海堤设计波高计算

刘 智

(营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000)

在海堤工程设计中，波浪要素计算是确定工程造价、建筑物型式等最基本的参数，工程地点测波点资料统计值一般不能直接采用，需要根据规范要求把测波点的波浪要素进行浅水变形计算换算至堤前波高、周期及波长，并经频率分析确定堤前设计波高、周期值。现行的GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》中关于海堤波浪要素计算方法没有具体列出，参照JTJ 213—87《港口工程技术规范》，同时根据在大辽河河口海堤工程设计中对近岸的测波资料按照规范要求，作了比较详细的推算，积累了一些经验。

1 波高统计值的概念

当工程地点有20a以上的长期测波资料，设计波高可采用某一累积频率的年最大波高系列进行频率分析的方法确定。堤前设计波高、周期值的重现期采用设计潮位的重现期。风浪是属于不规则波列，实测资料表明，通过固定点的风浪是由振幅和周期各不相同的波列组成的。海上固定点连续观测到的一系列风浪的波高、周期，先后出现的数值是杂乱无章的。但是将波高或周期按大小的次序排列并加以统计整理，所得的结果表明，它们遵从一定的分布规律。目前在工程设计中，常采用某些波高统计特征值来描述波列大小。波高统计特征值通常用波列中某部分波高的平均值和某一“累计频率”的波高来表示。

以某部分波高的平均值作为统计特征值的有：①平均波高H平均，把连续观测到的大小不同的波高逐个加起来，再除以波高的总个数，可得平均波高H平均。②有效波高H1/3，把连续观测到的波高，按从大到小的递减顺序排列起来，并把波高分为数目相等的3等分，取其中最大的那一部分的波高平均值，为有效波高H1/3，也称作三分之一大波平均值。③十分之一大波H1/10，把按递减顺序排列起来的波高分成10等分，取其中波高最大的那一等分的平均值为十分之一大波高H1/10，也称为显著波高。

以某一“累计频率”的波高作为统计特征值的有：H1%、H4%、H13%等。所谓某一累积频率(F%)对应的波高，即将一次固定点连续测得的波高系列，按由大至小的递减顺序排列起来，取递减系列中第i个波高Hi。如果大于和等于Hi的波高个数占总波高个数的F%，则波高Hi称为累积频率(F%)对应的波高，并记作HF%。

为了不同的实用目的，往往需要不同的波高统计特征值。在大辽河河口海堤工程中的测波点基本资料为H1/10的大波统计值，而在工程计算中需要的是不同频率的平均波高值。各种波高统计特征值之间的关系在浅水条件下，JTJ 213—87采用苏联格鲁霍夫斯基(Глуховский)的浅水波高统计分布关系，计算出测波点平均波高。

2 计算测波点平均波高及周期的确定

2.1 测波点平均波高的确定

根据不同的部分大波与累积频率的关系，将基本资料大波波高化为某一累积率的波高，即H1/10≌H4%。

在浅水条件下，JTJ 213—87采用苏联格鲁霍夫斯基的浅水波高统计分布关系。根据格氏的的浅水特征波高间的换算关系见GB/T 51015—2014表6.1.3。先假定平均波高，根据测点水深，经试算可推出测波点平均波高。

2.2 波周期确定

波高较大的波周期未必是大的，即二者的大小次序并不完全对应，波周期常用的是平均周期T平均，在工程设计中，对于不同波高累积频率的波，均以平均周期作为它的计算周期。

波周期特征值与波高特征值相对应。理论上计算对应于波高HF或H1/P的波周期是有困难的，目前多采用经验方法从实测资料中求得显著周期与平均周期的关系为：

T1/10=1.31T平均

(1)

据此可以推算出测点的平均周期。大辽河河口海堤工程资料中提供的为平均周期，不需换算，直接引用。

2.3 堤前平均波高及周期的确定

根据测波点的水深及距堤线距离，按照GB/T 51015—2014及JTJ 213—87并结合由华东水利学院、农牧渔业部水产局出版的《渔港工程》要求进行波浪浅水变形计算，推求堤前各年平均波高。然后根据各年堤前平均波高值按皮Ⅲ型分布曲线进行频率分析，最后确定堤前计算平均波高值。按照GB/T 51015—20146.1.5条款确定波周期在由测波点向堤前传播过程中保持不变。

本工程中海洋站现有20a的实测资料，波高在向堤前传播过程中，传播距离较长，水底坡度平缓，因此除考虑浅水系数的影响外，还应考虑水底摩阻的作用，根据测波点的水深及距岸边距离推求各年堤前平均波高。

波高由测点向堤前的推求按下式计算：

(2)

式中，Ksp/Ks1—浅水系数，按JTJ213—87查得；Kf—底摩阻系数，按《渔港工程》图3—47查得；H—各年堤前平均波高，m；H1—各年测波点波高，m。

3 大辽河海堤平均波高确定

3.1 大辽河河口海堤工程概况

大辽河在营口区段呈U字形，由西向东折转成自东向西流入渤海湾，营口市主城区沿大辽河分布，大辽河入海口四道沟—西炮台—永远角段海堤多为低矮的土堤或民堤，防洪标准不足10a，局部甚至不足5a，特别是在汛期高潮与大辽河上游洪峰相遇重叠的机率较大，经常出现破堤现象，近十几年来辽南地区受台风、暴雨的袭击，给营口市城区防洪安全带来极大威胁。

营口市大辽河河口堤防整治工程南部自四道沟大辽河入海口与民兴河入海口交界处开始，向北经西炮台至永远角与大辽河护岸连接，堤线总长11.552km，沿线布设穿堤建筑物11座。

3.2 大辽河河口海堤堤前平均波高确定

经计算大辽河河口海堤工程各年堤前平均波高见表1。

表1 堤前平均波高及周期表

按照GB/T 51015—2014及JTJ 213—87，设计波高不应大于该处的极限波高。工程堤前平均水深为d=1.06m，按照上述规定，堤前极限波高H极限=0.78d=0.827m。工程堤防设计标准为百年一遇，经比较，H极限小于H1%，因此堤前设计波高采用堤前极限波高，即=0.827m。平均波高、周期频率分析成果见表2。

表2 平均波高、周期频率分析成果表

4 结语

本文以大辽河河口海防堤工程具体实例，对近岸有20a以上系列测波点观测值，通过波浪浅水变形计算，推求堤前各年平均波高，然后根据各年堤前平均波高值按皮Ⅲ型分布曲线进行频率分析，最后确定堤前计算平均波高值。计算出堤前不同重现期设计波高、周期值，从而为确定堤防顶高程、堤防抗冻计算、护面厚度等方面提供计算参数。堤前设计波高、波长、周期值的重现期同设计潮位的重现期。大辽河河口海防堤工程现已按设计建成多年，运行情况良好。因此，该工程设计中采用此计算方法比较合理，为今后类似工程设计波高计算提供良好的范例与经验。