水工设计中波高的计算方法探讨

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摘 要：随着社会的发展，水利工程项目的数量和规模都不断的扩大，有效的水工设计是整个水利工程中的重要环节和部分。水工设计质量的高低，会直接影响到整个水利工程的施工质量，因此，在水利工程设计阶段要做好科学的规划，主要包括对工程的材料、进度、成本、人员和工序等。另外，水工设计中波高的计算对设计的可靠性影响比较大，因此，文章结合水工设计中重力坝和土石坝两种波高计算方法，做了具体的分析和比较，为水工设计中波高的计算提供了科学依据。

关键词：水工设计；波高；计算方法

引言

在水利工程建设中，水工设计是一个重要的环节，对工程的质量有很大的影响。在水中建筑物设计的过程中，明确重力坝、土坝等坝顶的高度中，需要考虑波高的影响。一般在波浪中心线到静水位的高度（h2）使用波高来计算，在做浪压力计算的过程中，h也是一个比较重要的影响因素，因此，在水利工程的设计中，需要重点考虑波高的计算。

目前，大中型的水利水电工程中，风浪的随机波动比较频繁，不稳定，随机性比较大，所以，波高的保证率就是指一段时间内，大于某个具体波高的累积概率。例如，在持续观测到的100个波高中，将这些波高按照大小顺序重新进行排列，在这个过程中，第一个拔高的最大保证率为1%，将波高标记为h1%，所以，以此类推，第n个波高的保证率就成为n%，具体的波高为hn%。同时，另外一种方法是使用特征波高来进行波高h1/n的表示，一般由第1个波高到第33个波高的平均值计算，表示为h1/33来表示，这也被称为有效波高。具体波高对应的保证率为13.5%。

1 计算方法的比较

水工设计中，一般可以按照各种水中建筑物的设计规范来进行规范性的设计，同时，根据相关建筑物的不同级别进行波高保证率的选用。具体的设计中，一般1级的水工设计中，建筑物的保证率为1%，2级建筑物的保证率为2%，3-5级建筑物的保证率为5%。水工设计中，要根据具体工程的等级，选取一定的波高保证率，所以，需要在设计中对各种累积频率的波高进行计算[1]。确定了有效波高、平均波高，以及一定保证率的波高，就能计算出其余波高的值，主要是按照重力坝和土石坝两种方式进行计算。

1.1 采用土石坝规范来计算波高

根据土石坝规范来计算波高，一般可以采用鹤地公式、官厅公式或者是安德烈扬诺夫公式，首先，可以求出具体的hp，相关专家认为需要验证hm/H的值是不是小于0.1，但是这种说法还存在一定的不足之处。例如hp1/hm=a，同时，hp2/hm=b，所以hp1/hp2=a/b，但是具体的计算中，a、b两个数值不同，但是比值在小于0.1，或者是0.1-0.2两个具体的范围中，但是不同的累积波高频率却存在比值相同的情况，因此，在波高的计算中，使用换算系数就能快速的求出其他频率的波高值[2]。另外，在水中设计中，对波长、波高和浪压力进行计算时，hm是一个中间值，但是最终要计算的是其他累积频率的波高，因此，hm的求解不是很重要，对具体的计算影响不大。

在采用莆田公式进行计算的过程中，可以求得具体的平均波高，并计算出hm/H的值是否小于0.1，或者是否在0.1-0.2之间。同时，使用hm来和相应数值进行相乘，就能得到对应的超值累积概率波高。

1.2 采用重力坝规范来进行波高计算

一般，在重力坝规范的波高计算中，如果采用鹤地公式、官厅公式和安德烈扬诺夫公式进行波高计算，一般可以先求出具体的hp，然后开始计算hp/H的值，再根据对应的累积概率p对应的数值，和hm/H进行相乘，根据得到的积选择接近的数值[3]。虽然这种方法采用的值和准确值比较接近，但是难免会存在一些误差，所以，经过这个过程求的是初始的解hm，计算hm/H的过程中，可以根据内插法进行计算，取得hp/hm的精确值，同时，可以通过计算求得hm，算出hm/H。使用内插法可以求取设计中需要用到的累积波高，最后求得具体的hp值。

