陶愛峰第三章近海風(fēng)電場(chǎng)工程水文近海風(fēng)電場(chǎng)近海動(dòng)力環(huán)境近海風(fēng)場(chǎng)特性與風(fēng)荷載近海波浪理論與波浪荷載近海水流特性與水流荷載近海風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境效應(yīng)2學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)本章內(nèi)容參考書目邱大洪，工程水文學(xué)（港口航道及海岸工程專業(yè)用），人民交通出版社，1999，第三版鄒志利，海岸動(dòng)力學(xué)，人民交通出版社，2009，第四版嚴(yán)愷，海岸工程，海洋出版社，2002，第一版第一節(jié)近海動(dòng)力環(huán)境_海洋國(guó)土區(qū)域劃分：領(lǐng)?；€向海12海里為領(lǐng)海，向海24海里為毗連區(qū)，向海不超過200海里為專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，向海不超過350海里為大陸架，大陸架也可按地劃分。領(lǐng)?；€：連接大陸岸上和海岸外緣島嶼上各基點(diǎn)之間的各直線段相互連接。海洋國(guó)土：包括內(nèi)海、領(lǐng)海、毗連區(qū)、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)及大陸架，約37萬平方公里。中國(guó)近海概況平均水深：渤海18m黃海42m東海349m南海1140m海域面積：東中國(guó)海118.6萬km2南中國(guó)海270萬km2海岸線長(zhǎng)度：大陸18000km海島14000km東中國(guó)海渤海屬于內(nèi)海。是一個(gè)較封閉的溫帶淺海。南北長(zhǎng)約300nmile東西寬約160nmile，海區(qū)面積約7.7萬平方公里，平均深度為18m，最大深度為70m，流入渤海的河流較多，其中主要有遼河、海河和黃河等。黃海位于中國(guó)大陸和朝鮮半島之間，屬于半封閉的淺海。黃海南北長(zhǎng)約470nmile，東西寬約300nmiIe，海底面積約38萬平方公里。黃海的平均深度為42m，最大深度為60m。其中北黃海面積約為72萬平方公里，平均深度38m；南黃海面積約達(dá)30.9萬平方公里，平均深度46m。流入其內(nèi)的河流，主要有鴨綠江、大同江、漢江等。東海位于浙江、福建之東，臺(tái)灣和琉球之西。它是我國(guó)近海面積較大和大陸架較寬的一個(gè)海。它略至扇形，扇面撒向太平洋，南北長(zhǎng)700nmile，總面積77萬多平方公里。平均水深349m。流入東海的河流主要有長(zhǎng)江、錢塘江、閩江等。南中國(guó)海南海是我國(guó)最大的海域，也是西太平洋較大的邊緣海之一?？偯娣e約為350多萬平方公里，平均深度1212m，最大深度為5567m。海盆周圍有陸坡，呈臺(tái)階狀，北部和西南海的陸架較寬廣，有半封閉的淺海灣，西岸陸架較窄，南部、東部邊緣還夾有海槽、海溝。海岸線長(zhǎng)，單在我國(guó)境內(nèi)就有6000km(不計(jì)島嶼岸線)，約占全國(guó)的三分之一。曲折復(fù)雜，港灣也多。流入南海的河流主要有珠江、紅河、湄公河等。中國(guó)近海資源中國(guó)近海港口分布圖中國(guó)近?？稍偕茉粗袊?guó)海洋自然保護(hù)區(qū)1995年，我國(guó)有關(guān)部門制定了《海洋自然保護(hù)區(qū)管理辦法》，貫徹養(yǎng)護(hù)為主、適度開發(fā)、持續(xù)發(fā)展的方針，對(duì)各類海洋自然保護(hù)區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和試驗(yàn)區(qū)，加強(qiáng)海洋自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和管理。目前，我國(guó)已建立各種類型的海洋自然保護(hù)區(qū)60處，所保護(hù)的區(qū)域面積近130萬公頃，其中國(guó)家級(jí)15個(gè)、省級(jí)26個(gè)、市縣級(jí)16個(gè)。海洋地貌近海區(qū)域地理相關(guān)術(shù)語近海區(qū)：一般指破波區(qū)以外與大陸架邊緣以內(nèi)，寬度不等而且海底比較平坦的海區(qū)；但對(duì)岸灘演變有意義的，則僅限于淺海波浪運(yùn)動(dòng)觸及的海底以內(nèi)，潮流較大，涉及泥沙運(yùn)動(dòng)的范圍。近岸區(qū)：從低潮海濱線向海方延伸，很可能超出破波區(qū)，但由近岸流來規(guī)定其寬度范圍海岸帶：一般岸段，自海岸線向陸地延伸10km左右；向海擴(kuò)展10~15m等深線；水深岸坡陡的地段，調(diào)查寬度不得小于5海里。河口地區(qū)，向陸地到潮區(qū)界；向海至淡水舌鋒緣。海岸類型淤泥質(zhì)沙質(zhì)基巖生物海岸近海工程動(dòng)力環(huán)境海洋結(jié)構(gòu)物與環(huán)境的相互作用風(fēng)浪流介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度加速度阻力阻尼力慣性力附加質(zhì)量載荷運(yùn)動(dòng)傾覆結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)物輸入輸出第二節(jié)近海風(fēng)場(chǎng)特性我國(guó)近海風(fēng)況的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：季風(fēng)、寒潮大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)。季風(fēng)由于海陸間熱力差異為主導(dǎo)因素，隨著季節(jié)變化而引起高、低壓中心和風(fēng)帶的移動(dòng)，形成冬、夏兩季盛行方向幾乎相反的風(fēng)，夏季由海向陸地吹，冬季由陸地向海吹，稱為季風(fēng)。我國(guó)是世界上著名的季風(fēng)國(guó)家之一，每年10月至次年3月盛行偏北風(fēng)，6月以后盛行偏南風(fēng)，4、5月和8、9月為季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)。冬季渤海和黃海多西、西北和北風(fēng)，占60%；東海多北和東北風(fēng)；南海多東北和東風(fēng)，占88%左右。夏季多為東南、南和西南風(fēng)，渤海、黃海占50%左右；東海、南海占56%左右。近海風(fēng)況特點(diǎn)我國(guó)近海風(fēng)況的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：季風(fēng)、寒潮大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)。海潮大風(fēng)中央氣象臺(tái)規(guī)定：冷空氣入侵后，氣溫在24小時(shí)內(nèi)降低10攝氏度上，且最低氣溫將至5攝氏度以下，稱為寒潮，它是我國(guó)冬季主要的天氣過程之一，一般連續(xù)3~5天。寒潮路徑較穩(wěn)定，它發(fā)源于極地，經(jīng)西伯利亞，主要從偏西方向進(jìn)入我國(guó)，風(fēng)力可達(dá)8~9級(jí)，陣風(fēng)10~11級(jí)。寒潮大風(fēng)在一些迎風(fēng)的海岸，如山東萊州灣易引起增水現(xiàn)象（風(fēng)暴潮），工程設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意。近海風(fēng)況特點(diǎn)我國(guó)近海風(fēng)況的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：季風(fēng)、寒潮大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)就是熱帶氣旋，它起源于赤道南北緯度5~20的海洋面上，以太平洋最多，約占66%，尤以西太平洋更多，占36%以上。中央氣象臺(tái)把熱帶氣旋按中心最大風(fēng)力分為四級(jí)：中心風(fēng)力8級(jí)一下成為熱帶低壓；8~9級(jí)稱為熱帶風(fēng)暴；10~11級(jí)稱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；12級(jí)以上稱為臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)多出現(xiàn)在7~10月。臺(tái)風(fēng)路徑很復(fù)雜，很難找到兩個(gè)路徑完全相同的臺(tái)風(fēng)，多我國(guó)沿海而言，歸納起來主要分為西行臺(tái)風(fēng)、登陸臺(tái)風(fēng)和轉(zhuǎn)向臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)是我國(guó)沿海主要的嚴(yán)重災(zāi)害性天氣，主要表現(xiàn)為狂風(fēng)與暴雨襲擊和增水引起的災(zāi)害。我國(guó)沿海各省都曾受臺(tái)風(fēng)侵襲，造成嚴(yán)重破壞，特別是福建、廣東、海南、臺(tái)灣省受影響最大。最新信息近海風(fēng)況特點(diǎn)近海風(fēng)況特點(diǎn)我國(guó)近海70米高度年平均風(fēng)速分布各有不同，浙江中部至廣東東部近海海域年平均風(fēng)速達(dá)8米/秒以上，其中臺(tái)灣海峽中部達(dá)9米/秒以上；江蘇近海和渤海西部風(fēng)速為6.5米/秒至7.5米/秒；而廣東西部、海南島西部和廣西近海也都在6.0米/秒至7.5米/秒之間。從風(fēng)功率監(jiān)測(cè)情況看，70m高度年平均風(fēng)功率密度為福建550瓦每平方米至750瓦每平方米、浙江400瓦每平方米至500瓦每平方米、山東400瓦每平方米至450瓦每平方米、江蘇及上海350瓦每平方米至400瓦每平方米、廣東東部400瓦每平方米至450瓦每平方米、中西部近海350瓦每平方米至400瓦每平方米、海南島東北部和西部350瓦每平方米至400瓦每平方米、廣西300瓦每平方米至350瓦每平方米。第三節(jié)近海波浪隨機(jī)波浪理論解析波浪理論波浪分類按波浪周期分類：1.表面張力波2.重力波3.長(zhǎng)周期波4.潮波按波浪形態(tài)分類：1.規(guī)則波2.不規(guī)則波按波浪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類：1.振蕩波2.推移波T波浪能分布及恢復(fù)力波浪參數(shù)波浪參數(shù)振幅(a)：波高的一半。波數(shù)(k):k=2π／L.波周期(T)：兩個(gè)連續(xù)波峰或波谷經(jīng)過一個(gè)定點(diǎn)所需要的時(shí)間。波頻率(f)：f=1／T.角頻率(σ)：σ=2π／T.波速(C)：波浪運(yùn)動(dòng)速度，C=L／T.波陡：H／L：用來表示波浪剖面特性。相對(duì)水深：h／L，用來區(qū)分深水波和淺水波。波浪控制方程-勢(shì)波理論G.D.EB.B.CD.F.S.B.CK.F.S.B.CL.B.C勢(shì)波理論線性化假設(shè)波浪振幅很小，即H<<L或H<<h。使用泰勒級(jí)數(shù)展開式來聯(lián)系從未知高程到靜止水平面的邊界條件。取自由面的壓力為0。線性嚴(yán)格來說就是各個(gè)變量?jī)H為一次冪。微幅波理論G.D.EB.B.CD.F.S.B.CK.F.S.B.CL.B.C微幅波理論求解L.B.C如何獲得解？G.D.EB.B.CD.F.S.B.C速度勢(shì)能微幅波理論的解頻散關(guān)系頻散關(guān)系的深淺水特性深水頻散關(guān)系淺水頻散關(guān)系函數(shù)largekhsmallkhcoshkh

