淺海工程設(shè)計(jì)培訓(xùn)資料

1、1匯報(bào)-淺海工程設(shè)計(jì)2第一篇 潮汐3目 錄v第一節(jié) 潮汐概述 v第二節(jié) 風(fēng)暴潮簡(jiǎn)要介紹v第三節(jié) 設(shè)計(jì)水位第一節(jié) 潮汐概述 潮汐：地球表面水體受月球、太陽引力作用而產(chǎn)生的海面周期性起伏現(xiàn)象。一 影響潮汐變化的天文因素 基本術(shù)語天球、天頂、天底、天極子午圈：過南北天極和某地的天頂、天底的大圓中天：天體經(jīng)過觀測(cè)站子午圈的時(shí)刻天赤道、赤經(jīng)、赤緯 黃道（面）：觀測(cè)者在一年內(nèi)所看到的太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡（面），與赤道面交角23 27，與赤道面由南向北交點(diǎn)為春分，與赤道面由北向南交點(diǎn)為秋分，北南赤緯最大點(diǎn)為夏至和冬至 白道（面）：觀測(cè)者在一年內(nèi)所看到的月球視運(yùn)動(dòng)軌跡（面）與赤道面交角28 35- 18 19 ，與

2、黃道面交角5 8； 白道面與黃道面交點(diǎn)不停地沿黃道面自東向西運(yùn)動(dòng)，每年約20，經(jīng)18.61年后回到原點(diǎn)，潮汐變化的長(zhǎng)周期。平太陽日（日、天）：一回歸年中各真太陽日的平均值為平太陽日（24h）回歸年：太陽連續(xù)兩次經(jīng)過春分點(diǎn)的時(shí)間間隔（365.24天）平太陰日：月球連續(xù)兩次經(jīng)過觀察站天頂?shù)臅r(shí)間為間隔太陰日，各太陰日的年平均值平太陰日。（24小時(shí)50分） 朔望月：月球繞地球運(yùn)動(dòng)，并一起繞太陽公轉(zhuǎn)。月球從滿月的位置出發(fā)，再回到該位置的時(shí)間間隔（29.53天） 二 潮汐現(xiàn)象 1 1、潮汐要素、潮汐要素高潮、低潮；漲潮、落潮；潮高、潮差；潮時(shí)、歷時(shí)。低潮高潮高潮潮差低高潮潮高基準(zhǔn)面落潮漲潮高度時(shí)間落潮歷時(shí)

3、漲潮歷時(shí)高潮高低潮高平潮停潮2 2 潮汐類型潮汐類型 1）半日潮：一個(gè)太陽日內(nèi)兩次高潮和兩次低潮。 2）日潮：一個(gè)太陽日內(nèi)一次高潮和一次低潮。 3）混合潮：不規(guī)則日潮和不規(guī)則半日潮。 某處出現(xiàn)不同類型潮汐，是由該處的位置和太陽、月球和地球三者空間位置決定的。低潮高潮高潮潮差高低潮高潮高高潮低高潮低低潮全日潮混合潮半日潮三 潮汐成因 1 1 潮汐橢圓與地球月運(yùn)動(dòng)潮汐橢圓與地球月運(yùn)動(dòng) 潮汐橢圓：按潮汐靜力學(xué)理論，覆蓋在地球表面的海水，在月、日引力作用下，海面形成橢圓球體。 地球月運(yùn)動(dòng)：地球中心繞地月質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)。 地球繞地、月共同質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)是軌跡為圓周的平移運(yùn)動(dòng)，在平移過程中，地心、月心和地月質(zhì)心恒

4、在一條直線上。 天文學(xué)結(jié)論：當(dāng)?shù)厍蚶@地月質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，地表各點(diǎn)處的離心力大小相等，且大小和方向都與地心處的質(zhì)點(diǎn)離心力相同。feMExy地月離心力R=6371.221km,x=4650kmG GY/X=E/MX=0.73r 月球引力（萬有引力） （月球的引力為太陽引力的2.17倍） 地球上各點(diǎn)的月球引力不相同fgfeMMEExy月球引力（萬有引力）地月離心力R=6371.221km,x=4650km2 月球引潮力 平衡潮理論假設(shè)： 地表覆蓋著等深度的海水，忽略海水運(yùn)動(dòng)的慣性力、柯氏力、海底邊界摩阻力。 MoonEarth地月離心力萬有引力月球引潮力示意圖月球引潮力示意圖月球引潮力ABCD 四 潮汐

5、不等現(xiàn)象 1.1.日不等現(xiàn)象日不等現(xiàn)象 某點(diǎn)處每日兩次高潮，兩次低潮不等，因?yàn)樵虑蚰滁c(diǎn)處每日兩次高潮，兩次低潮不等，因?yàn)樵虑虺嗑暯浅嗑暯亲兓兓鸲?2. 2.半月不等現(xiàn)象半月不等現(xiàn)象 地球，太陽和月球三者空間關(guān)系不同，形成朔望潮（初一和地球，太陽和月球三者空間關(guān)系不同，形成朔望潮（初一和十五）和方照潮（上弦：初七、初八，下弦：廿二、廿三）。十五）和方照潮（上弦：初七、初八，下弦：廿二、廿三）。 3. 3.月不等現(xiàn)象月不等現(xiàn)象 月球繞地球橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，每月一次遠(yuǎn)地潮，一次近地潮。月球繞地球橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，每月一次遠(yuǎn)地潮，一次近地潮。 4. 4.年不等現(xiàn)象年不等現(xiàn)象 地球繞太陽橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)

