水工設計中波高的計算方法探討

摘 要：隨著社會的發展，水利工程項目的數量和規模都不斷的擴大，有效的水工設計是整個水利工程中的重要環節和部分。水工設計質量的高低，會直接影響到整個水利工程的施工質量，因此，在水利工程設計階段要做好科學的規劃，主要包括對工程的材料、進度、成本、人員和工序等。另外，水工設計中波高的計算對設計的可靠性影響比較大，因此，文章結合水工設計中重力壩和土石壩兩種波高計算方法，做了具體的分析和比較，為水工設計中波高的計算提供了科學依據。

關鍵詞：水工設計；波高；計算方法

引言

在水利工程建設中，水工設計是一個重要的環節，對工程的質量有很大的影響。在水中建筑物設計的過程中，明確重力壩、土壩等壩頂的高度中，需要考慮波高的影響。一般在波浪中心線到靜水位的高度（h2）使用波高來計算，在做浪壓力計算的過程中，h也是一個比較重要的影響因素，因此，在水利工程的設計中，需要重點考慮波高的計算。

目前，大中型的水利水電工程中，風浪的隨機波動比較頻繁，不穩定，隨機性比較大，所以，波高的保證率就是指一段時間內，大于某個具體波高的累積概率。例如，在持續觀測到的100個波高中，將這些波高按照大小順序重新進行排列，在這個過程中，第一個拔高的最大保證率為1%，將波高標記為h1%，所以，以此類推，第n個波高的保證率就成為n%，具體的波高為hn%。同時，另外一種方法是使用特征波高來進行波高h1/n的表示，一般由第1個波高到第33個波高的平均值計算，表示為h1/33來表示，這也被稱為有效波高。具體波高對應的保證率為13.5%。

1 計算方法的比較

水工設計中，一般可以按照各種水中建筑物的設計規范來進行規范性的設計，同時，根據相關建筑物的不同級別進行波高保證率的選用。具體的設計中，一般1級的水工設計中，建筑物的保證率為1%，2級建筑物的保證率為2%，3-5級建筑物的保證率為5%。水工設計中，要根據具體工程的等級，選取一定的波高保證率，所以，需要在設計中對各種累積頻率的波高進行計算[1]。確定了有效波高、平均波高，以及一定保證率的波高，就能計算出其余波高的值，主要是按照重力壩和土石壩兩種方式進行計算。

1.1 采用土石壩規范來計算波高

根據土石壩規范來計算波高，一般可以采用鶴地公式、官廳公式或者是安德烈揚諾夫公式，首先，可以求出具體的hp，相關專家認為需要驗證hm/H的值是不是小于0.1，但是這種說法還存在一定的不足之處。例如hp1/hm=a，同時，hp2/hm=b，所以hp1/hp2=a/b，但是具體的計算中，a、b兩個數值不同，但是比值在小于0.1，或者是0.1-0.2兩個具體的范圍中，但是不同的累積波高頻率卻存在比值相同的情況，因此，在波高的計算中，使用換算系數就能快速的求出其他頻率的波高值[2]。另外，在水中設計中，對波長、波高和浪壓力進行計算時，hm是一個中間值，但是最終要計算的是其他累積頻率的波高，因此，hm的求解不是很重要，對具體的計算影響不大。

在采用莆田公式進行計算的過程中，可以求得具體的平均波高，并計算出hm/H的值是否小于0.1，或者是否在0.1-0.2之間。同時，使用hm來和相應數值進行相乘，就能得到對應的超值累積概率波高。

1.2 采用重力壩規范來進行波高計算

一般，在重力壩規范的波高計算中，如果采用鶴地公式、官廳公式和安德烈揚諾夫公式進行波高計算，一般可以先求出具體的hp，然后開始計算hp/H的值，再根據對應的累積概率p對應的數值，和hm/H進行相乘，根據得到的積選擇接近的數值[3]。雖然這種方法采用的值和準確值比較接近，但是難免會存在一些誤差，所以，經過這個過程求的是初始的解hm，計算hm/H的過程中，可以根據內插法進行計算，取得hp/hm的精確值，同時，可以通過計算求得hm，算出hm/H。使用內插法可以求取設計中需要用到的累積波高，最后求得具體的hp值。