／21sinhkh

／2khtanhkh1kh淺水：kh＜π／10過渡水深：π／10＜kh＜π深水：kh＞π水波理論常用到的的深淺水界限當(dāng)使用漸近線而不是函數(shù)的實(shí)際值時(shí)，如果最大誤差被限制在5%以內(nèi)，那么三個(gè)不同水深區(qū)域的極限值表示如下：淺水：kh＜π／10過渡水深：π／10＜kh＜π深水：kh＞π波浪作用下的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度與加速度相位差波浪作用下的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡深水淺水過渡水深波浪作用下的水壓力壓力方程包括兩個(gè)部分：1.靜水壓強(qiáng)2.動(dòng)水壓強(qiáng)波浪能量勢(shì)能來自于自由面的位移：動(dòng)能來自于水質(zhì)點(diǎn)沿軌跡運(yùn)動(dòng)：?jiǎn)挝粚挾让總€(gè)波的總能量為：波能流-波功率能量沿波浪傳播方向上的傳遞率被稱為波能流，這個(gè)傳遞率是垂直剖面一側(cè)的流體對(duì)另一側(cè)流體所作功的功率。波能流的關(guān)系式是：波群上式表明，兩列簡(jiǎn)單波疊加后的波形還是一個(gè)周期波，但振幅是變化的，最大波幅為組成波振幅的2倍，波數(shù)和頻率為兩列正弦波的平均值。這可以看成原來兩列正弦波疊加而成的合成波成為在包絡(luò)線（圖2-9中的虛線）內(nèi)變動(dòng)的波浪。（2-56）群速這種波浪疊加后反映出來的總體現(xiàn)象稱為波群。波群的傳播速度即為圖2-9中虛線波形向前推進(jìn)的速度，以表示：當(dāng)波數(shù)差△k和波浪頻率差△σ很小時(shí)有：（2-57）在微幅波中，，將這一關(guān)系式兩邊微分后得：（2-58）可見對(duì)于微幅波，波群傳播速度與前面所討論的波能傳播速度完全相同。在深水中n=1／2，合成波波峰以速度c向前傳播，而波群包絡(luò)線卻以的速度向前傳播。波浪穿越波群包絡(luò)線時(shí)，振幅開始增大，然后減小，在波群節(jié)點(diǎn)處波浪振幅減小到零。由于波能流在波群節(jié)點(diǎn)處為零，而波群節(jié)點(diǎn)以速度推進(jìn)，故波能傳播速度等于波群傳播速度。波群與群速有關(guān)波浪的三個(gè)速度：波速（又稱相速度）波群速（又是波能傳遞速度）波浪起的水質(zhì)點(diǎn)速度（由勢(shì)函數(shù)求導(dǎo)而出的）。近似求解非線性問題的基本方法—攝動(dòng)法解決方案取決于事前假定的一個(gè)小量ka，這個(gè)小量被定義為ε。因此，我們將所有的量分解成ε的冪級(jí)數(shù)。二階Stokes波二階Stokes波質(zhì)量輸移流二階斯托克斯波與微幅波另一個(gè)明顯的差別是其水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不封閉。這種凈水平位移造成一種水平流動(dòng)，稱為漂流或質(zhì)量輸移。各種不同的波浪理論分析波浪理論：

線性波理論余擺線波理論STOKES波理論橢圓余弦波理論孤立波理論數(shù)值模擬波浪理論：

流函數(shù)波理論各波浪理論適用范圍一些波浪理論的應(yīng)用范圍是作為H/gT2及h/gT2的函數(shù)深水條件下，Stokes波總是可以用的，淺水時(shí)，孤立波及橢圓余弦波理論較好，過渡水深需慎重。真實(shí)海浪波浪運(yùn)動(dòng)是指海洋水表面在外界因素(風(fēng))作用下以及在重力作用下的運(yùn)動(dòng)。波浪運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，但是，并非雜亂無章，有其“內(nèi)在規(guī)律”，或者說，規(guī)律寓于大量的不確定的變化之中。表征隨機(jī)現(xiàn)象的變量為隨機(jī)變量，不能以確定性的數(shù)字標(biāo)定，只能以統(tǒng)計(jì)平均或概率的數(shù)學(xué)語言來描述。應(yīng)用隨機(jī)過程和概率論的數(shù)學(xué)方法，討論波浪運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，尋求波浪運(yùn)動(dòng)的數(shù)字特征，用以區(qū)別不同類型的隨機(jī)波浪運(yùn)動(dòng)。