6、，每年中地日距離不斷變化造成地球繞太陽橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，每年中地日距離不斷變化造成。 5.5.多年不等現(xiàn)象多年不等現(xiàn)象 黃道與白道交點(diǎn)以周期為黃道與白道交點(diǎn)以周期為18.6118.61年不斷移動(dòng)而引起年不斷移動(dòng)而引起M北南AM北南A赤緯角潮汐日不等示意圖SunMoonEarthSunEarthMoon潮汐半月不等現(xiàn)象日、地、月成直角關(guān)系日、地、月在直線上初一初一:新月或朔月新月或朔月初七初七:上弦上弦月月十五十五:望月或滿月望月或滿月二十三二十三:下弦月下弦月潮潮差差小小潮差大潮差大(1)圖中深綠色正圓表示圖中深綠色正圓表示地球，其上紅色箭頭表地球，其上紅色箭頭表示地球的自轉(zhuǎn)示地球的自轉(zhuǎn)（2）外圈

7、紅色箭頭表）外圈紅色箭頭表示月球的公轉(zhuǎn)方向示月球的公轉(zhuǎn)方向（3）兩個(gè)淺綠色橢圓）兩個(gè)淺綠色橢圓表示太陽、月球?qū)Φ厍虮硎咎?、月球?qū)Φ厍虻囊Γ瑑烧邫M向疊加的引力，兩者橫向疊加出現(xiàn)大潮，垂直疊加出出現(xiàn)大潮，垂直疊加出現(xiàn)小潮；現(xiàn)小潮；（4）日地月三者關(guān)系）日地月三者關(guān)系圖應(yīng)與左下角潮差變化圖應(yīng)與左下角潮差變化圖對(duì)應(yīng)分析大、小潮與圖對(duì)應(yīng)分析大、小潮與月相變化的關(guān)系。月相變化的關(guān)系。潮汐月不等和年不等現(xiàn)象示意圖SunMoonEarth五五 基準(zhǔn)面與特征潮位基準(zhǔn)面與特征潮位 海岸與海洋工程中，高程測(cè)量和水深測(cè)量的起算面海岸與海洋工程中，高程測(cè)量和水深測(cè)量的起算面（零面）稱為基準(zhǔn)面。（零面）稱為基準(zhǔn)面。

8、平均海平面平均海平面全國(guó)統(tǒng)一采用全國(guó)統(tǒng)一采用“黃海平均海平面黃海平均海平面”作為陸地高程起算面，它是青島作為陸地高程起算面，它是青島驗(yàn)潮站多年（驗(yàn)潮站多年（ 19 年）的每小時(shí)潮位年）的每小時(shí)潮位觀測(cè)記錄的平均潮平面。隨著觀測(cè)資觀測(cè)記錄的平均潮平面。隨著觀測(cè)資料的積累，重新核算的料的積累，重新核算的“1985 國(guó)家高國(guó)家高程基準(zhǔn)程基準(zhǔn)”比比“1956黃海高程基準(zhǔn)黃海高程基準(zhǔn)”高高0.0389m 。 2. 海圖深度基準(zhǔn)面海圖深度基準(zhǔn)面 由于潮位的升降，實(shí)際海面大約有一半時(shí)間低于平均海由于潮位的升降，實(shí)際海面大約有一半時(shí)間低于平均海平面，如果以平均海平面作為深度起算面，那么實(shí)際水深將平面，如果以平

9、均海平面作為深度起算面，那么實(shí)際水深將有一半左右時(shí)間小于海圖中標(biāo)出的水深。為了保證航海安有一半左右時(shí)間小于海圖中標(biāo)出的水深。為了保證航海安全，海圖中標(biāo)出的深度最好接近最小深度，即在絕大部分全，海圖中標(biāo)出的深度最好接近最小深度，即在絕大部分時(shí)間內(nèi)，實(shí)際水深大于海圖水深。為此，海圖深度基準(zhǔn)面時(shí)間內(nèi)，實(shí)際水深大于海圖水深。為此，海圖深度基準(zhǔn)面即潮汐可能到達(dá)的最低潮面，即潮汐可能到達(dá)的最低潮面， 潮汐表潮汐表 上所預(yù)報(bào)的潮位值也有一個(gè)起算面，上所預(yù)報(bào)的潮位值也有一個(gè)起算面，這個(gè)起算面稱為潮高基準(zhǔn)面。它是平均海平面下的一這個(gè)起算面稱為潮高基準(zhǔn)面。它是平均海平面下的一個(gè)面，在個(gè)面，在 潮汐表潮汐表 中都有

10、注明，它與海圖深度基中都有注明，它與海圖深度基準(zhǔn)面不一定一致，因此任何時(shí)刻某海區(qū)某處的實(shí)際水準(zhǔn)面不一定一致，因此任何時(shí)刻某海區(qū)某處的實(shí)際水深就等于海圖深度加上這兩個(gè)基準(zhǔn)面之間的差值和該深就等于海圖深度加上這兩個(gè)基準(zhǔn)面之間的差值和該海區(qū)海區(qū) 潮汐表潮汐表 上的潮位預(yù)報(bào)值。上的潮位預(yù)報(bào)值。3. 潮高基準(zhǔn)面潮高基準(zhǔn)面4. 筑港零點(diǎn)筑港零點(diǎn)在附近地區(qū)已經(jīng)建有港口時(shí)，由于這些港口建設(shè)初期已經(jīng)在附近地區(qū)已經(jīng)建有港口時(shí)，由于這些港口建設(shè)初期已經(jīng)規(guī)定了一個(gè)零點(diǎn)，而且一些歷史資料都以這個(gè)零點(diǎn)為基準(zhǔn)，規(guī)定了一個(gè)零點(diǎn)，而且一些歷史資料都以這個(gè)零點(diǎn)為基準(zhǔn)，所以把它稱為筑港零點(diǎn)。所以把它稱為筑港零點(diǎn)。 工程上常用到的特

