1、第5章 海洋波浪5.1 海洋波動現(xiàn)象概述 海洋中存在著各種形式的波動，它既可發(fā)生在海洋的表面，又可發(fā)生在海洋內(nèi)部不同密度層之間，有著不同的波動尺度、機理和特性，各種波動現(xiàn)象復雜。海洋波動是海水運動的主要形式之一。海洋表面總被形容為時而波濤洶涌，時而漣漪蕩漾，呈現(xiàn)出一種復雜的波動現(xiàn)象。引起海水表面波動的自然因素有很多，如海洋表面受到風與氣壓的作用、天體的引潮力及海底地震與火山的作用等，它們引起的波動現(xiàn)象有不同的尺度，造成各種波動的周期、波高、波長等波動特性的不同，各自具有不同的能量范圍，對海洋工程結(jié)構(gòu)的作用影響也不同。如圖5-1所示。 周期最小的毛細波(Capillary Wave)是由水的表面

2、張力控制下的波動，其波高12 mm，波長最大約1.7 cm，相對能量很小，在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設計與運動分析中可不需考慮。對海洋工程結(jié)構(gòu)物影響最大的波動是海面重力波(Surface Gravitational Wave)，它受海面風的作用而引起，然后在重力這個恢復力的作用下做垂直振蕩，具有巨大的能量。根據(jù)觀測記錄，波動周期在130 s期間的海浪占到海面觀測海浪中的大部分，并且這部分海浪的波動能量極大，是船舶、平臺等海洋工程結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)受損與變形破壞的主要因素，因此海洋結(jié)構(gòu)物必須設計成能抵御各種風浪作用，海浪成為海洋工程結(jié)構(gòu)物在設計施工中必須考慮的環(huán)境載荷條件之一。此外，周期長于5 min的長周期波

3、將帶來海面水位較大的垂向升降變化，這主要有由風暴及海底地震等引起的風暴大潮與海嘯波以及由天體引潮力引起的潮波( TidalWave)。潮波等長周期波帶來的水位變化主要影響海洋結(jié)構(gòu)物的設計高程，需收集統(tǒng)計資料并作長期預測，是海洋工程結(jié)構(gòu)物在設計施工中必須考慮的因素之一，風暴潮和海嘯波對近海海岸工程還具有極大的沖擊能量。 海洋中的海水密度在垂向上分布不均勻就舍產(chǎn)生內(nèi)波現(xiàn)象，在水下出現(xiàn)水質(zhì)點的最大運動振幅而不是在海表面。這種發(fā)生在海洋內(nèi)部不同密度層間的波動就稱為海洋內(nèi)波(Internal Wave)。海水密度層結(jié)的穩(wěn)定特性使得海洋內(nèi)部的各處都可能產(chǎn)生內(nèi)波，最簡單的一種內(nèi)波形式是發(fā)生在不同海水密度的海

4、水界面處，稱之為界面內(nèi)波。由于二層海水的密度相差不大，內(nèi)波的恢復力也就比表面重力波的恢復力小許多，內(nèi)波波速比表面波波速也小許多，但內(nèi)波振幅卻很大。內(nèi)波在海洋中起著多種作用，如引起海水內(nèi)部混合，在不同尺度的運動過程中傳遞能量，造成海洋中的溫、鹽細微結(jié)構(gòu)，影響海洋水文要素的分布變化等。內(nèi)波波動影響也是多方面的，如影響海洋中聲速的大小與傳播方向，影響聲吶的水中性能，使?jié)撏г谒潞叫泻屯Ａ魰r缺乏平穩(wěn)性等。 海洋內(nèi)波具有許多表面波所沒有的特性，難以像表面波那樣直接測量，觀測比表面波困難，一般須間接測量海水溫、鹽、密度等參量的變化來得到內(nèi)波的變化特征，近來對它的研究得到重視，但還在認識之中。由于表面海浪是