規(guī)則波隨機(jī)波波浪測(cè)量隨機(jī)波浪理論—波浪統(tǒng)計(jì)跨零點(diǎn)法把波取從左到右依次記先大后小排順序根據(jù)需要求信息隨機(jī)波浪理論—特征波法記錄編號(hào)1波高(m)波浪周期(s)統(tǒng)計(jì)次數(shù)10.544.22122.058.01234.526.9242.5811.9853.207.3461.875.41771.904.41681.005.22092.056.313102.374.310111.036.119121.958.015131.977.614141.627.018154.088.23164.898.01172.439.09182.839.27192.947.96202.235.311212.986.95波浪統(tǒng)計(jì)特性波高符合瑞利分布波浪統(tǒng)計(jì)特性相應(yīng)的波高累積頻率（簡(jiǎn)稱累積率）函數(shù)F(H)由下式導(dǎo)出即根據(jù)上式可得到累積率波高的關(guān)系，即例如常用的大波的平均波高與平均波高關(guān)系為當(dāng)波列足夠長(zhǎng)，即N足夠大時(shí)，最大波高的數(shù)學(xué)期望值為隨機(jī)波浪理論—譜方法隨機(jī)波浪理論—譜方法20世紀(jì)50年代初Longuet-Higgins用Rice分析電子管噪聲電流的方法，將無限多個(gè)不同振幅、頻率和初始相位角的余弦波疊加起來描述某一固定的海面，即式中：分別為第n個(gè)余弦組成波的振幅和圓頻率；為第n個(gè)波的初相位角，是一個(gè)均勻分布于0～2π間的隨機(jī)量。如果將圓頻率介于范圍內(nèi)的各組成波的振幅平方之半疊加起來，并除以包含所有這些組成波的頻率范圍，其結(jié)果將是一個(gè)σ的函數(shù)，令它為S(σ)（有些書用S(f)表示，），則有隨機(jī)波浪理論—譜方法一個(gè)組成波平均波能為，因此全部組成波的總能量：顯然，式（2-111）等號(hào)左邊項(xiàng)的含義相當(dāng)于間隔內(nèi)全部組成波的能量和（差一個(gè)乘積常數(shù)），故即相當(dāng)于單位頻率間隔內(nèi)的平均波能量，稱為波能密度。海浪的總能量由所有組成波提供，函數(shù)給出了不同頻率間隔內(nèi)組成波提供的能量，因此實(shí)際上函數(shù)就相當(dāng)于波能密度相對(duì)于組成波頻率的分布函數(shù)，這一函數(shù)稱為波頻譜，通常簡(jiǎn)稱為頻譜。由于它反映波能密度分布，所以又稱為能譜。隨機(jī)波浪理論—譜方法隨機(jī)波浪理論—譜方法隨機(jī)波浪理論—譜方法在北海聯(lián)合波浪研究計(jì)劃的資助下，提出了基于大量波浪觀測(cè)的JONSWAP譜。波浪理論能解決荷載問題了嗎？波浪理論能解決荷載問題了嗎？設(shè)計(jì)波浪標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)波浪是設(shè)計(jì)各類涉海建筑物時(shí)所選用的波浪要素。因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)造價(jià)較高，在選取設(shè)計(jì)波浪時(shí)，既要考慮到長(zhǎng)期使用中可能出現(xiàn)的不利情況，保證建筑物的安全，又要符合經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則。設(shè)計(jì)波浪包含兩個(gè)方面：一個(gè)是設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)；一個(gè)是設(shè)計(jì)波浪的波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)。前者是指波浪要素的長(zhǎng)期（以數(shù)十年計(jì)）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，因此設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)主要反映建筑物的使用年限和重要性。后者指設(shè)計(jì)波浪要素在實(shí)際海面上不規(guī)則波列中的出現(xiàn)頻率，代表波浪要素的短期（以十幾分鐘計(jì)）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，主要反映波浪對(duì)不同類型建筑物的不同作用性質(zhì)。重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)定義

設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)就是應(yīng)該怎樣選擇一個(gè)波列作為設(shè)計(jì)依據(jù)，只有選定了設(shè)計(jì)波列后，才能進(jìn)一步按波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)最終確定設(shè)計(jì)波浪要素。某一個(gè)波列（它以其某一特征波，如、或表示）來自某一場(chǎng)大風(fēng)形成的波浪場(chǎng)。在一年內(nèi)，工程海域可能發(fā)生多次大風(fēng)，各次大風(fēng)的風(fēng)況各不相同，因此產(chǎn)生的波列也不相同，而且每年出現(xiàn)的大風(fēng)次數(shù)和強(qiáng)度也是不相同的，不可預(yù)知的，亦即某一波列的出現(xiàn)是偶然的，它是一個(gè)隨機(jī)事件，因此，可以用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去研究其分布規(guī)律，這就是波浪的長(zhǎng)期分布規(guī)律。此時(shí)，代表各波列的特征波就是隨機(jī)變量，所研究海域歷史上已經(jīng)出現(xiàn)的各波列和今后可能出現(xiàn)的各波列的總和就是總體，這個(gè)總體是無限的，而我們掌握的歷史上若干年的波列就是樣本，我們可以從樣本資料中推求某一波列的出現(xiàn)頻率及累積頻率，這就是波浪的重現(xiàn)期問題。考慮到還上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的實(shí)際特點(diǎn)，建議采取設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期為50年。波浪累積頻率標(biāo)準(zhǔn)

由于我國(guó)海上風(fēng)電的規(guī)范還沒有出臺(tái)，《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J101）等國(guó)外規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)又沒有針對(duì)具體結(jié)構(gòu)物給出波列累積頻率建議，因此本研究將參考《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）和《海灘環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范》（SY/T4084-95）選取合適的波列累積頻率。針對(duì)單樁及導(dǎo)管架基礎(chǔ)，波高累積頻率可取為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建筑物形式部位設(shè)計(jì)內(nèi)容波高累積頻率F直墻式、墩柱式上部結(jié)構(gòu)、墻身、墩柱、樁基強(qiáng)度和穩(wěn)定性1基床、護(hù)底塊石穩(wěn)定性5斜坡式胸墻、堤頂方塊強(qiáng)度和穩(wěn)定性1護(hù)面塊石、護(hù)面塊體穩(wěn)定性13護(hù)底塊石穩(wěn)定性13各種累積頻率波高之間的換算

累積頻率為（%）的波高，以及大波的平均波高之間，可以通過各自與平均波高的關(guān)系進(jìn)行換算。深水波時(shí)，他們之間的換算關(guān)系可以由下列各式得到。設(shè)計(jì)波高計(jì)算

用波浪實(shí)測(cè)資料推算當(dāng)工程海區(qū)有長(zhǎng)期（20年以上）實(shí)測(cè)資料時(shí)，用頻率分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)波浪的推算，在選取理論頻率曲線時(shí)，《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）規(guī)定，對(duì)于年極值波高及與其對(duì)應(yīng)周期的理論頻率曲線，一般采用皮爾遜III型曲線，國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)表明，該曲線與波高和周期的經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)一般都擬合良好。當(dāng)工程海區(qū)只有短期（1～3年）實(shí)測(cè)資料時(shí)，一般采用不分方向，全部取日最大波高值作為波浪分析的樣本，利用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換，在專用的坐標(biāo)紙上繪制經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)，使其近似呈直線分布。然后利用最小二乘法推求出直線方程，以此來估計(jì)多年一遇的設(shè)計(jì)波高。本研究建議采用《海港水文規(guī)范》推薦使用的線型：波高以均勻坐標(biāo)表示，大于或等于某波高的累積頻率P用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示。設(shè)計(jì)波高計(jì)算

用氣象資料或數(shù)學(xué)模型推算可根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速資料簡(jiǎn)單確定不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪。在確定風(fēng)場(chǎng)要素以后，利用風(fēng)場(chǎng)要素和波浪要素之間的關(guān)系可以確定波浪要素。目前常用的方法有威爾遜（Wilson）（1965）風(fēng)浪預(yù)報(bào)法，Bretschneider（1970年）風(fēng)浪預(yù)報(bào)方法，JONSWAP風(fēng)浪預(yù)報(bào)法，原蘇聯(lián)規(guī)范的新方法，我國(guó)常用的是《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）中推薦使用的方法。根據(jù)深水風(fēng)浪要素計(jì)算圖可以查得當(dāng)?shù)睾^(qū)各種風(fēng)要素下的波浪要素。籍由計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，各種波浪數(shù)學(xué)模型也越來越完善，再合理確定邊界條件基礎(chǔ)上，采用合適的波浪模型計(jì)算設(shè)計(jì)波要素已發(fā)展成為比較普及的方法。