11、征潮位： 1）最高潮位及最低潮位 指歷史上曾觀測(cè)到的最高和最低潮位。 2）平均最高潮位及平均最低潮位 將多年潮位資料中每年的最高和最低潮位進(jìn)行平均得到的值。 3）大潮平均最高潮位及大潮平均最低潮位 將每月的兩次大潮潮位取多年平均得到的值。 4）小潮平均最高潮位及小潮平均最低潮位 將每月的兩次小潮的潮位取多年平均得到的值。 第二節(jié) 風(fēng)暴潮簡(jiǎn)要介紹風(fēng)暴潮：又稱氣象潮，是一種由非天文因素(海面強(qiáng)風(fēng)或氣壓驟變等)引起的海面異常升降現(xiàn)象，使水位大大超過正常潮位。 20070304風(fēng)暴潮.flv強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變常常引起風(fēng)暴潮，并在沿海地區(qū)造成很大災(zāi)害。依據(jù)誘發(fā)風(fēng)暴潮的大氣擾動(dòng)特征，通常可把風(fēng)暴潮分為熱帶風(fēng)暴

12、（臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等）引起的風(fēng)暴潮和溫帶氣旋引起的風(fēng)暴潮兩類，其區(qū)別在于前者一般伴隨急劇的水位變化，后者的水位變化是緩慢而持續(xù)的。風(fēng)暴潮的形成可以這樣描述：當(dāng)海上突然出現(xiàn)一個(gè)風(fēng)暴，風(fēng)暴中心氣壓降低，并引起此處海面上升。同時(shí)，風(fēng)暴中心周圍的強(qiáng)風(fēng)以湍流切應(yīng)力的作用引起表面海水形成一個(gè)與風(fēng)場(chǎng)同樣的氣旋式的環(huán)流，但由于地球自轉(zhuǎn)形成的地轉(zhuǎn)偏向力的作用，海流在北半球?qū)⑾蛴移?，形成一個(gè)表面海水的輻散。由于海水運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，深層海水必將上涌補(bǔ)償，這樣又在深層海水中形成一個(gè)輻聚，深層海水的輻聚又由于地轉(zhuǎn)偏向力的影響形成一個(gè)環(huán)流。一時(shí)間，深層環(huán)流、海水上涌、海面環(huán)流、風(fēng)場(chǎng)低壓共同引起局部海面隆起，并以孤立波形式隨著風(fēng)暴

13、的移動(dòng)而傳播，與此同時(shí)，也形成了由風(fēng)暴中心向四面八方傳播出去的自由長(zhǎng)波，于是乎，風(fēng)暴潮形成。我國(guó)風(fēng)暴潮具有如下四個(gè)特點(diǎn)：1風(fēng)暴潮發(fā)生的次數(shù)頻繁；2風(fēng)暴潮一年四季均可發(fā)生；3風(fēng)暴潮潮位高、增水大；4形成風(fēng)暴潮的影響因素復(fù)雜。（寒潮、低壓、臺(tái)風(fēng)）風(fēng)暴潮的形成外在因素：風(fēng)暴潮的形成外在因素：l一是有利的地形，即海岸線或海灣地形呈一是有利的地形，即海岸線或海灣地形呈喇叭口狀，海灘平緩，使海浪直抵灣頂，不喇叭口狀，海灘平緩，使海浪直抵灣頂，不易向四周擴(kuò)散。易向四周擴(kuò)散。l二是持續(xù)的刮向岸大風(fēng)，如經(jīng)常出現(xiàn)的秋二是持續(xù)的刮向岸大風(fēng)，如經(jīng)常出現(xiàn)的秋冬季寒潮東北風(fēng)、夏季臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋帶來冬季寒潮東北風(fēng)、夏季臺(tái)風(fēng)

14、和熱帶氣旋帶來的東南風(fēng)。由于強(qiáng)風(fēng)或氣壓驟變等強(qiáng)烈的天的東南風(fēng)。由于強(qiáng)風(fēng)或氣壓驟變等強(qiáng)烈的天氣系統(tǒng)對(duì)海面作用，導(dǎo)致海水位急劇升降。氣系統(tǒng)對(duì)海面作用，導(dǎo)致海水位急劇升降。l三是逢農(nóng)歷初一、十五的天文大潮、它是三是逢農(nóng)歷初一、十五的天文大潮、它是形成風(fēng)暴潮的主體。當(dāng)天文大潮與持續(xù)的向形成風(fēng)暴潮的主體。當(dāng)天文大潮與持續(xù)的向岸大風(fēng)遭遇時(shí)，就形成了破壞性的風(fēng)暴潮。岸大風(fēng)遭遇時(shí)，就形成了破壞性的風(fēng)暴潮。 第三節(jié)設(shè)計(jì)水位第三節(jié)設(shè)計(jì)水位一、設(shè)計(jì)水位的概念 設(shè)計(jì)水位指設(shè)計(jì)潮位，包括設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、校核高水位、校核低水位。 1.1.設(shè)計(jì)高、低水位設(shè)計(jì)高、低水位：指建筑物在正常使用條件下的高、低水位。 2.2

15、.校核高、低水位校核高、低水位：指建筑物在非正常使用條件下的高、低水位，非正常使用條件指在存在天文潮的同時(shí)又存在風(fēng)暴潮、低壓、海嘯等非天文因素的情況。此時(shí)水位為正常潮位與非天文增水之和。二、設(shè)計(jì)水位的確定(我國(guó)沿海港口工程技術(shù)規(guī)范) 1. 1.設(shè)計(jì)高水位設(shè)計(jì)高水位：從高潮位累積頻率累積頻率（P=m/n）曲線查取10%累積頻率對(duì)應(yīng)的潮位為設(shè)計(jì)高潮位。 2.2.設(shè)計(jì)低水位設(shè)計(jì)低水位：從低潮位累積頻率曲線查取90%累積頻率對(duì)應(yīng)的潮位為設(shè)計(jì)低潮位。三、校核水位的確定 利用多年的最高（低）潮位資料，擬合某一極值理論分布曲線，推算50年或100年一遇的極高潮位或極低潮位，作為校核水位。累積頻率 P潮位5.