5、海洋工程結(jié)構(gòu)物在設計施工中必須考慮的主要環(huán)境載荷條件之一，這里僅對海浪進行論述，其中的大部分內(nèi)容是針對短周期表面波，另外對海嘯波和風暴潮等長周期波亦作適當?shù)慕榻B， 在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設計中，從結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強度、使用年限、建造成本等出發(fā)，需要考慮所處海域出現(xiàn)海浪的最大可能尺度、研究海浪的方向特征、出現(xiàn)頻率、季節(jié)特點等。在海岸堤壩的塑造形成和侵蝕破壞中，海浪是關(guān)鍵水動力因素。航道等的泥沙回淤及海岸線形、海岸環(huán)境變化、港址的選擇與布置設計等都與波浪運動有關(guān)，因此，海浪對于海港工程中的防波堤設計布置與港址的選取等同樣是重要的。此外，波浪影響船舶的運動性能，也是海上運輸船舶在選擇運輸航線時要考慮的重要因

6、素。5.1.1海浪概述 海浪(Ocean Wave)是海洋中常見的一種自然現(xiàn)象，海面風力的作用是其起因，一般可將海浪分為由風直接驅(qū)動產(chǎn)生的風浪(Wind Wave)及由風浪隨后發(fā)展形成的涌浪(Swell)兩部分。 1海浪類型 風浪因受到海面風的直接作用，其傳播方向基本與風同向。風浪的形成及其浪高、周期等大小自然與風的狀態(tài)，如海面作用風速的大小、作用風區(qū)( Fetch)的范圍及作用風時(Wind Duration)的長短直接相關(guān)，它們相互間存在著很復雜的非線性關(guān)系，這些構(gòu)成了海浪研究和海浪預報的主要內(nèi)容。此外風浪的產(chǎn)生還與作用海域的水深、地形等有關(guān)。風浪的波形外觀表現(xiàn)奈亂，背風面比迎風面更陡，波

7、峰線較短，在時間上和空間上都表現(xiàn)為不規(guī)則的隨機變化，具有明顯的三維特性。在風停止后，或風浪離開風的作用海域時，風浪并未消失，而是在自身重力的慣性作用下繼續(xù)向前傳播并發(fā)展形成涌浪。由于這種傳播受到海水內(nèi)摩擦阻力及空氣中摩擦阻力的影響，消耗了其波能，波高逐漸減小。波浪的這種衰減具有選擇性，波長小、周期短的波浪將因衰減快而很快消失，最后剩下波長很大、周期很長的波浪。涌浪的波形外觀較規(guī)則，波面較平緩，波峰線較長，二維特性較明顯。涌浪的傳播速度普遍比風速快，有時因比臺風移動速度快而先行抵達海岸邊，這時稱之為先行涌。其波長、波速及周期在傳播過程中逐漸增大。另外，在海洋中若風浪與涌浪同時存在而疊加就會形成混

8、合浪。 海浪的運動形態(tài)將因所處水深不同而不同，一般以波長的一半作為劃分深水波( Deep Water Wave)與淺水波(Shallow Water Wave)的水深分界線。“水深1/2波長”屬于深水區(qū)內(nèi)傳播，海底摩擦的影響可忽略不計，其波浪形態(tài)基本保持不變；在“水深1/2波長”區(qū)域內(nèi)的波浪屬于淺水區(qū)內(nèi)傳播，此時存在海底摩擦影響，水分子作橢圓運動，由于在淺水區(qū)域受到海岸地形及海洋工程的影響，波浪在傳播中會發(fā)生波浪折射、繞射、反射及破碎等現(xiàn)象，造成淺水區(qū)內(nèi)波浪的傳播形態(tài)及尺度等發(fā)生變化，傳播特性與傳播現(xiàn)象比深水波復雜。 2海浪研究方法 對海浪的研究有理論方法、實驗模擬及現(xiàn)場觀測三個方面。 理論方