WaveWatchIII+SWAN第三代海浪數(shù)值模式

Delft3D3維水動(dòng)力－水質(zhì)模型系統(tǒng)Mike21設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟確定風(fēng)電場(chǎng)海域主要波浪來向分析當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站多年來風(fēng)的觀測(cè)資料，以作為確定工程海域主要來波方向的一個(gè)依據(jù)?？衫蔑L(fēng)速、風(fēng)向頻率玫瑰圖，確定當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向。研究來波方向，必須把風(fēng)況玫瑰圖與工程區(qū)的地理位置結(jié)合起來進(jìn)行分析，圖中的風(fēng)玫瑰圖，虛線的表示風(fēng)向頻率玫瑰圖，實(shí)線的表示最大風(fēng)速玫瑰圖。設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟

收集和整理波浪觀測(cè)資料

當(dāng)來波方向確定以后就可收集原始的波浪觀測(cè)資料。首先應(yīng)注意觀測(cè)站的地理環(huán)境并與工程區(qū)的地理環(huán)境相比較

，即分方向檢測(cè)觀測(cè)站資料的使用程度。此外還需考慮水深的影響，如附圖1所示，測(cè)波浮筒處水深約為30m，而工程區(qū)附近水深僅10m左右，則利用實(shí)測(cè)資料推算出來的東南及東向波浪也只能代表工程區(qū)同樣水深處的波浪，這些波浪還須淺水變形計(jì)算后才能得到風(fēng)電地基基礎(chǔ)處的波浪。關(guān)于采樣問題，為保證樣本的獨(dú)立性，采用年最大值采樣法組成系列，即從資料報(bào)表中采取某方向每年出現(xiàn)的最大一場(chǎng)波浪作為樣本，因?yàn)閷?duì)波浪而言，相鄰年份中年最大值的相關(guān)關(guān)系非常微弱，可以認(rèn)為是獨(dú)立的。設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟設(shè)計(jì)波浪的推算-頻率分析方法（1）經(jīng)驗(yàn)累積頻率的計(jì)算先制作一個(gè)7列行的表格，如附表7所示，為觀測(cè)資料總年數(shù)。第一列為年代順序號(hào)；將觀測(cè)站年某方向極大值波浪由大到小依次排列，并列于附表7第二列；第三列，稱為模比系數(shù)即第年的與年平均值的比值；第七列為年最大波高的經(jīng)驗(yàn)累積頻率，為超過第個(gè)年極大值波浪的個(gè)數(shù)，重現(xiàn)期和經(jīng)驗(yàn)累積頻率的關(guān)系為

1

2

3

4

56

7

13.51.9260.9260.8570.7944.223.51.9260.9260.8570.7948.333.11.7060.7060.4980.35212.543.01.6510.6510.4240.27616.752.41.3210.3210.1030.03320.862.31.2660.2660.0710.01925.072.11.1560.1560.0240.00429.282.01.1010.1010.0100.00133.391.80.991-0.0090.0000.00037.5101.60.881-0.1190.014-0.00241.7111.60.881-0.1190.014-0.00245.8121.60.881-0.1190.014-0.00250.0131.50.826-0.1740.030-0.00554.2141.50.826-0.1740.030-0.00558.3151.40.771-0.2290.052-0.01262.5161.30.715-0.2850.081-0.02366.7171.30.715-0.2850.081-0.02370.8181.30.715-0.2850.081-0.02375.0191.30.715-0.2850.081-0.02379.2201.10.605-0.3950.156-0.06283.3211.10.605-0.3950.156-0.06287.5220.90.495-0.5050.255-0.12991.7230.60.33-0.670.449-0.30195.8設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟某觀測(cè)站23年波高極值設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟（2）理論累積頻率曲線選用理論累積頻率曲線的目的是擬合經(jīng)驗(yàn)累積頻率點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到外延的目的。一般采用皮爾遜Ⅲ型曲線。但由于作為樣本的實(shí)際資料所得到的統(tǒng)計(jì)參數(shù)存在一定的誤差范圍，在計(jì)算時(shí)可以由適線法調(diào)整參數(shù)，因而存在一定的任意性，特別是系列中存在少數(shù)特大值時(shí)，任意性更為明顯，因此應(yīng)探討更為合理的線型。用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線時(shí)，必須先求出該曲線所包含的3個(gè)參數(shù)，即平均值、離差系數(shù)及偏態(tài)系數(shù)。附表7所示系列的均值離差系數(shù)為：偏態(tài)系數(shù)：

設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟

對(duì)附表7中的數(shù)據(jù)，，，屬于正偏。由于偏態(tài)系數(shù)是用離差的三次方求得，因離差有抽樣誤差，故值的可靠性很差，一般按的倍數(shù)取用。取，，查皮爾遜Ⅲ型的積分表，得累積頻率的模比系數(shù)，列于附表7中。將表中數(shù)據(jù)繪于附圖2，連成光滑曲線（虛線）與經(jīng)驗(yàn)累積頻率點(diǎn)作對(duì)比調(diào)整。由于平均值誤差較小，一般不予調(diào)整。取，，，查出，也列入附表8的下部，在附表2中繪出理論曲線。

附表8調(diào)整前后理論累積頻率表0.1123510255075909799調(diào)整前2.982.332.132.001.841.601.260.930.670.480.340.25調(diào)整后4.132.902.532.322.041.671.200.840.630.550.510.50設(shè)計(jì)波高計(jì)算步驟

顯然，經(jīng)過調(diào)整后的理論累積頻率曲線能較好地吻合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以代表樣本的總體分布，而起到外延的作用。于是根據(jù)附表8可得觀測(cè)站該方向50年一遇的年極值波高為

該方向5年一遇的年極值波高為

再根據(jù)各種累積頻率波高間的關(guān)系即可得到各種累積頻率的波高，如50年一遇，1%累積率為

周期與波長(zhǎng)計(jì)算

若當(dāng)?shù)卮蟮牟ɡ酥饕獮轱L(fēng)浪，可由當(dāng)?shù)仫L(fēng)浪的波高與周期的相關(guān)關(guān)系外推與該設(shè)計(jì)波高相對(duì)應(yīng)的周期，或按表4.4確定相應(yīng)的周期。表4.4風(fēng)浪的波高與周期的近似關(guān)系

當(dāng)海區(qū)大的波浪主要為涌浪或者混合浪時(shí)應(yīng)該用波高年最大值對(duì)應(yīng)的波周期（）組成的系列進(jìn)行頻率分析得到。但是由于海水運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，區(qū)分風(fēng)浪和涌浪時(shí)往往帶有相當(dāng)大的主觀性，所以在條件允許的情況下，建議采用第二種方法。有效波周期和的關(guān)系為：與波浪周期對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)可按下式計(jì)算：23456789106.17.58.79.810.611.412.112.713.2設(shè)計(jì)潮位標(biāo)準(zhǔn)

各類涉海工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工所依據(jù)的潮位稱為設(shè)計(jì)潮位。按照《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）和《灘海環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范》（SY/T4084-95）等相關(guān)規(guī)范或建議的規(guī)定，設(shè)計(jì)潮位應(yīng)包括：設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位；極端高水位、極端低水位。有些規(guī)范將極端水位稱為校核水位。除設(shè)計(jì)潮位外，對(duì)港口、海岸及近海工程而言，還有兩個(gè)水位需要用到，是多年平均海平面，用作確定陸地高程的零點(diǎn)，二是理論深度基準(zhǔn)面，用作計(jì)算海圖水深的起算面。設(shè)計(jì)高、低水位