另外，如果使用莆田公式進行計算，一般可以直接求出hm，根據hm=A，使用內插法來求得hp/hm=B，根據求得的累積波高值，來計算具體的波高hp的值。

2 計算公式

目前，在水工設計中，對波高的計算公式比較多，對波高的計算中，主要考慮的是風速V0和吹程D兩個方面的因素，使用比較多的計算方法包括：官廳計算公式、鶴地公式、安德烈揚諾夫公式和莆田公式。具體如下：

2.1 官廳公式

官廳公式具體可以表示為h=0.0166V05/4D1/3，公式中，吹程D的單位使用km表示，或者使用gh/V02=0.0076V0-1/12（gD/V02）來計算。這個公式一般在內陸地區的峽谷水庫水工設計中使用的比較多，對波高的計算也比較有效。

2.2 鶴地公式

水工設計中，計算波高使用鶴地公式一般可以表示為gh2%/V02=0.00625V01/8[gD/V02]1/3。鶴地公式對波高的計算，比較適合于平原丘陵地區，其中，風速一般小于26.5m/s，吹程一般小于7.5km。

2.3 安德烈揚諾夫公式

安德烈揚諾夫公式，表示為h=0.0208V05/4D1/3，其中，一般比較適用于深水波的計算。

2.4 莆田公式

莆田公式分為深水波和潛水波，主要表示為，ghm/V02=0.13th[0.0138（gD/V02）0.45]（深水波的計算）；ghm/V02=0.13th[0.7（gH/V02）0.7]（淺水波）。這種計算方法比較實用在平原地區的水工設計中。

3 水工設計中的一些問題

3.1 風速的計算問題

在水利工程建設中，進行水工設計，風速也是一個影響比較大的因素。最大風速系就是指在距離水庫10m處的最大風速，往往會比陸地氣象站的風速儀計量的數據要大，存在一定的差距，所以，國外的壩工設計手冊中，提出可以將陸地氣象站中測量的風速大小，增大一定的百分數來求取庫面的風速值大小。一般的計算中，當風速吹程<1.6km時，庫面的風速相應的增大10%，當風速的吹程>6.5km時，庫面的風速就相應的增大30%左右，如果陸地測量的風速吹程在兩者之間，庫面的風速吹程就增大20%左右。

3.2 吹程因素的影響

在水工設計中，吹程的影響因素也需要充分的考慮，吹程使用D來表示，主要是指壩前到水庫對岸中，水面的最大直線距離。同時，一些比較長的水域，或者是水庫，吹程水面中存在局部的縮窄，而且寬度小于12倍的波長時，在相關的計算中，就能夠取近似值D=5B來使用。一般情況下，吹程越大浪就會越高，對水利建筑的影響也就越大，因此，設計中要充分的考慮吹程的影響。

4 結束語

在水工設計中，進行波高的計算是整個設計比較有效的關鍵，因此，要針對具體的水工設計，選擇不同的計算方式。目前的波高計算中，主要用到的是土石壩和重力壩方式來計算，其中，用土石壩來計算波高，可以借助換算系數，方法比較簡單，計算速度也相對較快。使用重力壩計算波高時，方法比較繁瑣，但是具體的計算結果比較準確。隨著波高的增大，差異也會逐漸的增大，所以，在具體的施工設計中，要根據工程的情況，估計波高，選擇有效的方法來計算波高。

參考文獻

[1]劉楠.波高采集及數據處理分析系統[D].天津理工大學，2012.

[2]張曉佳.水工設計中存在的問題及對策分析[J].民營科技，2015，7：130.

[3]趙衛軍.AutoCAD二次開發在水利工程設計中的應用[J].水利與建筑工程學報，2011，1：101-103.