水工設(shè)計(jì)中波高的計(jì)算方法探討

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，水利工程項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模都不斷的擴(kuò)大，有效的水工設(shè)計(jì)是整個(gè)水利工程中的重要環(huán)節(jié)和部分。水工設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，會(huì)直接影響到整個(gè)水利工程的施工質(zhì)量，因此，在水利工程設(shè)計(jì)階段要做好科學(xué)的規(guī)劃，主要包括對(duì)工程的材料、進(jìn)度、成本、人員和工序等。另外，水工設(shè)計(jì)中波高的計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性影響比較大，因此，文章結(jié)合水工設(shè)計(jì)中重力壩和土石壩兩種波高計(jì)算方法，做了具體的分析和比較，為水工設(shè)計(jì)中波高的計(jì)算提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水工設(shè)計(jì)；波高；計(jì)算方法

引言

在水利工程建設(shè)中，水工設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)工程的質(zhì)量有很大的影響。在水中建筑物設(shè)計(jì)的過(guò)程中，明確重力壩、土壩等壩頂?shù)母叨戎?，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(lái)計(jì)算，在做浪壓力計(jì)算的過(guò)程中，h也是一個(gè)比較重要的影響因素，因此，在水利工程的設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮波高的計(jì)算。

目前，大中型的水利水電工程中，風(fēng)浪的隨機(jī)波動(dòng)比較頻繁，不穩(wěn)定，隨機(jī)性比較大，所以，波高的保證率就是指一段時(shí)間內(nèi)，大于某個(gè)具體波高的累積概率。例如，在持續(xù)觀測(cè)到的100個(gè)波高中，將這些波高按照大小順序重新進(jìn)行排列，在這個(gè)過(guò)程中，第一個(gè)拔高的最大保證率為1%，將波高標(biāo)記為h1%，所以，以此類(lèi)推，第n個(gè)波高的保證率就成為n%，具體的波高為hn%。同時(shí)，另外一種方法是使用特征波高來(lái)進(jìn)行波高h(yuǎn)1/n的表示，一般由第1個(gè)波高到第33個(gè)波高的平均值計(jì)算，表示為h1/33來(lái)表示，這也被稱(chēng)為有效波高。具體波高對(duì)應(yīng)的保證率為13.5%。

1 計(jì)算方法的比較

水工設(shè)計(jì)中，一般可以按照各種水中建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)進(jìn)行規(guī)范性的設(shè)計(jì)，同時(shí)，根據(jù)相關(guān)建筑物的不同級(jí)別進(jìn)行波高保證率的選用。具體的設(shè)計(jì)中，一般1級(jí)的水工設(shè)計(jì)中，建筑物的保證率為1%，2級(jí)建筑物的保證率為2%，3-5級(jí)建筑物的保證率為5%。水工設(shè)計(jì)中，要根據(jù)具體工程的等級(jí)，選取一定的波高保證率，所以，需要在設(shè)計(jì)中對(duì)各種累積頻率的波高進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jìn)行計(jì)算。

1.1 采用土石壩規(guī)范來(lái)計(jì)算波高

根據(jù)土石壩規(guī)范來(lái)計(jì)算波高，一般可以采用鶴地公式、官?gòu)d公式或者是安德烈揚(yáng)諾夫公式，首先，可以求出具體的hp，相關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為需要驗(yàn)證hm/H的值是不是小于0.1，但是這種說(shuō)法還存在一定的不足之處。例如hp1/hm=a，同時(shí)，hp2/hm=b，所以hp1/hp2=a/b，但是具體的計(jì)算中，a、b兩個(gè)數(shù)值不同，但是比值在小于0.1，或者是0.1-0.2兩個(gè)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(jì)算中，使用換算系數(shù)就能快速的求出其他頻率的波高值[2]。另外，在水中設(shè)計(jì)中，對(duì)波長(zhǎng)、波高和浪壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，hm是一個(gè)中間值，但是最終要計(jì)算的是其他累積頻率的波高，因此，hm的求解不是很重要，對(duì)具體的計(jì)算影響不大。

在采用莆田公式進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，可以求得具體的平均波高，并計(jì)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(shí)，使用hm來(lái)和相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行相乘，就能得到對(duì)應(yīng)的超值累積概率波高。

