海堤設計波高計算

劉 智

(營口市水利勘測建筑設計院，遼寧 營口 115000)

在海堤工程設計中，波浪要素計算是確定工程造價、建筑物型式等最基本的參數，工程地點測波點資料統計值一般不能直接采用，需要根據規范要求把測波點的波浪要素進行淺水變形計算換算至堤前波高、周期及波長，并經頻率分析確定堤前設計波高、周期值。現行的GB/T 51015—2014《海堤工程設計規范》中關于海堤波浪要素計算方法沒有具體列出，參照JTJ 213—87《港口工程技術規范》，同時根據在大遼河河口海堤工程設計中對近岸的測波資料按照規范要求，作了比較詳細的推算，積累了一些經驗。

1 波高統計值的概念

當工程地點有20a以上的長期測波資料，設計波高可采用某一累積頻率的年最大波高系列進行頻率分析的方法確定。堤前設計波高、周期值的重現期采用設計潮位的重現期。風浪是屬于不規則波列，實測資料表明，通過固定點的風浪是由振幅和周期各不相同的波列組成的。海上固定點連續觀測到的一系列風浪的波高、周期，先后出現的數值是雜亂無章的。但是將波高或周期按大小的次序排列并加以統計整理，所得的結果表明，它們遵從一定的分布規律。目前在工程設計中，常采用某些波高統計特征值來描述波列大小。波高統計特征值通常用波列中某部分波高的平均值和某一“累計頻率”的波高來表示。

以某部分波高的平均值作為統計特征值的有：①平均波高H平均，把連續觀測到的大小不同的波高逐個加起來，再除以波高的總個數，可得平均波高H平均。②有效波高H1/3，把連續觀測到的波高，按從大到小的遞減順序排列起來，并把波高分為數目相等的3等分，取其中最大的那一部分的波高平均值，為有效波高H1/3，也稱作三分之一大波平均值。③十分之一大波H1/10，把按遞減順序排列起來的波高分成10等分，取其中波高最大的那一等分的平均值為十分之一大波高H1/10，也稱為顯著波高。

以某一“累計頻率”的波高作為統計特征值的有：H1%、H4%、H13%等。所謂某一累積頻率(F%)對應的波高，即將一次固定點連續測得的波高系列，按由大至小的遞減順序排列起來，取遞減系列中第i個波高Hi。如果大于和等于Hi的波高個數占總波高個數的F%，則波高Hi稱為累積頻率(F%)對應的波高，并記作HF%。

為了不同的實用目的，往往需要不同的波高統計特征值。在大遼河河口海堤工程中的測波點基本資料為H1/10的大波統計值，而在工程計算中需要的是不同頻率的平均波高值。各種波高統計特征值之間的關系在淺水條件下，JTJ 213—87采用蘇聯格魯霍夫斯基(Глуховский)的淺水波高統計分布關系，計算出測波點平均波高。

2 計算測波點平均波高及周期的確定

2.1 測波點平均波高的確定

根據不同的部分大波與累積頻率的關系，將基本資料大波波高化為某一累積率的波高，即H1/10≌H4%。

在淺水條件下，JTJ 213—87采用蘇聯格魯霍夫斯基的淺水波高統計分布關系。根據格氏的的淺水特征波高間的換算關系見GB/T 51015—2014表6.1.3。先假定平均波高，根據測點水深，經試算可推出測波點平均波高。

2.2 波周期確定

波高較大的波周期未必是大的，即二者的大小次序并不完全對應，波周期常用的是平均周期T平均，在工程設計中，對于不同波高累積頻率的波，均以平均周期作為它的計算周期。

波周期特征值與波高特征值相對應。理論上計算對應于波高HF或H1/P的波周期是有困難的，目前多采用經驗方法從實測資料中求得顯著周期與平均周期的關系為：

T1/10=1.31T平均

(1)

據此可以推算出測點的平均周期。大遼河河口海堤工程資料中提供的為平均周期，不需換算，直接引用。

2.3 堤前平均波高及周期的確定

根據測波點的水深及距堤線距離，按照GB/T 51015—2014及JTJ 213—87并結合由華東水利學院、農牧漁業部水產局出版的《漁港工程》要求進行波浪淺水變形計算，推求堤前各年平均波高。然后根據各年堤前平均波高值按皮Ⅲ型分布曲線進行頻率分析，最后確定堤前計算平均波高值。按照GB/T 51015—20146.1.5條款確定波周期在由測波點向堤前傳播過程中保持不變。

本工程中海洋站現有20a的實測資料，波高在向堤前傳播過程中，傳播距離較長，水底坡度平緩，因此除考慮淺水系數的影響外，還應考慮水底摩阻的作用，根據測波點的水深及距岸邊距離推求各年堤前平均波高。

波高由測點向堤前的推求按下式計算：

(2)

式中，Ksp/Ks1—淺水系數，按JTJ213—87查得；Kf—底摩阻系數，按《漁港工程》圖3—47查得；H—各年堤前平均波高，m；H1—各年測波點波高，m。

3 大遼河海堤平均波高確定

3.1 大遼河河口海堤工程概況

大遼河在營口區段呈U字形，由西向東折轉成自東向西流入渤海灣，營口市主城區沿大遼河分布，大遼河入海口四道溝—西炮臺—永遠角段海堤多為低矮的土堤或民堤，防洪標準不足10a，局部甚至不足5a，特別是在汛期高潮與大遼河上游洪峰相遇重疊的機率較大，經常出現破堤現象，近十幾年來遼南地區受臺風、暴雨的襲擊，給營口市城區防洪安全帶來極大威脅。

營口市大遼河河口堤防整治工程南部自四道溝大遼河入海口與民興河入海口交界處開始，向北經西炮臺至永遠角與大遼河護岸連接，堤線總長11.552km，沿線布設穿堤建筑物11座。

3.2 大遼河河口海堤堤前平均波高確定

經計算大遼河河口海堤工程各年堤前平均波高見表1。

表1 堤前平均波高及周期表

按照GB/T 51015—2014及JTJ 213—87，設計波高不應大于該處的極限波高。工程堤前平均水深為d=1.06m，按照上述規定，堤前極限波高H極限=0.78d=0.827m。工程堤防設計標準為百年一遇，經比較，H極限小于H1%，因此堤前設計波高采用堤前極限波高，即=0.827m。平均波高、周期頻率分析成果見表2。

表2 平均波高、周期頻率分析成果表

4 結語

本文以大遼河河口海防堤工程具體實例，對近岸有20a以上系列測波點觀測值，通過波浪淺水變形計算，推求堤前各年平均波高，然后根據各年堤前平均波高值按皮Ⅲ型分布曲線進行頻率分析，最后確定堤前計算平均波高值。計算出堤前不同重現期設計波高、周期值，從而為確定堤防頂高程、堤防抗凍計算、護面厚度等方面提供計算參數。堤前設計波高、波長、周期值的重現期同設計潮位的重現期。大遼河河口海防堤工程現已按設計建成多年，運行情況良好。因此，該工程設計中采用此計算方法比較合理，為今后類似工程設計波高計算提供良好的范例與經驗。