9、法一般是建立在理想流體等假定基礎上針對規(guī)則波進行的。由流體運動方程、質(zhì)量守恒方程及邊界條件組成，根據(jù)對非線性邊界條件的線性化與非線性化處理，得到線性的小振幅波理論和非線性的有限振幅波理論，后者包括斯托克斯波、余弦波、孤立波等。應用理論模式可解釋某些波浪現(xiàn)象，并方便計算波浪要素、研究波浪的運動規(guī)律及對波浪的運動特征進行描述等，但因這些理論是建立在某些假定條件之上的并做了數(shù)學處理，其計算結(jié)果與實際海浪情況仍存有較大的差異。理論方法具有費用較低等特點，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，用理論模式研究波浪越來越受到重視。 對于實際海面波動直接應用海洋觀測儀器進行觀測將是對現(xiàn)場海浪的真實記錄，此時的海面波動雜亂

10、無章而可看作一個隨機過程，應用數(shù)理統(tǒng)計分析的方法可進行合理分析和研究，并可得到海浪的運動方向特征，其結(jié)果將反映現(xiàn)場實際海浪的運動情況，其實測資料也可用于檢驗海浪理論，為海洋工程設計提供最可靠的數(shù)據(jù)，但觀測儀器的精確度及大范圍的現(xiàn)場觀測帶來的大量費用成本等是其主要制約。此外，不是所有的復雜海浪現(xiàn)象能利用現(xiàn)有的儀器設備觀測得到。 對于一些復雜的波浪現(xiàn)象，如波浪破碎及其破波波浪力等還缺乏嚴密的理論進行分析計算，此時借助物理模型試驗可得到一些工程實用的經(jīng)驗計算方法。建立在某些相似準則上的造波實驗是實驗模擬，在實驗室內(nèi)利用造波裝置可造出各種規(guī)則波與不規(guī)則波，可多次重復試驗、方便觀?，F(xiàn)象并記錄試驗數(shù)據(jù)與進

11、行數(shù)據(jù)分析是實驗模擬的主要優(yōu)點，但受到實驗設備與場地的限制，只能對一定范圍內(nèi)周期與波高的波浪進行造波試驗，另外還需要對池壁進行消波等處理，不能完全反映實際的自然情況，要花費較多的人力物力等是其主要不足。5.1.2海浪要素 海浪要素用于對海浪特征進行描述，主要有波高、振幅、周期、波長與波速等。 1規(guī)則波的海浪要素規(guī)則波是一種對海浪傳播形式的理想化處理，具有二維波動特點，通常假定波浪以一定的周期、波長和波高在一定水深中傳播，從而可建立數(shù)學模型描述其波動，其中最簡單的形式是用正弦曲線或余弦曲線描述的簡諧波動，如圖5-2為用余弦曲線描述的余弦波波剖面，簡諧波中的水質(zhì)點圍繞其平衡位置作圓周運動（深水波）

12、。 圖中波動曲線的最高點是波峰(Wave Crest)，最低點是波谷(Wave Trough)。波長 (Wave Length)是相鄰的兩波峰或兩波谷之間的水平距離，用以描述一個周期內(nèi)波形傳播的距離。周期T (Period) 是相鄰的兩波峰或兩波谷先后通過某同一點所經(jīng)歷的時間間隔，波速C是波形傳播的速度，C=/T。波峰與波谷間的垂直距離是波高H，波高的一半，亦即水質(zhì)點距其平衡位置的最大垂向位移是振幅，= H/2，波高與波長之比是波陡，可用以反映波浪是否穩(wěn)定或破碎。 同一列波峰的連線稱為波峰線，與波峰線相垂直并用以表示波動傳播方向的線稱為波向線。波向是指波浪傳播而來的方向，是波浪的重要屬性之一。

13、 2不規(guī)則波的海浪要素 實際海浪的波動具有不規(guī)則波的特點，即海面各點的波動形狀和大小隨不同時間和地點在時刻不規(guī)則地發(fā)生變化，此時的海浪要素是個隨機量，具有統(tǒng)計分布特征，一般用其統(tǒng)計特征量來描述。對于不規(guī)則波的海浪要素一般采用上跨零線相交法進行定義，如圖5-3所示，為一在某固定點記錄的波面隨時間的波動過程曲線，即波剖面。圖中的橫軸代表時間t，稱為零線。將波動曲線由下向上及由上向下跨過零線的交點分別定義為上跨零點和下跨零點，如圖中A1、A2、A3等為上跨零點，B1、B2、B3等為下跨零點。相鄰的上下跨零點之間的曲線最高點就是波峰，其間的最低點是波谷。 兩相鄰上跨零點（或下跨零點）間的時間間隔定義為