16、03.01.00.100.90高潮位累積頻率曲線低潮位累積頻率曲線潮位累積頻率曲線31第二篇 海浪32目 錄v第一節(jié) 波浪概述 v第二節(jié) 前進(jìn)波、駐波和群波v第三節(jié) 風(fēng)浪、涌浪和近岸浪v第四節(jié) 統(tǒng)計(jì)波高與設(shè)計(jì)波浪v第五節(jié) 小特征尺度結(jié)構(gòu)的波浪荷載33第一節(jié)波浪概述波浪概述一、波浪要素一、波浪要素v波峰波面的最高點(diǎn)。v波谷波面的最低點(diǎn)。v波高（H）相鄰波峰與波谷之間的垂直距離。v波長(zhǎng)（）相鄰兩波峰或相鄰兩波谷之間的水平距離。v波幅（a）波高的一半，a=H/2。34波浪要素v波陡（）波高與波長(zhǎng)之比，H/。v周期（T）相鄰的兩波峰或兩波谷相繼通過一固定點(diǎn)所需要的時(shí)間。v頻率（f）周期的倒數(shù)，f1/T

17、。v波速（C）波峰或波谷在單位時(shí)間內(nèi)的水平位移（波形傳播的速度），C/ T。v波峰線通過波峰垂直于波浪傳播方向的線。v波向線波形傳播的方向線，垂直于波峰線。由于不同波長(zhǎng)的波浪其傳播速度并不一樣，因此同一波源所產(chǎn)生的各種不同頻率波浪在向外傳播時(shí)會(huì)發(fā)生分離的現(xiàn)象，此即色散現(xiàn)象(Dispersion)例如臺(tái)風(fēng)尚在遠(yuǎn)海，但長(zhǎng)涌已先至海濱又如向水潭丟石產(chǎn)生圓形重力波，外緣為長(zhǎng)波，內(nèi)側(cè)波長(zhǎng)較短。 36二、波浪的分類v（1）風(fēng)浪和涌浪 風(fēng)浪：風(fēng)的直接作用引起的水面波動(dòng)（無風(fēng)不起浪）。涌浪：風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)傳至遠(yuǎn)處，或者風(fēng)區(qū)里風(fēng)停息后所遺留下來的波浪（無風(fēng)三尺浪）v（2）潮波海水在月球和太陽引潮力作用下發(fā)生的長(zhǎng)周

18、期波稱為潮波。由此引起的海面周期性漲落稱為潮汐，所引起的海水周期性的水平流動(dòng)稱為潮流。潮汐波又稱潮波或天文潮。1. 按成因分類按成因分類37（3）海嘯海嘯（地震波） v由于海底或海岸附近發(fā)生地震或火山爆發(fā)所形成的海面異常波動(dòng)。v特點(diǎn)：周期長(zhǎng)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，波速大，在外海坡度很小，當(dāng)傳至近岸時(shí)，波高劇增。v世界上常受海嘯襲擊的國(guó)家和地區(qū)有：日本、菲律賓、印度尼西亞、加勒比海、墨西哥沿岸、地中海。38（4）風(fēng)暴潮v由強(qiáng)烈的大氣擾動(dòng)（強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)鋒面氣旋、寒潮大風(fēng)等）引起的海面異常上升現(xiàn)象。v主要原因：海面氣壓分布不均勻氣壓每下降1hPa，海面約升高1cm；大風(fēng)風(fēng)暴向岸邊移動(dòng)時(shí)，受強(qiáng)風(fēng)牽引海水涌向岸邊，海面

19、升高，升高幅度與風(fēng)速的平方成正比。v我國(guó)風(fēng)暴潮多發(fā)區(qū)：萊州灣、渤海灣、長(zhǎng)江口至閩江口、汕頭至珠江口、雷州灣和海南島東北角，其中萊州灣、汕頭至珠江口是嚴(yán)重多發(fā)區(qū)。39風(fēng)暴潮40（5）內(nèi)波v在海洋中，密度相差較大的水層界面上的波動(dòng)。v內(nèi)波對(duì)航海的影響：“死水”，船舶難以前進(jìn)；共振，船舶搖擺幅度大大增加。v克服內(nèi)波的措施改變航向航速。41海浪大部分能量集中在周期海浪大部分能量集中在周期4 412s12s的范圍內(nèi)，屬重力波的范圍內(nèi)，屬重力波范圍。最常見的重力波是風(fēng)浪和涌浪。范圍。最常見的重力波是風(fēng)浪和涌浪。2. 按周期或頻率分類423.按水深相對(duì)于波長(zhǎng)的大小分類v深水波水深大于1/2波長(zhǎng)波速與波長(zhǎng)和周

20、期有關(guān)，與水深無關(guān)。v淺水波波長(zhǎng)大于水深20倍波速取決于水深，與波長(zhǎng)和周期無關(guān)。v海洋中大部分波浪不是具有深水波的性質(zhì)就是具有淺水波的性質(zhì)。43第二節(jié) 前進(jìn)波、駐波與群波前進(jìn)波、駐波與群波1. 1. 前進(jìn)波前進(jìn)波v波浪中水質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置附近作周期性的圓或者橢圓運(yùn)動(dòng)，并不隨海浪波形向前傳播而移動(dòng)；v風(fēng)浪和涌浪都是前進(jìn)波。前進(jìn)波前進(jìn)波一、前進(jìn)波與駐波相對(duì)應(yīng)462. 駐波v兩列振幅、周期、波長(zhǎng)相等，但傳播方向相反的正弦波的疊加，可以得到一種波形不向前傳播的波，海面只在原地振動(dòng)。v臺(tái)風(fēng)中的金字塔浪，懸崖峭壁處跳動(dòng)的浪。駐波駐波立波(駐波,standing wave):波形無推移,各點(diǎn)僅有水面上下起伏