設(shè)計(jì)高、低水位是指港口、海岸及近海水工建筑物在正常使用條件下的高、低水位。對(duì)于近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)而言，在高、低水位范圍內(nèi)，應(yīng)保證在各種設(shè)計(jì)荷載條件下，滿足基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定與強(qiáng)度要求。按照《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）和《灘海環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范》（SY/T4084-95)的規(guī)定：對(duì)于海岸和河口水域，設(shè)計(jì)高水位應(yīng)采用高潮累積頻率10%的潮位，簡(jiǎn)稱高潮10%；設(shè)計(jì)低水位應(yīng)采用低潮累積頻率90%的潮位，簡(jiǎn)稱低潮90%。在已有歷時(shí)累積頻率統(tǒng)計(jì)資料的情況下，其設(shè)計(jì)高、低水位應(yīng)分別采用歷時(shí)累積頻率1%和98%的潮位。設(shè)計(jì)水位計(jì)算步驟設(shè)計(jì)潮位的推算一般采用兩類方法，一類是繪制潮位歷時(shí)累積頻率曲線；另一類是繪制高低潮累積頻率曲線。兩種曲線繪制方法一樣，只是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不同，前者以每小時(shí)的實(shí)測(cè)潮位值為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，后者以每日高低潮潮位值為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。下面以潮位歷時(shí)累積頻率曲線為例做詳細(xì)說明。取全年逐日每小時(shí)的實(shí)測(cè)潮位值做為原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析。曲線繪制具體步驟如下：（1）找出資料中最高和最低潮位，在兩者之間采用20cm（或10cm）為一級(jí)進(jìn)行分組；（2）按月統(tǒng)計(jì)各級(jí)潮位出現(xiàn)的次數(shù)，然后計(jì)算高于各組下限的潮位在1年中出現(xiàn)的累積次數(shù)；設(shè)計(jì)水位計(jì)算步驟（3）設(shè)累積次數(shù)為m，總次數(shù)為n，則高于該組下限的潮位累積頻率為；

（4）取潮位為縱坐標(biāo)，累積頻率為橫坐標(biāo)，將各累積頻率值繪于相應(yīng)潮級(jí)下限處，把各點(diǎn)連成光滑的曲線，即為潮位歷時(shí)累積頻率曲線，然后在曲線上讀出歷時(shí)累積頻率為1%的潮位值作為設(shè)計(jì)高潮位，歷時(shí)累積頻率98%的潮位作為設(shè)計(jì)低潮位。間隔8月9月10月...6月7月次數(shù)累加次數(shù)p潮位（m）12345419～4002220.02＞＝3.6399～380443219210.25＞＝3.4...-41～-602828899.99＞＝-0.6次數(shù)336720744...7206568288設(shè)計(jì)水位計(jì)算步驟極端高、低水位

極端水位是指港口建筑物在非正常工作條件下的高、低水位。這種水位是由于寒潮、臺(tái)風(fēng)、低壓、地震、海嘯所造成的增減水與天文潮組合而成的，其重現(xiàn)期是以幾十年來計(jì)算的。因此，在出現(xiàn)這種水位時(shí)，并不要求港口、海岸及近海水工建筑物能正常使用，對(duì)近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)而言，要求此時(shí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)各部分結(jié)構(gòu)和地基仍有必要的安全度。極端高水位還是確定近海風(fēng)機(jī)檢修平臺(tái)底高程的主要依據(jù)。為了避免風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)檢修平臺(tái)受到波浪水流及冰等環(huán)境荷載的沖擊，參考海洋平臺(tái)的操作平臺(tái)高程及近岸防波堤堤頂高程的確定方法，建議近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)檢修平臺(tái)底高程的選取應(yīng)大于“極端高水位加極端條件設(shè)計(jì)波浪波高的一半（或三分之二）再加一定的安全超高（如1.5米或1米）”。極端高、低水位

《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）和《灘海環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范》（SY/T4084-95）有對(duì)極端高、低水位的明確說明，前者規(guī)定海港工程的極端高、低水位應(yīng)采用重現(xiàn)期為50年的年極值高、低水位。后者規(guī)定Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)灘海結(jié)構(gòu)物的極端高（低）水位應(yīng)采用重現(xiàn)期為50a的高（低）潮位，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)物的極端高（低）水位應(yīng)采用重現(xiàn)期為25a的高（低）潮位，臨時(shí)性結(jié)構(gòu)物應(yīng)采用2-3倍結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)壽命作為校核高（低）水位的重現(xiàn)期。結(jié)合海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)特點(diǎn)以及第四章提及的其他規(guī)范對(duì)極端環(huán)境條件重現(xiàn)期的規(guī)定。建議取海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的極端高、低水位采用重現(xiàn)期為50年的年極值高、低水位。極端水位的統(tǒng)計(jì)方法和波浪極值統(tǒng)計(jì)方法一致，所不同的只是選用的理論累積頻率曲線不再是皮爾遜Ⅲ型，而是采用耿貝爾曲線。波浪荷載計(jì)算

在近海工程中，如海上平臺(tái)，離岸式碼頭等建筑物，它們的水下結(jié)構(gòu)往往是由一系列墩柱組成的，因此這類建筑物的主要外力之一就是作用在其上波浪力。在工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算作用在墩柱上的波浪力的方法，應(yīng)用較多的有兩個(gè)：一是于1950年由Morison等人提出的稱之為Morison方程的計(jì)算方法，這個(gè)方法的基本假定是認(rèn)為當(dāng)墩柱尺度與波長(zhǎng)相比較小時(shí)，墩柱的存在并不影響波動(dòng)場(chǎng)，故作用在墩柱上的波浪力，除與墩柱尺度有關(guān)外，取決于未被墩柱擾動(dòng)的波動(dòng)場(chǎng)內(nèi)在墩柱軸線處的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和加速度；另一個(gè)方法是1954年由MacCamy和Fuchs提出的繞射理論，它假定流體是無粘的，運(yùn)動(dòng)是有勢(shì)的，并利用了線性化的自由水面邊界條件。由于這兩種方法都各有其基本假定，因此它們都有一定的適用范圍。D~3-5mL~50-150m

D/L≤0.2基于Morison方程的波浪力計(jì)算方法（海港水文規(guī)范）Morison方程Morison方程是1950年Morison等人引入的一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)Morison方程，作用在圓柱上的作用力可以分為兩部分：一部分為由于波浪本身運(yùn)動(dòng)沖擊樁的拖曳力；一部分為波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起的對(duì)樁柱的慣性力。公式的物理意義在于將波浪作用于樁柱結(jié)構(gòu)上的力分解為速度分力和慣性分力，再按力矢合成原理，將速度分力和慣性分力迭加，其合力才是波浪對(duì)樁柱結(jié)構(gòu)的作用力。從原理而言，Morison公式只能適用于D/L≤0.2的小尺度樁柱，其中D為樁柱直徑，L為波長(zhǎng)，超過此范圍的大尺度樁柱需要考慮繞射效應(yīng)，不過大部分規(guī)范仍會(huì)先由Morison公式算出初值，然后籍由多年的研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修訂。Morison方程Morison方程式中,--波浪力的速度分力（KN/m);--波浪力的慣性分力（KN/m)；--水的重度（KN/m3）,可取9.8KN/m3

