劉 智

(營口市水利勘測建筑設(shè)計院，遼寧 營口 115000)

在海堤工程設(shè)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(shù)，工程地點(diǎn)測波點(diǎn)資料統(tǒng)計值一般不能直接采用，需要根據(jù)規(guī)范要求把測波點(diǎn)的波浪要素進(jìn)行淺水變形計算換算至堤前波高、周期及波長，并經(jīng)頻率分析確定堤前設(shè)計波高、周期值。現(xiàn)行的GB/T 51015—2014《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于海堤波浪要素計算方法沒有具體列出，參照J(rèn)TJ 213—87《港口工程技術(shù)規(guī)范》，同時根據(jù)在大遼河河口海堤工程設(shè)計中對近岸的測波資料按照規(guī)范要求，作了比較詳細(xì)的推算，積累了一些經(jīng)驗。

1 波高統(tǒng)計值的概念

當(dāng)工程地點(diǎn)有20a以上的長期測波資料，設(shè)計波高可采用某一累積頻率的年最大波高系列進(jìn)行頻率分析的方法確定。堤前設(shè)計波高、周期值的重現(xiàn)期采用設(shè)計潮位的重現(xiàn)期。風(fēng)浪是屬于不規(guī)則波列，實(shí)測資料表明，通過固定點(diǎn)的風(fēng)浪是由振幅和周期各不相同的波列組成的。海上固定點(diǎn)連續(xù)觀測到的一系列風(fēng)浪的波高、周期，先后出現(xiàn)的數(shù)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(tǒng)計整理，所得的結(jié)果表明，它們遵從一定的分布規(guī)律。目前在工程設(shè)計中，常采用某些波高統(tǒng)計特征值來描述波列大小。波高統(tǒng)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(tǒng)計特征值的有：①平均波高H平均，把連續(xù)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(shù)，可得平均波高H平均。②有效波高H1/3，把連續(xù)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(shù)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(tǒng)計特征值的有：H1%、H4%、H13%等。所謂某一累積頻率(F%)對應(yīng)的波高，即將一次固定點(diǎn)連續(xù)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(shù)占總波高個數(shù)的F%，則波高Hi稱為累積頻率(F%)對應(yīng)的波高，并記作HF%。

為了不同的實(shí)用目的，往往需要不同的波高統(tǒng)計特征值。在大遼河河口海堤工程中的測波點(diǎn)基本資料為H1/10的大波統(tǒng)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(tǒng)計特征值之間的關(guān)系在淺水條件下，JTJ 213—87采用蘇聯(lián)格魯霍夫斯基(Глуховский)的淺水波高統(tǒng)計分布關(guān)系，計算出測波點(diǎn)平均波高。

2 計算測波點(diǎn)平均波高及周期的確定

2.1 測波點(diǎn)平均波高的確定

根據(jù)不同的部分大波與累積頻率的關(guān)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(lián)格魯霍夫斯基的淺水波高統(tǒng)計分布關(guān)系。根據(jù)格氏的的淺水特征波高間的換算關(guān)系見GB/T 51015—2014表6.1.3。先假定平均波高，根據(jù)測點(diǎn)水深，經(jīng)試算可推出測波點(diǎn)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(yīng)，波周期常用的是平均周期T平均，在工程設(shè)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(yīng)。理論上計算對應(yīng)于波高HF或H1/P的波周期是有困難的，目前多采用經(jīng)驗方法從實(shí)測資料中求得顯著周期與平均周期的關(guān)系為：

T1/10=1.31T平均

(1)

據(jù)此可以推算出測點(diǎn)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(jù)測波點(diǎn)的水深及距堤線距離，按照GB/T 51015—2014及JTJ 213—87并結(jié)合由華東水利學(xué)院、農(nóng)牧漁業(yè)部水產(chǎn)局出版的《漁港工程》要求進(jìn)行波浪淺水變形計算，推求堤前各年平均波高。然后根據(jù)各年堤前平均波高值按皮Ⅲ型分布曲線進(jìn)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(diǎn)向堤前傳播過程中保持不變。

本工程中海洋站現(xiàn)有20a的實(shí)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(shù)的影響外，還應(yīng)考慮水底摩阻的作用，根據(jù)測波點(diǎn)的水深及距岸邊距離推求各年堤前平均波高。

波高由測點(diǎn)向堤前的推求按下式計算：

(2)

式中，Ksp/Ks1—淺水系數(shù)，按JTJ213—87查得；Kf—底摩阻系數(shù)，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(diǎn)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(qū)段呈U字形，由西向東折轉(zhuǎn)成自東向西流入渤海灣，營口市主城區(qū)沿大遼河分布，大遼河入?？谒牡罍稀髋谂_—永遠(yuǎn)角段海堤多為低矮的土堤或民堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)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(jī)率較大，經(jīng)常出現(xiàn)破堤現(xiàn)象，近十幾年來遼南地區(qū)受臺風(fēng)、暴雨的襲擊，給營口市城區(qū)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?？谂c民興河入?？诮唤缣庨_始，向北經(jīng)西炮臺至永遠(yuǎn)角與大遼河護(hù)岸連接，堤線總長11.552km，沿線布設(shè)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(jīng)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(shè)計波高不應(yīng)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(guī)定，堤前極限波高H極限=0.78d=0.827m。工程堤防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，經(jīng)比較，H極限小于H1%，因此堤前設(shè)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(jié)語

本文以大遼河河口海防堤工程具體實(shí)例，對近岸有20a以上系列測波點(diǎn)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(jù)各年堤前平均波高值按皮Ⅲ型分布曲線進(jìn)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(xiàn)期設(shè)計波高、周期值，從而為確定堤防頂高程、堤防抗凍計算、護(hù)面厚度等方面提供計算參數(shù)。堤前設(shè)計波高、波長、周期值的重現(xiàn)期同設(shè)計潮位的重現(xiàn)期。大遼河河口海防堤工程現(xiàn)已按設(shè)計建成多年，運(yùn)行情況良好。因此，該工程設(shè)計中采用此計算方法比較合理，為今后類似工程設(shè)計波高計算提供良好的范例與經(jīng)驗。