21、493. 波群v振幅、周期、波長(zhǎng)相近，傳播方向相同的正弦波疊加。在某一固定點(diǎn)觀測(cè)時(shí)，首先出現(xiàn)一陣波高較小的時(shí)段，隨后波高漸漸增大，而在連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)大波后，波高又再減??；這種成群的波列即稱為群波。v深水波的群速為相速的一半，淺水波的群速與相速相同。波群傳播情況 51第三節(jié)風(fēng)浪、涌浪和近岸浪風(fēng)浪、涌浪和近岸浪v特征 ：周期短、波峰尖、波面不規(guī)則，易破碎。方向（指來向）與風(fēng)向較為一致。v影響風(fēng)浪成長(zhǎng)的因素風(fēng)速：風(fēng)力大??；風(fēng)時(shí)：狀態(tài)相同的風(fēng)持續(xù)作用在海面上的時(shí)間；風(fēng)區(qū)：狀態(tài)相同的風(fēng)作用的海域的范圍 一、風(fēng)浪一、風(fēng)浪風(fēng)浪風(fēng)浪 (Wind Wave)(Wind Wave)風(fēng)浪：風(fēng)浪： 由風(fēng)直接作用引起的水

22、面波動(dòng)，稱為風(fēng)浪。風(fēng)浪特征，由風(fēng)直接作用引起的水面波動(dòng)，稱為風(fēng)浪。風(fēng)浪特征，周期較短，波面不規(guī)則，波長(zhǎng)短。波向與風(fēng)向一致，波高取周期較短，波面不規(guī)則，波長(zhǎng)短。波向與風(fēng)向一致，波高取決于風(fēng)力、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)。決于風(fēng)力、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)。 風(fēng)浪成長(zhǎng)與風(fēng)速，風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)的關(guān)系風(fēng)浪成長(zhǎng)與風(fēng)速，風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)的關(guān)系: :1. 1. 風(fēng)速風(fēng)速：一般風(fēng)速越大產(chǎn)生的風(fēng)浪也越大。這只適用于風(fēng)時(shí)和：一般風(fēng)速越大產(chǎn)生的風(fēng)浪也越大。這只適用于風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)不受限制時(shí)。風(fēng)區(qū)不受限制時(shí)。2. 2. 風(fēng)時(shí)風(fēng)時(shí)：同一方向的風(fēng)連續(xù)作用的時(shí)間。一般對(duì)水面持續(xù)作用：同一方向的風(fēng)連續(xù)作用的時(shí)間。一般對(duì)水面持續(xù)作用的時(shí)間越長(zhǎng)，海水所獲得的動(dòng)能越大，風(fēng)浪也

23、越大。的時(shí)間越長(zhǎng)，海水所獲得的動(dòng)能越大，風(fēng)浪也越大。3. 3. 風(fēng)區(qū)風(fēng)區(qū)：指風(fēng)在海上吹過的距離。風(fēng)區(qū)的大小對(duì)風(fēng)浪的成長(zhǎng)起：指風(fēng)在海上吹過的距離。風(fēng)區(qū)的大小對(duì)風(fēng)浪的成長(zhǎng)起著不可忽視的作用，若風(fēng)區(qū)的長(zhǎng)度不夠，風(fēng)浪也不能充分發(fā)著不可忽視的作用，若風(fēng)區(qū)的長(zhǎng)度不夠，風(fēng)浪也不能充分發(fā)展。展。風(fēng)浪的三種狀態(tài)風(fēng)浪的三種狀態(tài)v過渡狀態(tài)：過渡狀態(tài)： 風(fēng)吹到大洋上，風(fēng)風(fēng)吹到大洋上，風(fēng)浪隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增浪隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。風(fēng)浪的成長(zhǎng)取決于大。風(fēng)浪的成長(zhǎng)取決于風(fēng)時(shí)長(zhǎng)短。風(fēng)時(shí)長(zhǎng)短。v定常狀態(tài)：定常狀態(tài)： 恒定的風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間吹恒定的風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間吹在有限的水域上，使海在有限的水域上，使海面各點(diǎn)的風(fēng)浪要素趨于面各點(diǎn)的風(fēng)浪要素趨于

24、穩(wěn)定。風(fēng)浪的成長(zhǎng)取決穩(wěn)定。風(fēng)浪的成長(zhǎng)取決于風(fēng)區(qū)長(zhǎng)短。于風(fēng)區(qū)長(zhǎng)短。風(fēng)浪的三種狀態(tài)風(fēng)浪的三種狀態(tài)v風(fēng)浪充分成長(zhǎng)狀態(tài)：風(fēng)區(qū)越大，風(fēng)時(shí)越長(zhǎng)，風(fēng)浪就越發(fā)展。風(fēng)浪充分成長(zhǎng)狀態(tài)：風(fēng)區(qū)越大，風(fēng)時(shí)越長(zhǎng)，風(fēng)浪就越發(fā)展。但風(fēng)浪的發(fā)展不是無限的，當(dāng)波陡接近但風(fēng)浪的發(fā)展不是無限的，當(dāng)波陡接近1/71/7時(shí)，波浪開始破時(shí)，波浪開始破碎。這是因?yàn)轱L(fēng)傳給風(fēng)浪的能量，一部分用于增大波高，碎。這是因?yàn)轱L(fēng)傳給風(fēng)浪的能量，一部分用于增大波高，一部分消耗于渦動(dòng)摩擦，當(dāng)風(fēng)傳給風(fēng)浪的能量與渦動(dòng)摩擦一部分消耗于渦動(dòng)摩擦，當(dāng)風(fēng)傳給風(fēng)浪的能量與渦動(dòng)摩擦消耗的能量相平衡時(shí)，風(fēng)浪不再繼續(xù)增大，即風(fēng)浪達(dá)到極消耗的能量相平衡時(shí)，風(fēng)浪不再繼續(xù)增大，即風(fēng)浪