g--重力加速度（m/s2），可取9.8m/s2；a、b--矩形柱體斷面垂直和平行于波向的寬度（m）;D--柱體直徑（m），當(dāng)為矩形斷面時(shí)，D改為b(m);A--柱體的斷面面積（m2）；、--分別為水質(zhì)點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)的水平速度（m/s）和水平加速度（m/s2);、--分別為速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)，不同的規(guī)范對(duì)和有著不同的取值方向。Morison方程《Designofoffshorewindturbinestructure》（DNV-OS-J101）給出的取值方法如下式中，為穩(wěn)定流拖曳力系數(shù)，其值由結(jié)構(gòu)物表面粗糙程度確定，其經(jīng)驗(yàn)公式為：式中，k為表示表面粗糙程度的物理量，單位為m，對(duì)于新的裸鋼和有圖層的鋼，如海上風(fēng)能基礎(chǔ)常用的鋼管結(jié)構(gòu)都可以認(rèn)為是光滑的；對(duì)于混凝土和高度腐蝕的鋼，k=0.003m;對(duì)于有附著海生物的，k=0.005～0.05m。KC為Keulegan-Carpenter數(shù)，其表達(dá)式為：式中，為靜水面最大水平粒子速度，T為波浪周期。Morison方程為和的函數(shù)，其值可以由圖查到，實(shí)線對(duì)應(yīng)光滑，虛線對(duì)應(yīng)粗糙，介于光滑和粗糙之間可由線性插值得到。該指南同時(shí)還指出對(duì)于淺海以及波生流比較顯著的近岸海域，的取值不能低于2.0。Morison方程《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）指出由和應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定，在缺少資料時(shí)，對(duì)圓形斷面可取，?！逗８鬯囊?guī)范》（JTJ213-98）和《灘海環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范》（SY/T4084-95）在參考前蘇聯(lián)規(guī)范以及美、日資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)1966年進(jìn)行的823工程原型觀測(cè)資料，對(duì)圓形斷面取，對(duì)方形或的矩形斷面?。粚?duì)圓形斷面取，對(duì)方形或的矩形斷面取。這一取值與《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）和《Designofoffshorewindturbinestructure》（DNV-OS-J101）相比，更為安全。Morison方程小尺度單樁最大作用力和力矩計(jì)算作用于整個(gè)柱體高度上的最大速度分力和最大慣性分力，可按下列規(guī)定確定。

當(dāng)和或和時(shí)，按下列方法確定：沿柱體高度選取不同z值,根據(jù)公式（6-1）和（6-2）分別計(jì)算和時(shí)的和，計(jì)算點(diǎn)不宜少于5個(gè)點(diǎn)，其中，和三點(diǎn)。為任意相位時(shí)波面在靜水面以上的高度。當(dāng)時(shí)，，為波峰在靜水面以上的高度，按圖6.3確定；當(dāng)時(shí)，。若沿柱體高度斷面有變化時(shí)，則在交界面上下應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算。由和分布圖形即可算出總的和。Morison方程Morison方程當(dāng)和間柱體斷面相同時(shí)，作用于該段上的和分別按下列公式計(jì)算：和對(duì)斷面的力矩和分別按下列公式計(jì)算：Morison方程若沿整個(gè)柱體高度斷面相同，則在計(jì)算整個(gè)柱體的及其對(duì)水底面的力矩時(shí)，應(yīng)取和；而在計(jì)算整個(gè)柱體上的及其對(duì)水底面的力矩時(shí)，應(yīng)取和。作用于整個(gè)柱體高度上任何相位時(shí)的正向水平總波浪力，可按下式計(jì)算：Morison方程作用于整個(gè)柱體高度上的最大總波浪力和最大總波浪力矩可按下列公式計(jì)算當(dāng)時(shí)，正向水平最大總波浪力按下式計(jì)算：此時(shí)相位為對(duì)于水底面的最大總波浪力矩按下式計(jì)算：當(dāng)時(shí)，正向水平最大總波浪力按下式計(jì)算：此時(shí)相位為最大總用力和力矩確定后，作用點(diǎn)的位置便可以確定了，作用點(diǎn)距底面的距離為。對(duì)于水底面的最大總波浪力矩按下式計(jì)算：Morison方程小尺度群樁效應(yīng)對(duì)于小直徑樁柱組成的群樁結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)波浪的計(jì)算剖面來確定同一時(shí)刻各樁上的正向水平總波浪力P。當(dāng)樁的中心距l(xiāng)小于4倍樁的直徑D時(shí)，應(yīng)乘以群樁系數(shù)K，K值可按表6.1采用。表6.1群樁系數(shù)K234234垂直于波向1.51.251.0平行于波向0.850.91.0樁列方向l/D樁列方向l/D近海水流近海水流

近岸海流一般可分為潮流和非潮波。前者是海水受日、月等天體引潮力作用而產(chǎn)生的海水周期性的水平運(yùn)動(dòng)；后者又可分為永久性和暫時(shí)性的二類；永久性的海流是眾所周知的大洋環(huán)流，如赤道流、墨西哥灣流、黑潮等；暫時(shí)性的海流主要是因氣象因素變化，如風(fēng)和浪的作用所產(chǎn)生的風(fēng)吹流和近岸流。外海海水流動(dòng)的形式很多，按其生成原因可分為下列幾種：（1）潮流由日、月等天體引潮力作用引起的，與潮汐伴隨產(chǎn)生的周期性海水水平運(yùn)動(dòng)。（2）漂流由于風(fēng)和水面的摩擦作用所引起的海流，其流向受地球自轉(zhuǎn)偏向力的影響，在北半球偏于風(fēng)向的右方，在南半球偏于左方。（3）氣壓梯度流由于大氣壓力的改變，致使高氣壓區(qū)水位降低，而低氣壓區(qū)水位增高，由此產(chǎn)生的海流稱為氣壓梯度流。（4）密度梯度流由于水層溫度和鹽度分布的不均勻，因此海區(qū)內(nèi)水團(tuán)密度分布也不均勻，由此產(chǎn)生的海流稱為密度梯度流。（5）補(bǔ)償流海水水團(tuán)的流動(dòng)必然在某些海區(qū)形成海水的虧缺，此虧缺必須由近水團(tuán)來補(bǔ)充，由此產(chǎn)生的海流稱為補(bǔ)償流。此外，近岸特有的水流還有以下兩種：（1）河川泄流由于河川徑流入海，在河口附近的海區(qū)所引起的海水流動(dòng)稱為河川泄流。（2）波浪流是由于在近岸區(qū)波浪破碎而形成的一種水平流動(dòng)稱為波浪流。潮流潮波是由天體如月亮、太陽等對(duì)地球的引力作用所產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)，是一種長(zhǎng)波，具有固定的頻率，其周期約與天體運(yùn)行的周期相一致，在半日或一天以上，波長(zhǎng)約有數(shù)百或數(shù)千公里。潮波內(nèi)無數(shù)水質(zhì)點(diǎn)以一定的相位差相繼運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成潮波的傳播，表現(xiàn)在垂直方向的潮位升降和水平方向的潮流漲落。潮位和潮流是潮波的主要運(yùn)動(dòng)特征，其中潮流是根本的特征，因?yàn)槌蔽蛔兓饕浅绷鞯臐q落引起的，但潮位的升降是最明顯的特征。任意一個(gè)潮波的潮位可表示為：式中，f、u分別表示因月球軌道18.6年變化引入的對(duì)平均振幅H和相角的訂正值；g為遲角；σ為潮波角速率；V0為天文初相角；H、g就是潮波的調(diào)和常數(shù)。一般說來，它們是由海區(qū)的深度、地形、岸線外形等自然條件決定的，所謂“常數(shù)”是指自然條件相對(duì)穩(wěn)定而言的。潮流潮流-調(diào)和分析-調(diào)和分析