1.2 采用重力壩規(guī)范來(lái)進(jìn)行波高計(jì)算

一般，在重力壩規(guī)范的波高計(jì)算中，如果采用鶴地公式、官?gòu)d公式和安德烈揚(yáng)諾夫公式進(jìn)行波高計(jì)算，一般可以先求出具體的hp，然后開(kāi)始計(jì)算hp/H的值，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的累積概率p對(duì)應(yīng)的數(shù)值，和hm/H進(jìn)行相乘，根據(jù)得到的積選擇接近的數(shù)值[3]。雖然這種方法采用的值和準(zhǔn)確值比較接近，但是難免會(huì)存在一些誤差，所以，經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程求的是初始的解hm，計(jì)算hm/H的過(guò)程中，可以根據(jù)內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)算，取得hp/hm的精確值，同時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算求得hm，算出hm/H。使用內(nèi)插法可以求取設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，一般可以直接求出hm，根據(jù)hm=A，使用內(nèi)插法來(lái)求得hp/hm=B，根據(jù)求得的累積波高值，來(lái)計(jì)算具體的波高h(yuǎn)p的值。

2 計(jì)算公式

目前，在水工設(shè)計(jì)中，對(duì)波高的計(jì)算公式比較多，對(duì)波高的計(jì)算中，主要考慮的是風(fēng)速V0和吹程D兩個(gè)方面的因素，使用比較多的計(jì)算方法包括：官?gòu)d計(jì)算公式、鶴地公式、安德烈揚(yáng)諾夫公式和莆田公式。具體如下：

2.1 官?gòu)d公式

官?gòu)d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(lái)計(jì)算。這個(gè)公式一般在內(nèi)陸地區(qū)的峽谷水庫(kù)水工設(shè)計(jì)中使用的比較多，對(duì)波高的計(jì)算也比較有效。

2.2 鶴地公式

水工設(shè)計(jì)中，計(jì)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(duì)波高的計(jì)算，比較適合于平原丘陵地區(qū)，其中，風(fēng)速一般小于26.5m/s，吹程一般小于7.5km。

2.3 安德烈揚(yáng)諾夫公式

安德烈揚(yáng)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(jì)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(jì)算）；ghm/V02=0.13th[0.7（gH/V02）0.7]（淺水波）。這種計(jì)算方法比較實(shí)用在平原地區(qū)的水工設(shè)計(jì)中。

3 水工設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題

3.1 風(fēng)速的計(jì)算問(wèn)題

在水利工程建設(shè)中，進(jìn)行水工設(shè)計(jì)，風(fēng)速也是一個(gè)影響比較大的因素。最大風(fēng)速系就是指在距離水庫(kù)10m處的最大風(fēng)速，往往會(huì)比陸地氣象站的風(fēng)速儀計(jì)量的數(shù)據(jù)要大，存在一定的差距，所以，國(guó)外的壩工設(shè)計(jì)手冊(cè)中，提出可以將陸地氣象站中測(cè)量的風(fēng)速大小，增大一定的百分?jǐn)?shù)來(lái)求取庫(kù)面的風(fēng)速值大小。一般的計(jì)算中，當(dāng)風(fēng)速吹程<1.6km時(shí)，庫(kù)面的風(fēng)速相應(yīng)的增大10%，當(dāng)風(fēng)速的吹程>6.5km時(shí)，庫(kù)面的風(fēng)速就相應(yīng)的增大30%左右，如果陸地測(cè)量的風(fēng)速吹程在兩者之間，庫(kù)面的風(fēng)速吹程就增大20%左右。

3.2 吹程因素的影響

在水工設(shè)計(jì)中，吹程的影響因素也需要充分的考慮，吹程使用D來(lái)表示，主要是指壩前到水庫(kù)對(duì)岸中，水面的最大直線距離。同時(shí)，一些比較長(zhǎng)的水域，或者是水庫(kù)，吹程水面中存在局部的縮窄，而且寬度小于12倍的波長(zhǎng)時(shí)，在相關(guān)的計(jì)算中，就能夠取近似值D=5B來(lái)使用。一般情況下，吹程越大浪就會(huì)越高，對(duì)水利建筑的影響也就越大，因此，設(shè)計(jì)中要充分的考慮吹程的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

在水工設(shè)計(jì)中，進(jìn)行波高的計(jì)算是整個(gè)設(shè)計(jì)比較有效的關(guān)鍵，因此，要針對(duì)具體的水工設(shè)計(jì)，選擇不同的計(jì)算方式。目前的波高計(jì)算中，主要用到的是土石壩和重力壩方式來(lái)計(jì)算，其中，用土石壩來(lái)計(jì)算波高，可以借助換算系數(shù)，方法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度也相對(duì)較快。使用重力壩計(jì)算波高時(shí)，方法比較繁瑣，但是具體的計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。隨著波高的增大，差異也會(huì)逐漸的增大，所以，在具體的施工設(shè)計(jì)中，要根據(jù)工程的情況，估計(jì)波高，選擇有效的方法來(lái)計(jì)算波高。

參考文獻(xiàn)

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