25、達(dá)到極限狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為風(fēng)浪充分成長(zhǎng)。限狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為風(fēng)浪充分成長(zhǎng)。v風(fēng)浪成長(zhǎng)主要與風(fēng)浪成長(zhǎng)主要與風(fēng)速、風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)有關(guān)。另外還受水深及有關(guān)。另外還受水深及海域特征等因素影響。海域特征等因素影響。55最小風(fēng)時(shí)與最小風(fēng)區(qū)p風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)無限的情況風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)無限的情況下，風(fēng)速越大，處于充分下，風(fēng)速越大，處于充分成長(zhǎng)狀態(tài)的風(fēng)浪波高越大，成長(zhǎng)狀態(tài)的風(fēng)浪波高越大，因此，因此，充分成長(zhǎng)的風(fēng)浪波充分成長(zhǎng)的風(fēng)浪波高取決于風(fēng)速。高取決于風(fēng)速。p最小風(fēng)時(shí)：一定風(fēng)速下，最小風(fēng)時(shí)：一定風(fēng)速下，風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)浪達(dá)到充分成長(zhǎng)風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)浪達(dá)到充分成長(zhǎng)狀態(tài)所需的最短時(shí)間。狀態(tài)所需的最短時(shí)間。 p最小風(fēng)區(qū)：在一定風(fēng)速最

26、小風(fēng)區(qū)：在一定風(fēng)速下，風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)浪達(dá)到充分下，風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)浪達(dá)到充分成長(zhǎng)狀態(tài)所需要的最短風(fēng)成長(zhǎng)狀態(tài)所需要的最短風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，稱為最小風(fēng)區(qū)。區(qū)長(zhǎng)度，稱為最小風(fēng)區(qū)。 56二、涌浪二、涌浪v特征：波形較規(guī)則，波峰圓滑，波速與波長(zhǎng)較大，涌浪的來向與海面實(shí)際風(fēng)向無關(guān)，兩者間可成任意角度。57涌浪傳播特性v波高逐漸降低，波長(zhǎng)、周期逐漸變大，波速變快。臺(tái)風(fēng)來臨前的征兆。v原因：摩擦消耗 離散作用、角散作用摩擦消耗：波長(zhǎng)大的衰減慢，波長(zhǎng)小的衰減快。在波高衰減的同時(shí)，周期和波長(zhǎng)也逐漸加大。離散作用：不同波長(zhǎng)、周期、振幅的分波在傳播過程中波長(zhǎng)大的速度快，短的速度慢，使原來疊加一起的波分散開。散射作用：各分波傳播方向不同，在

27、傳播中向各方向分散開來。58三、近岸浪三、近岸浪v風(fēng)浪或涌浪傳至淺水或近岸區(qū)域后，受地形影響將發(fā)生能量集中、波高增大、周期和波長(zhǎng)變小、波面變陡、波浪卷倒和破碎、波向折射、繞射和反射等一系列變化。59（1）波向的改變）波向的改變折射折射由深水進(jìn)入淺水的過程中，由深水進(jìn)入淺水的過程中，波峰線波峰線有逐漸與等深線平行的趨勢(shì)有逐漸與等深線平行的趨勢(shì)。這正。這正是在海岸上觀察從外傳來的波浪，是在海岸上觀察從外傳來的波浪，到達(dá)近岸時(shí)，到達(dá)近岸時(shí)，波鋒線總是大致與海波鋒線總是大致與海岸平行的岸平行的原因。原因。繞射繞射波浪繞過障礙物進(jìn)入被障波浪繞過障礙物進(jìn)入被障礙物遮蔽的水域。礙物遮蔽的水域。60hLgTc

28、2th2ghc 30g25g波向線波向線波向線波向線61 波波浪浪繞繞防防波波堤堤62（2）波高變化波浪要素隨水深的變化曲線64（2）波高變化v波浪進(jìn)入開敞海岸淺水區(qū)時(shí)，波高增大，波長(zhǎng)變短，波陡增加，易翻卷破碎。v波浪繞射進(jìn)入海灣時(shí)，波高降低。v岬角地形處的波高比凹陷處的高。 65波波浪浪向向岸岸傳傳播播過過程程中中LHH1H2H3L1L2L3wave baseSANDY BOTTOM波長(zhǎng)變短波高增加波速降低波浪破碎 (破波)66波浪破碎波浪破碎波浪的破碎波浪的破碎波浪為何會(huì)碎？ (1)當(dāng)波峰附近的水粒子向前運(yùn)動(dòng)的速度比波形移動(dòng)（相速）還要快時(shí)，波浪便碎了。 (2)當(dāng)波面在垂直方向上的加速度大

29、于重力加速度時(shí)，水分子便會(huì)脫離波面，波浪也會(huì)碎了。發(fā)生碎波未必限定在海灘上，深海一樣有碎波（白浪滔滔就是描述碎波的海面）。 1.斜坡上的破碎準(zhǔn)則斜坡上的破碎準(zhǔn)則4/3bb00Hd= A 1-exp -1.51+ 15tanLL17. 0Atan0L為海灘坡度,為深水波長(zhǎng),2.破碎波高破碎波高3.波浪破碎的形態(tài)波浪破碎的形態(tài) 崩破崩破 卷破卷破 激破激破- -0 0. .2 25 50 0. .2 2b b0 00 00 0H H= = t ta an nH H / /L LH H0H為深水波高71波浪破碎類型波浪破碎類型v兩因素：深水波陡、近岸海底的坡兩因素：深水波陡、近岸海底的坡度度崩破卷破