在調(diào)和分析中，潮波的選取與觀測(cè)時(shí)間有關(guān)，一般分離63個(gè)朝波需要一年的資料。實(shí)踐證明，在眾多潮波中，起主要作用的有11個(gè)，其中包括4個(gè)半日潮波M2,S2,N2,K2，4個(gè)日潮波K1,O1,P1,Q1，以及3個(gè)淺水潮波M4,MS4,M6，而這11個(gè)潮波用1個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)資料就可分離出來。表1.1列出了這11個(gè)潮波的名稱及其角速率。表1.1主要潮波及角速率潮波M2S2N2K2K1O1角速率(o/h)28.984104230.028.439729530.082137315.041068613.9430356潮波P1Q1M4MS4M6角速率(o/h)14.958931413.398660957.968208458.984104286.9523126潮汐性質(zhì)是指潮汐類型，根據(jù)潮型數(shù)進(jìn)行劃分。潮型數(shù)A表示三個(gè)主要潮波（M2,K1,O1)的相對(duì)重要性。根據(jù)A值的大小，潮汐一般可劃分為四種類型，即：正規(guī)半日潮（），不正規(guī)半日潮（），不正規(guī)全日潮（）和正規(guī)半日潮（）。潮流種類名稱符號(hào)速度(度/平/太陽時(shí))周期(h)半日分潮主太陰半日分潮M228.9812.42主太陰橢圓率半日分潮N228.4412.66主太陽半日分潮S230.0012.00主太陰赤緯半日分潮K230.8214.96日分潮主太陰日分潮O(jiān)113.9425.82主太陰橢圓率日分潮Q113.4026.87主太陽日分潮P114.9624.07主太陰赤緯日分潮K115.0423.93淺海分潮太陰淺海分潮M457.966.21太陰太陽淺海分潮MS458.986.10太陽淺海分潮M686.944.14若以“潮形函數(shù)”來劃分潮汐類型，則大致可分為：規(guī)則半日潮不規(guī)則半日潮不規(guī)則日潮潮流潮余流分離時(shí)刻流流的分離潮流流速U(cm/s)流向θ(o)東分北分（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）0111299-72212715810-253-16235181-1-35-8-16329181-1-29-8-2643415415-318-2053011926-1519-2261910618-511-671110111-247878571010潮流和余流分離計(jì)算表表8-2潮余流分離時(shí)刻流流的分離潮流流速U(cm/s)流向θ(o)東分北分91081528-517113169-11811153991222112111643-11-4-213271762-27-5-181423205-10-21-17-121531191-6-30-13-2116331649-322-23173213523-23169110191210612-3562010751033122116356-116-8252221336-919-16282323351-423-1132計(jì)算過程列于表8-2，其東分流流速與北分流流速分別為：

余流流速為：余流流向?yàn)椋?/p>

根據(jù)表8-2第（6）、（7）兩欄的數(shù)值，可算出各時(shí)刻的潮流流速和流向，從而可繪出潮流橢圓圖。潮余流分離Homework水流力計(jì)算水流力公式《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ215-98）規(guī)定，作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計(jì)算：（7-1）式中，——水流力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）；

——水流設(shè)計(jì)流速（m/s），具體取值方法見7.2節(jié)；

——水的密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025；

——計(jì)算構(gòu)件在與水流垂直平面上的投影面積（m2）；

——水流阻力系數(shù)，具體取值方法見7.3節(jié)內(nèi)容。水流力計(jì)算

水流力作用點(diǎn)水流力的作用方向與水流方向一致，合力作用點(diǎn)位置可按下列規(guī)定采用：（1）上部結(jié)構(gòu)：位于阻水面積形心處；（2）下部結(jié)構(gòu)：頂面在水面以下時(shí)，位于頂面以下1/3高度處：頂面在水面以上時(shí)，位于水面以下1/3水深處。下部結(jié)構(gòu)水流力作用點(diǎn)示意圖如圖7.1所示，其中h為水深，l為構(gòu)件長(zhǎng)度水流力計(jì)算水流設(shè)計(jì)流速的推算

《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ215-98）和《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）都指出水流設(shè)計(jì)流速可采用港口工程或海洋平臺(tái)所處范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大平均流速?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）建議其值最好根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料整理分析后確定，或者分別計(jì)算潮流和余流流速，然后進(jìn)行疊加。水流力計(jì)算最大潮流流速計(jì)算方法（1）對(duì)規(guī)則半日潮流海區(qū)按下式計(jì)算：（7-2）式中，——潮流的可能最大流速（流速：m/s，流向：）；

——分別為主太陰半日分潮流、主太陽半日分潮流、太陰太陽赤緯日分潮流、主太陰日分潮流、太陰四分之一日分潮流和太陰太陽四分之一日分潮流的橢圓長(zhǎng)半軸矢量。（2）對(duì)規(guī)則全日制潮流海區(qū)按下式計(jì)算：

（3）對(duì)不規(guī)則半日潮流海區(qū)和不規(guī)則全日潮流海區(qū)，采用式（7-2）和式（7-3）中的最大值水流力計(jì)算最大余流流速計(jì)算方法

有關(guān)最大可能余流流速（m/s），《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）指出余流主要為由風(fēng)引起的風(fēng)海流，利用其與風(fēng)速的近似關(guān)系，可對(duì)其進(jìn)行估算：（7-4）

式中，V——10分鐘最大持續(xù)風(fēng)速（m/s）；

——系數(shù)，一般0.024≤≤0.05（渤海采用0.025，南海采用0.05）。近海余流的流向近似與風(fēng)向一致。水流力計(jì)算資料不足時(shí)的水流流速計(jì)算方法《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）和《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J101）都指出水流流速隨水深變化，其變化規(guī)律應(yīng)盡量通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定，同時(shí)也給出了實(shí)測(cè)資料不足時(shí)的估算方法：（7-5）式中，——設(shè)計(jì)泥面以上x高度處的水流速度（m/s）；

——水面的潮流速度（m/s)；

——風(fēng)在水面引起的水流速度（m/s）。

水流力計(jì)算

水流阻力系數(shù)的選取《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）指出應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定，在實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件可??；《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ215-98)給出了比較明確的取值方法，該規(guī)范規(guī)定對(duì)圓形墩柱構(gòu)件，取，并按照下列規(guī)定進(jìn)行修訂。水流力計(jì)算水流阻力系數(shù)的選?。?）當(dāng)計(jì)算作用于沿水流方向排列的墩、柱構(gòu)件上的水流力時(shí)應(yīng)將各構(gòu)件的水流阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的遮流影響系數(shù)。遮流影響系數(shù)可按表7.1選用：表7.1遮流影響系數(shù)前墩后墩L/D123468121618＞20后墩-0.380.250.540.660.780.820.860.880.901.00前墩1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0水流力計(jì)算水流阻力系數(shù)的選?。?）當(dāng)需要考慮構(gòu)件淹沒深度和水深對(duì)水流力的影響時(shí)應(yīng)根據(jù)構(gòu)件淹沒深度和水深將水流阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的淹沒深度影響系數(shù)和水深影響系數(shù)，和也可按表7.2及表7.3選用：表7.2淹沒深度影響系數(shù)

表7.3墩柱相對(duì)水深影響系數(shù)0.51.01.52.02.252.53.03.54.05.0≥6.00.700.890.960.991.00.990.990.970.950.880.84124681012≥140.760.780.820.850.890.930.971.0水流力計(jì)算水流阻力系數(shù)的選?。?）當(dāng)需要考慮墩柱間橫向影響時(shí)應(yīng)將水流阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的橫向影響系數(shù)和水深影響系數(shù)，可按表7.4選用。表7.4墩柱水流力橫向影響系數(shù)名稱簡(jiǎn)圖圓端墩3710≥151.831.251.151.0方形墩46810≥121.211.081.061.031.0水流力計(jì)算水流阻力系數(shù)的選取

（4）當(dāng)需要考慮墩、柱受斜向水流作用的影響時(shí)，應(yīng)將水流阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的影響系數(shù)，可按表7.5選用。表7.5墩柱水流受斜向水流作用的影響系數(shù)名稱簡(jiǎn)圖圓端墩0510151.01.131.251.37方形墩0102030≥451.00.670.670.710.75冰荷載計(jì)算

