水變形計算。生成於深水區的波浪,當它不受任何進一步的風的作用而進入淺水區時,水底的底坡摩擦使波高減小。另一方面水深漸淺,使波高增大。此外,波浪折射和繞射為比較常見的另兩類波浪傳播變形。

計算方法

在現階段的研究過程中，用來計算港內波浪要素的計算方法主要有：規範方法、數學模型計算方法、物理模型計算方法，這三種方法各有利弊：規範計算方法簡單快捷，但無法綜合考慮各種因素的影響；數學模型計算方法較規範計算方法程式複雜，比物理模型計算方法簡單，可以綜合考慮多種因素的影響，但計算過程需設定各種邊界條件跟參數，計算結果受人為影響較大；物理模型試驗可以較準確的模擬工程邊界條件，計算結果可靠性最強，但需要前期調查、場地建模、模擬作用，受場地限制，周期較長，費用高。

規範方法

《海港水文規範》（JTS145-2-2013）中規定：港內波浪要素的計算應以波浪繞射為主；在港內水深變化較大時，應同時考慮繞射與折射；在港域邊界為直立牆或陡坡時，應同時考慮繞射與反射；港域風區長度超過 1km 時，應同時考慮繞射波與局部風浪的合成。

數學模型方法

隨著計算機技術的發展，波浪數學模型計算方法也逐漸的產生和發展，目前已有不少成熟的模型在工程上被套用，例如 MIKE21、SWAN、HARBD 等軟體包。這些方法經過不斷的發展和完善，已經在許多工程建設時的前期研究中被套用過。

物理模型方法

物理模型方法是將研究海域的工程布置情況及海浪運動形態按照相似準則進行比例縮小，在實驗室復演海浪與工程的相互作用，人工控制下模擬不同工況和波浪入射情況以研究波浪對工程的影響。在進行港內設計波浪要素研究時，需要把港口及地形都按照一定的比例進行縮小進行試驗，這稱作整體物理模型試驗。在進行試驗時，模型比例尺根據不同條件來確定，大比例尺模型與原型相似性好，得出的結果精確度高。