30、激散Spilling breaker Plunging breaker surging breaker 崩破型波浪卷破型波浪激破型波浪波浪破碎情況76四、其它因素對(duì)波高的影響v海流流波效應(yīng)：波浪和海流反向或接近于反向時(shí)，波高要比無流時(shí)增大2030左右，并產(chǎn)生部分波浪破碎或全部破碎。當(dāng)波浪與海流同向時(shí)，波長(zhǎng)增大，波高減小。v水氣溫差在風(fēng)速相同的條件下，氣溫低于水溫時(shí)，波高增大。 TwTa1，波高增加5； TwTa2，波高增加10； TwTa10，波高增加50；例如，冬季的北太平洋上，在日本關(guān)東東部的黑潮流域，水氣溫差可達(dá)510以上，再加上流波效應(yīng)，有時(shí)出現(xiàn)比預(yù)料高23倍的異常大浪，是海事多發(fā)的海

31、域，有“魔鬼海域”之稱，船舶盡量避開這個(gè)區(qū)域。第四節(jié)統(tǒng)計(jì)波高與設(shè)計(jì)波浪一、不規(guī)則波波列的統(tǒng)計(jì)分析一、不規(guī)則波波列的統(tǒng)計(jì)分析上跨零點(diǎn)上跨零點(diǎn) 下跨零點(diǎn)下跨零點(diǎn)特征波高特征波高海面上的波浪狀態(tài)通常用波浪要素作為特征量來描述。在海面上的波浪狀態(tài)通常用波浪要素作為特征量來描述。在波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大小是不等的，因此當(dāng)我們描述某場(chǎng)海浪的波高是多少時(shí)，小是不等的，因此當(dāng)我們描述某場(chǎng)海浪的波高是多少時(shí)，應(yīng)指明該波高的統(tǒng)計(jì)意義，即為哪一種特征波高。應(yīng)指明該波高的統(tǒng)計(jì)意義，即為哪一種特征波高。 （1）平均波高）平均波高 將觀測(cè)到的所

32、有波高值累加，除以波高的總個(gè)數(shù)，得將觀測(cè)到的所有波高值累加，除以波高的總個(gè)數(shù)，得到的值稱為平均波高，它反映了波列總體的大小。若樣到的值稱為平均波高，它反映了波列總體的大小。若樣本總個(gè)數(shù)為本總個(gè)數(shù)為 N ，則平均波高為，則平均波高為11NiiHHN（2）累積頻率波高）累積頻率波高 從波列中選取某一累積頻率對(duì)應(yīng)的波高作為特征波高。從波列中選取某一累積頻率對(duì)應(yīng)的波高作為特征波高。如等，這種特征波高反映大于等于某給定波高值的波浪如等，這種特征波高反映大于等于某給定波高值的波浪在波列中出現(xiàn)的可能性。如表示在波列中大于等于該波在波列中出現(xiàn)的可能性。如表示在波列中大于等于該波高的波浪出現(xiàn)概率為高的波浪出現(xiàn)概

33、率為1%。( 3 ）部分大波的平均波高）部分大波的平均波高 將波列中的波高由大到小依次排列其中最大的將波列中的波高由大到小依次排列其中最大的P部分部分波高的平均值就稱為波高的平均值就稱為 P 部分大波的平均波高，記為。部分大波的平均波高，記為。其計(jì)算公式如下：其計(jì)算公式如下： 11NPpiiHHNP 工程設(shè)計(jì)中常用的有連續(xù)工程設(shè)計(jì)中常用的有連續(xù) 100 個(gè)波中最大個(gè)波中最大的的 10 個(gè)波的平均值稱為個(gè)波的平均值稱為 1/10大波的平均波大波的平均波高記為高記為 ，又稱為顯著波高，波列中最，又稱為顯著波高，波列中最大的大的 1 / 3 個(gè)大波的平均值記為個(gè)大波的平均值記為 , 又稱又稱為有效波

34、高。為有效波高。 3/1H10/1H二、設(shè)計(jì)波浪二、設(shè)計(jì)波浪 設(shè)計(jì)波浪是指設(shè)計(jì)海洋工程建筑物時(shí)所選用設(shè)計(jì)波浪是指設(shè)計(jì)海洋工程建筑物時(shí)所選用的波浪要素。其標(biāo)準(zhǔn)包括兩個(gè)方面：的波浪要素。其標(biāo)準(zhǔn)包括兩個(gè)方面： 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)；波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)； 設(shè)計(jì)波浪的波列累積設(shè)計(jì)波浪的波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)。頻率標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)我國(guó) 海港水文規(guī)范海港水文規(guī)范 給出的波高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出的波高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 表表1 波高累積頻率標(biāo)準(zhǔn)波高累積頻率標(biāo)準(zhǔn) 表表2 波高重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)波高重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)于設(shè)計(jì)波浪波列累積率的選定，應(yīng)該從不同對(duì)于設(shè)計(jì)波浪波列累積率的選定，應(yīng)該從不同類型的建筑物對(duì)于波浪反應(yīng)不同的角度來考慮。類型的建筑物對(duì)于