近海區(qū)域的海冰主要有單層冰、重疊冰和堆積冰三種類型，對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用和影響可能有以下幾種：（1）在海流及風(fēng)的作用下，大面積冰層擠壓結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的靜壓力；（2）自由漂移的流冰對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的動(dòng)壓力；（3）冰覆蓋層受溫度影響膨脹時(shí)的靜壓力；（4）凍結(jié)的冰層因水位升降對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向作用力等。其中，流冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)壓力一般只發(fā)生在流速較大的區(qū)域；冰膨脹時(shí)的靜壓力一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)布置較密的區(qū)域，當(dāng)冰層溫度急劇上升導(dǎo)致冰體積膨脹受到結(jié)構(gòu)約束的情況；水位變化導(dǎo)致粘附在結(jié)構(gòu)表面的冰層對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向作用力一般較小，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不起控制作用；冰層擠壓結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的靜壓力對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，是海工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常常需要考慮的冰荷載。冰荷載計(jì)算設(shè)計(jì)所需資料在考慮冰情時(shí)，應(yīng)取得下列資料作為設(shè)計(jì)的依據(jù)：（1）固定冰和流冰在灘海區(qū)域的作用范圍；（2）流冰冰塊的大?。▎蝹€(gè)冰塊的最大水平尺度）、流動(dòng)方向和流動(dòng)速度；（3）固定冰、流冰（包括單層冰、重疊冰和堆積冰）的厚度；（4）流冰期間的氣溫、水溫和冰溫；（5）固定冰期和流冰期及起止時(shí)間的范圍；（6）海冰的物理、力學(xué)性能指標(biāo)，包括密度、溫度、鹽度、彈性模量，泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、凍結(jié)強(qiáng)度等。冰荷載計(jì)算計(jì)算方法海冰主要有單層冰、重疊冰和堆積冰三種類型。運(yùn)動(dòng)的冰排或固定的冰原受到結(jié)構(gòu)物阻攔時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的作用力隨冰排或冰原的運(yùn)動(dòng)而逐漸加大，當(dāng)增至足夠大時(shí)，冰自身破壞，它對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用力也達(dá)到了極值。當(dāng)該作用力大于結(jié)構(gòu)物所能承受的臨界載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)物就會(huì)破壞。冰荷載的這種變化過程受控于冰的破壞類型。所以，冰自身破壞的類型和過程直接決定了它對(duì)結(jié)構(gòu)物作用的模式、過程和作用力的大小。運(yùn)動(dòng)著的冰排在結(jié)構(gòu)物前可能發(fā)生的破壞類型有擠壓破壞、彎曲破壞和縱向剪切破壞，冰的破壞類型不同，對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用力大小也不同。各種冰的破壞形式中，一般以擠壓破壞對(duì)樁柱產(chǎn)生的冰力最大，彎曲破壞的冰力最小。因此，在進(jìn)行冰荷載計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)海冰類型和結(jié)構(gòu)形式的不同，分別考慮。冰荷載計(jì)算

單層冰或冰板擠壓垂直樁柱產(chǎn)生的水平力式中，

——水平冰力（KN）；

——樁柱形狀系數(shù)，對(duì)圓截面樁柱采用0.9；

——嵌入系數(shù)，渤海灣地區(qū)粒狀海冰在大的徑厚比情況下可取1.2；

——樁柱與冰層的接觸系數(shù)，渤海灣地區(qū)可取0.45；

——冰的極限（無側(cè)限）抗壓強(qiáng)度（kpa）；

——冰接觸區(qū)結(jié)構(gòu)的直徑或?qū)挾龋╩）；

——冰層的厚度（m）。

冰荷載計(jì)算單層冰或大塊浮冰沿錐形結(jié)構(gòu)發(fā)生向上彎曲破壞式中，——作用在錐體上的水平力（KN）；——作用在錐體上的垂直力（KN）；——水的單位質(zhì)量（kg/m3）；——單層冰的彎曲強(qiáng)度（kpa）；——冰厚（m）——冰上爬的厚度（m）；——水線處錐體的直徑（m）；——錐體頂部直徑（m）；——重力加速度（m/s2）；冰荷載計(jì)算單層冰或大塊浮冰沿錐形結(jié)構(gòu)發(fā)生向上彎曲破壞A1，A2，A3，A4，B1，B2--無因次系數(shù)，由圖8.2查得，圖中，μ是冰雨結(jié)構(gòu)之間的摩擦系數(shù)，α是水平線所成的錐角（°）冰荷載計(jì)算冰脊作用于結(jié)構(gòu)物上的破壞荷載式中，F(xiàn)ur,s--結(jié)構(gòu)物對(duì)冰脊的剪切破壞冰力（KN）；B--冰脊寬（m）； hk--冰脊深（m）；ρw--水的單位質(zhì)量（kg/m3)；ρi--冰的單位質(zhì)量(kg/m3)；g--重力加速度（m/s2）；--非固結(jié)碎冰的內(nèi)摩擦角（°）；Fi0--冰脊對(duì)結(jié)構(gòu)物的擠壓破壞荷載（KN）；Hk--非固結(jié)冰脊寬度（m）；b--結(jié)構(gòu)寬度（m）;r-非固結(jié)冰脊的壓縮強(qiáng)度（kpa）。樁基沖刷問題對(duì)于近海風(fēng)電場(chǎng)，由于波浪和潮流的共同作用，在風(fēng)電塔基周圍將產(chǎn)生局部沖刷，可能影響到風(fēng)電塔基的穩(wěn)定性。研究分析波流共同作用下風(fēng)電塔基的局部沖刷問題，對(duì)于近海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)塔基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，具有重要的理論和實(shí)踐意義。目前，我國(guó)海上風(fēng)電剛起步，國(guó)內(nèi)還沒有計(jì)算海上樁基沖刷這方面的公式，而風(fēng)電塔基沖刷深度對(duì)風(fēng)電塔基的設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。因此，合理確定風(fēng)機(jī)塔基的沖刷深度不僅具有理論意義，而且也具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。研究的主要手段目前對(duì)于樁基局部沖刷的研究主要通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和模型試驗(yàn)來進(jìn)行，且以后者為主。樁基沖刷的問題最早在20世紀(jì)60年代末由Palmer提出，他現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了波浪與水流聯(lián)合作用下單樁周圍海底的沖刷坑形成過程與沖刷速率，得出了一些有益的結(jié)論。樁基沖刷問題樁基沖刷的原因波流共同作用下建筑物周圍基底產(chǎn)生局部沖刷其實(shí)是水動(dòng)力條件和地質(zhì)特性類型相互作用的結(jié)果。建筑物對(duì)于波流的反作用使建筑物附近的局部地區(qū)水流得到加強(qiáng)或是產(chǎn)生漩渦，改變了圓柱周圍的底切應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)，使原本靜止的泥沙起動(dòng)并輸移（波浪掀沙，潮流輸沙），產(chǎn)生局部沖刷，形成沖刷坑。顯然，造成局部沖刷的原因是各種合成波的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起的底切力。在波浪和水流的作用下，一般應(yīng)根據(jù)圓柱直徑D與波長(zhǎng)L比值的大小來分別加以討論。當(dāng)D/L＜0.1~0.15時(shí)為小直徑情況，圓柱對(duì)波浪場(chǎng)幾乎沒有影響，造成局部沖刷的原因是波浪水流經(jīng)過圓柱時(shí)出現(xiàn)的漩渦。當(dāng)D/L＞0.1~0.15時(shí)，為大直徑情況，這時(shí)波浪會(huì)發(fā)生折射和繞射。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)一般屬于小直徑一類，造成局部沖刷的原因是圓柱周圍出現(xiàn)的漩渦。由于沖刷坑的深度對(duì)建筑物的穩(wěn)定性影響最大，因而是局部沖刷問題的關(guān)鍵，下面將介紹幾種最大沖刷深度的計(jì)算公式。樁基沖刷問題（一）波浪作用下小直徑圓柱周圍的局部沖刷1992年，Sumer經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到小直徑圓柱在非線性規(guī)則波作用下的最大沖刷深度計(jì)算公式：（1-1）其中，m是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，m=0.03；Sm為最大沖刷深度，K.C.=UbT/D上式