另外，如果使用莆田公式进行计算，一般可以直接求出hm，根据hm=A，使用内插法来求得hp/hm=B，根据求得的累积波高值，来计算具体的波高hp的值。

2 计算公式

目前，在水工设计中，对波高的计算公式比较多，对波高的计算中，主要考虑的是风速V0和吹程D两个方面的因素，使用比较多的计算方法包括：官厅计算公式、鹤地公式、安德烈扬诺夫公式和莆田公式。具体如下：

2.1 官厅公式

官厅公式具体可以表示为h=0.0166V05/4D1/3，公式中，吹程D的单位使用km表示，或者使用gh/V02=0.0076V0-1/12（gD/V02）来计算。这个公式一般在内陆地区的峡谷水库水工设计中使用的比较多，对波高的计算也比较有效。

2.2 鹤地公式

水工设计中，计算波高使用鹤地公式一般可以表示为gh2%/V02=0.00625V01/8[gD/V02]1/3。鹤地公式对波高的计算，比较适合于平原丘陵地区，其中，风速一般小于26.5m/s，吹程一般小于7.5km。

2.3 安德烈扬诺夫公式

安德烈扬诺夫公式，表示为h=0.0208V05/4D1/3，其中，一般比较适用于深水波的计算。

2.4 莆田公式

莆田公式分为深水波和潜水波，主要表示为，ghm/V02=0.13th[0.0138（gD/V02）0.45]（深水波的计算）；ghm/V02=0.13th[0.7（gH/V02）0.7]（浅水波）。这种计算方法比较实用在平原地区的水工设计中。

3 水工设计中的一些问题

3.1 风速的计算问题

在水利工程建设中，进行水工设计，风速也是一个影响比较大的因素。最大风速系就是指在距离水库10m处的最大风速，往往会比陆地气象站的风速仪计量的数据要大，存在一定的差距，所以，国外的坝工设计手册中，提出可以将陆地气象站中测量的风速大小，增大一定的百分数来求取库面的风速值大小。一般的计算中，当风速吹程6.5km时，库面的风速就相应的增大30%左右，如果陆地测量的风速吹程在两者之间，库面的风速吹程就增大20%左右。

3.2 吹程因素的影响

在水工设计中，吹程的影响因素也需要充分的考虑，吹程使用D来表示，主要是指坝前到水库对岸中，水面的最大直线距离。同时，一些比较长的水域，或者是水库，吹程水面中存在局部的缩窄，而且宽度小于12倍的波长时，在相关的计算中，就能够取近似值D=5B来使用。一般情况下，吹程越大浪就会越高，对水利建筑的影响也就越大，因此，设计中要充分的考虑吹程的影响。

4 结束语

在水工设计中，进行波高的计算是整个设计比较有效的关键，因此，要针对具体的水工设计，选择不同的计算方式。目前的波高计算中，主要用到的是土石坝和重力坝方式来计算，其中，用土石坝来计算波高，可以借助换算系数，方法比较简单，计算速度也相对较快。使用重力坝计算波高时，方法比较繁琐，但是具体的计算结果比较准确。随着波高的增大，差异也会逐渐的增大，所以，在具体的施工设计中，要根据工程的情况，估计波高，选择有效的方法来计算波高。

参考文献

[1]刘楠.波高采集及数据处理分析系统[D].天津理工大学，2012.

[2]张晓佳.水工设计中存在的问题及对策分析[J].民营科技，2015，7：130.

[3]赵卫军.AutoCAD二次开发在水利工程设计中的应用[J].水利与建筑工程学报，2011，1：101-103.