35、波浪反應(yīng)不同的角度來考慮。例如，孤立式和直立式建筑物對(duì)波浪的反應(yīng)較例如，孤立式和直立式建筑物對(duì)波浪的反應(yīng)較靈敏，波列中個(gè)別的大浪，即可影響建筑物的靈敏，波列中個(gè)別的大浪，即可影響建筑物的安全，所以應(yīng)當(dāng)采用較高的波列累積率作為設(shè)安全，所以應(yīng)當(dāng)采用較高的波列累積率作為設(shè)計(jì)波浪。對(duì)于斜坡堤一類的建筑物，經(jīng)驗(yàn)表明，計(jì)波浪。對(duì)于斜坡堤一類的建筑物，經(jīng)驗(yàn)表明，破壞是逐步造成的，個(gè)別大浪并不起決定性的破壞是逐步造成的，個(gè)別大浪并不起決定性的作用，而且局部的損壞修復(fù)也較容易，所以，作用，而且局部的損壞修復(fù)也較容易，所以，可采用較低的波列累積率。可采用較低的波列累積率。 第五節(jié)第五節(jié) 小特征尺度結(jié)構(gòu)的波浪載荷小

36、特征尺度結(jié)構(gòu)的波浪載荷一Morison波浪力公式對(duì)于D/L0.2時(shí)的鉛直園柱結(jié)構(gòu)，其（x,z)坐標(biāo)處的單位長(zhǎng)單位長(zhǎng)度度結(jié)構(gòu)的波浪力：式中：CM-慣性力系數(shù) （Inertia Coefficient) CD-阻力系數(shù)（Drag Coefficient) u(x,z,t)為水質(zhì)點(diǎn)速度。 為水的密度，D為園柱直徑。),(),(21),(4),(),(),(2tzxutzxuDCttzxuCDtzxftzxftzxfDMDI二有關(guān)系數(shù)的確定1 CD， CM的確定 CD 、CM與結(jié)構(gòu)形狀，表面粗糙度，流態(tài)有關(guān) 結(jié)構(gòu)形狀 基準(zhǔn)面積（單位長(zhǎng)度） CD CM圓柱 D 1.0 2.0方柱 D 2.0 2.19方

37、柱 1.41D 1.55 1.0平板 D 2.01 圓板 0.75D2 1. 2 球 0.75D2 0.5 1.50立方體 D2 1.05 1.67以上系數(shù)均由大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理而得。三 、小直徑鉛直園柱波浪載荷計(jì)算1選擇線性波浪理論計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度2 單位長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)波浪力)sin()(2)cos()(22tkxshkdzdchkTHtutkxshkdzdchkTHuuuDCtuCDtzxfDM214),(2 波浪載荷計(jì)算示意圖dOXdzZfO海底鉛直園柱結(jié)構(gòu) z+d z3 水平總波力和波力矩dOdHdzzdtzxfMdztzxfF)(),(),(dzshkdchkzTHDCdzshkdch

38、kzTHCDFdDdMHcoscos)(21sin24020222sincoscosImmaxaxDHFFF為了便于計(jì)算，將原坐標(biāo)原點(diǎn)移到海底，則有：chkddshkKkdshdkshdkKHKDCFKHDCFMaxDD)(28)(2)(2822122Im12max積分得上式中：tkxMMMaxDHsincoscosImmax二者相位差90，在總的波浪力中所占的比重與D/L有關(guān)同理可得：1)()()(11)(2)(2)(2)( 22321842342Im32maxdchkdshkdkchkdKdkchdkshdkdkkdshKHKkDCMKHkDCMMaxHDHD 以上公式為鉛直園柱的波浪載荷

39、計(jì)算結(jié)果，可知結(jié)構(gòu)波浪載荷是隨時(shí)間變化的，其規(guī)律見下頁的曲線。且慣性力和阻力變化也并不同相位，其極可用對(duì)F求導(dǎo)的方法求出。0cossincos2)sincoscos(ImmaxImmaxaxDaxDHFFFFF四 鉛直園柱波浪載荷極值問題對(duì)波浪載荷式求導(dǎo)得：討論：上式成立的條件是： 只能出現(xiàn)在 ，即x=0且故 相當(dāng)于波面經(jīng)過靜水面的時(shí)刻，此時(shí) axDDaxFFFFbaImmaxmaxIm5 . 02coscossin0cosmaxImmax5 . 0HaxDFFF時(shí)，最大水平波力當(dāng)0cos 2tkx42TtaxHDaxIFFFFFImmaxmaxIm0,則axDFFImmax5 . 0 axH

40、axDFFbatFFImmaxImmax)(, 1)sin(sin,5 . 0均滿足，條件此時(shí)當(dāng))2(1 22maxImmaxmaxImIm2maxmaxDaxDDaxaxDHFFFFFFscoFF則：出現(xiàn)在時(shí)，當(dāng), 1coscossin5 . 0maxImmaxHaxDFFF2maxIm)2(DaxFF2maxIm)2(DaxFFttttouuFIFD波浪波面、水質(zhì)點(diǎn)速度、加速度、載荷相位關(guān)系示意圖 海水的大規(guī)模流動(dòng)是海洋環(huán)境中重要的物理現(xiàn)象。 研究分析海流的大小、方向和分布，不僅有助于確定它施加于海洋工程結(jié)構(gòu)物上的作用力，而且還因?yàn)樗鼘?duì)海洋工程建筑物的選址規(guī)劃、甲骨文穩(wěn)定性能及海上作業(yè)安全可靠性都有著重要的影響。 由于形成海流的原因多種多樣，近岸地區(qū)的海岸線及地形又變化多端，致使海流的理論研究與其在工程中的應(yīng)用存在諸多困難。在實(shí)際工程中多以海流的實(shí)測(cè)資料作為分析問題的依據(jù)。 sin0247. 00wv 第二節(jié) 海流載荷一 海流對(duì)工程結(jié)構(gòu)和工程活動(dòng)的影響1.對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響 2 對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定的影響（沖刷，掏空）3 對(duì)工程系統(tǒng)的性能的影響（選址規(guī)劃，結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性，作業(yè)可靠性）4 對(duì)工程活動(dòng)的影響 （拖航，就位）5 對(duì)腐蝕速度的影響很大 （帶走腐蝕產(chǎn)物，磨蝕）二 海流的流動(dòng)特