14、周期，其所有周期的平均值為平均周期：式中N為數(shù)據(jù)總數(shù)。兩柏鄰上跨零點間的波峰頂和波谷底的垂直距離定義為波高Hi，若以橫軸代表的是位置，則兩相鄰上（下）跨零點間的水平距離定義為波長。海浪的波高代表了海浪的能量，而自由波動的海面具有各種大小的波高，研究中常使用幾種不同定義的波高代表不同意義的波系特征，這種波也稱常用特征波。1)常用特征波波高 (1)平均波高：就是將連續(xù)觀測得到的各個波高相加求和后再除以觀測波的總個數(shù)。即 (5-1)式中：Hi為第i個波高；N為波高觀測總個數(shù)。或用加權(quán)平均為： (5-2)式中：為波高Hi的對應記錄次數(shù)；波高總個數(shù)。 (2)有義波高：將連續(xù)觀測得到的波高值按由大到小的順

15、序排列，對前N/3個大波求平均值得到的波高稱為1/3大波的平均波高，亦稱有義波高或有效波高(Significant WaveHeight)： (5-3)對應前N/3個波浪周期取平均值得到有義波周期。有義波高由于與目測得到的波高值相近而得到廣泛應用，尤其是在船舶海洋工程領(lǐng)域。(3)十分之一大波波高：將連續(xù)觀測的波高值按由大到小的順序排列，對前N/lO個大波求平均值得到的波高稱為1/10大波的平均波高，亦稱顯著波高： (5-4)對應前N/10個波浪周期取平均值得到十分之一大波周期。 (4)累積率波高：指累積率F對應的波高值，即等于或大于該波高的波浪在波列中的出現(xiàn)概率為F(%)。累積率，式中為波高值

16、大于或等于的出現(xiàn)次數(shù)，亦稱累積數(shù)；N為總波數(shù)。設有1000個波，按波高大小從高到低排列，其第10個（累積率F=1%）最大波高為5m，則稱累積率1%的波高為5m，即。(5)最大波高：取波高觀測記錄中出現(xiàn)的最大波高值或重現(xiàn)期為50年或100年的最大波高值。對應最大波高的周期稱為最大周期。各種概念的特征波都用于描述海面的波動狀況。如我國就以十分之一大波的波高大小，將波浪劃分為無浪、微浪、小浪、輕浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、狂濤、怒濤10個等級，見表5-3。表中同時給出根據(jù)有義波高對應劃分的等級范圍。2)海浪要素分布以上各種隨機海浪波高統(tǒng)計特征量的定義與計算雖然不同，但相互之間存在一定的換算關(guān)系。利用

17、海浪要素分布函數(shù)就可了解一個波系中波高和周期的分布關(guān)系，進而換算各種特征值。以下為部分服從瑞利(Rayleigh)分布的深水波特征波高的換算關(guān)系。(1) 平均波高與累積率波高之間關(guān)系： (5-5)如：，表格形式見表5-1。相應的可在各累積率波高之間進行換算，如，。(2) 平均波高與部分大波的平均波高之間關(guān)系為： （5-6）如：，。結(jié)果見表5-2相應的各部分大波平均波高之間存在換算關(guān)系：，。(3)同理，由以上兩式可得到累積率波高與部分大波的平均波高之間的關(guān)系。如由及可得。(4)最大波高是一個隨機量，其值與波高樣本個數(shù)N及波高分布函數(shù)有關(guān)。由朗蓋脫-赫金斯(Longuet-Higgins)給出的最

18、大波高計算式（當N很大時）為： (5-7)式中：歐拉常數(shù)。中國船級社海上固定平臺入級與建造規(guī)范(1992)建議對東海、南海的可能最大波高取 (相應波數(shù)N=2000)，對黃海、渤海的可能最大波高取(相應波數(shù)N=1002000)。 由合田推薦的最大波高計算式為： (5-8) 對海洋工程結(jié)構(gòu)物多采用上式系數(shù)之最大值。 淺水波波高分布情況復雜，研究較少，多用擬合手段對實測資料進行計算分析，并以表格形式給出換算關(guān)系。具體參見有關(guān)資料。 波長、周期也是海浪主要要素，多用半經(jīng)驗半理論方法計算或?qū)＠擞^測記錄進行統(tǒng)計分析得到。各特征周期與特征波高之間并沒有對應的關(guān)系，最大波高的波不一定其周期也最大，各特征周期

19、之間也還沒有一個統(tǒng)一換算公式。由合田提出的換算關(guān)系為： (5-9)我國依據(jù)實測資料得到的經(jīng)驗公式為： (5-10)3)設計波浪的重現(xiàn)期設計波浪的重現(xiàn)值是指某一特征波高（如,等）平均相隔多少年出現(xiàn)一次的時間間隔，反映的是該波浪要素的長期統(tǒng)計分布規(guī)律，它們在設計中的取值大小直接關(guān)系到海洋工程建設的投資成本和生產(chǎn)運營過程中的安全，這依賴結(jié)構(gòu)物的重要程度。西方國家對樁柱式海洋工程結(jié)構(gòu)物，多采用最大波高作為設計用特征波高。為得到設計波浪的重現(xiàn)期，這需要收集該海域觀測站的多年海浪資料，但由于波高觀測資料總是有限的，這就要求進行長期預測計算，采用的方法有極值分布理論和適線法等。在我國海港水文規(guī)范(1998)

20、中對直墻式和墩柱式建筑物以及工級斜坡式建筑物的設計波浪重現(xiàn)期要求是50年，在中國船級社1/25，對應的水波稱為淺水波，亦稱色散波。(2)在無限水深情況，即時，有tanh(kh) 1，該淺水修正項可不用考慮。對應的圓頻率由下式給出： (5-23)波速由下式給出： （5-24）波長 （5-25）在實際應用中，若水深與波長之比h/A1/2時就認為符合深水波特征。為深水波或短波，波速與波長的大小有關(guān)，屬于色散波。 (3)在水深趨于很小，即h0時，有tanh(kh)kh，此時的圓頻率由下式給出： (5-26)波速由下式給出： (5-27)波長 (5-28) 實際應用中的對應水深與波長之比26及相對水深1

21、，出現(xiàn)波浪能量集中，波高要增大。反之，若波向線發(fā)生輻散，有,1，波浪能量將發(fā)散，波高要減小。前者發(fā)生在海岬這樣的地方，后者則發(fā)生在海灣。只有等深線平行于海岸時波浪折射才不會發(fā)生。 淺水系數(shù)反映的是波動能量傳遞速度在水深變化時對波高的影響，可在表5-9中根據(jù)相對水深查得。 由此可見，水深變淺帶來波速的變化和波向的折射，其結(jié)果使得波高在增大。局部波高的增大往往帶來波能集中，是造成港岸堤壩損壞的主要原因。 算例 已知深水波周期為7s。，對應深水波高為2.6 m，假設海岸線平直，波浪的傳播方向與近岸等水深線垂直，試求該波傳至水深9.9 m深處的淺水波高、波長和波速各是多少？ 解(1)由深水波周期可求得深水波波長及其波速： (2)水深與深水波波長之比，由表5-9可查得淺水修正因子，淺水系數(shù)=0.917。 (3)9.9 m水深處的波長，淺水波高,波速。5.4.4波浪破碎 波浪在傳播過程中，受到風、水深等外界因素的影響，波剖面將發(fā)生變化，前側(cè)變得越來越陡，后側(cè)變平緩，在波陡達到一定值時就會造成波浪的破碎。此外，當波峰水質(zhì)點運動速度大于或等于波速時，波浪的傳播速度亦將不穩(wěn)定而同樣會造成波浪破碎。Stokes給出深水波的波面在發(fā)生破碎時的波峰峰尖夾