第七章近海风电场工程水文

陶爱峰第三章近海风电场工程水文近海风电场近海动力环境近海风场特性与风荷载近海波浪理论与波浪荷载近海水流特性与水流荷载近海风电场的环境效应2学时1学时6学时3学时2学时本章内容参考书目邱大洪，工程水文学（港口航道及海岸工程专业用），人民交通出版社，1999，第三版邹志利，海岸动力学，人民交通出版社，2009，第四版严恺，海岸工程，海洋出版社，2002，第一版第一节近海动力环境_海洋国土区域划分：领海基线向海12海里为领海，向海24海里为毗连区，向海不超过200海里为专属经济区，向海不超过350海里为大陆架，大陆架也可按地划分。领海基线：连接大陆岸上和海岸外缘岛屿上各基点之间的各直线段相互连接。海洋国土：包括内海、领海、毗连区、专属经济区及大陆架，约37万平方公里。中国近海概况平均水深：渤海18m黄海42m东海349m南海1140m海域面积：东中国海118.6万km2南中国海270万km2海岸线长度：大陆18000km海岛14000km东中国海渤海属于内海。是一个较封闭的温带浅海。南北长约300nmile东西宽约160nmile，海区面积约7.7万平方公里，平均深度为18m，最大深度为70m，流入渤海的河流较多，其中主要有辽河、海河和黄河等。黄海位于中国大陆和朝鲜半岛之间，属于半封闭的浅海。黄海南北长约470nmile，东西宽约300nmiIe，海底面积约38万平方公里。黄海的平均深度为42m，最大深度为60m。其中北黄海面积约为72万平方公里，平均深度38m；南黄海面积约达30.9万平方公里，平均深度46m。流入其内的河流，主要有鸭绿江、大同江、汉江等。东海位于浙江、福建之东，台湾和琉球之西。它是我国近海面积较大和大陆架较宽的一个海。它略至扇形，扇面撒向太平洋，南北长700nmile，总面积77万多平方公里。平均水深349m。流入东海的河流主要有长江、钱塘江、闽江等。南中国海南海是我国最大的海域，也是西太平洋较大的边缘海之一。总面积约为350多万平方公里，平均深度1212m，最大深度为5567m。海盆周围有陆坡，呈台阶状，北部和西南海的陆架较宽广，有半封闭的浅海湾，西岸陆架较窄，南部、东部边缘还夹有海槽、海沟。海岸线长，单在我国境内就有6000km(不计岛屿岸线)，约占全国的三分之一。曲折复杂，港湾也多。流入南海的河流主要有珠江、红河、湄公河等。中国近海资源中国近海港口分布图中国近海可再生能源中国海洋自然保护区1995年，我国有关部门制定了《海洋自然保护区管理办法》，贯彻养护为主、适度开发、持续发展的方针，对各类海洋自然保护区划分为核心区、缓冲区和试验区，加强海洋自然保护区建设和管理。目前，我国已建立各种类型的海洋自然保护区60处，所保护的区域面积近130万公顷，其中国家级15个、省级26个、市县级16个。海洋地貌近海区域地理相关术语近海区：一般指破波区以外与大陆架边缘以内，宽度不等而且海底比较平坦的海区；但对岸滩演变有意义的，则仅限于浅海波浪运动触及的海底以内，潮流较大，涉及泥沙运动的范围。近岸区：从低潮海滨线向海方延伸，很可能超出破波区，但由近岸流来规定其宽度范围海岸带：一般岸段，自海岸线向陆地延伸10km左右；向海扩展10~15m等深线；水深岸坡陡的地段，调查宽度不得小于5海里。河口地区，向陆地到潮区界；向海至淡水舌锋缘。海岸类型淤泥质沙质基岩生物海岸近海工程动力环境海洋结构物与环境的相互作用风浪流介质运动速度加速度阻力阻尼力惯性力附加质量载荷运动倾覆结构应力结构物输入输出第二节近海风场特性我国近海风况的特点主要表现为：季风、寒潮大风和台风。季风由于海陆间热力差异为主导因素，随着季节变化而引起高、低压中心和风带的移动，形成冬、夏两季盛行方向几乎相反的风，夏季由海向陆地吹，冬季由陆地向海吹，称为季风。我国是世界上著名的季风国家之一，每年10月至次年3月盛行偏北风，6月以后盛行偏南风，4、5月和8、9月为季风转换季节。冬季渤海和黄海多西、西北和北风，占60%；东海多北和东北风；南海多东北和东风，占88%左右。夏季多为东南、南和西南风，渤海、黄海占50%左右；东海、南海占56%左右。近海风况特点我国近海风况的特点主要表现为：季风、寒潮大风和台风。海潮大风中央气象台规定：冷空气入侵后，气温在24小时内降低10摄氏度上，且最低气温将至5摄氏度以下，称为寒潮，它是我国冬季主要的天气过程之一，一般连续3~5天。寒潮路径较稳定，它发源于极地，经西伯利亚，主要从偏西方向进入我国，风力可达8~9级，阵风10~11级。寒潮大风在一些迎风的海岸，如山东莱州湾易引起增水现象（风暴潮），工程设计中应特别注意。近海风况特点我国近海风况的特点主要表现为：季风、寒潮大风和台风。台风台风就是热带气旋，它起源于赤道南北纬度5~20的海洋面上，以太平洋最多，约占66%，尤以西太平洋更多，占36%以上。中央气象台把热带气旋按中心最大风力分为四级：中心风力8级一下成为热带低压；8~9级称为热带风暴；10~11级称为强热带风暴；12级以上称为台风。台风多出现在7~10月。台风路径很复杂，很难找到两个路径完全相同的台风，多我国沿海而言，归纳起来主要分为西行台风、登陆台风和转向台风。台风是我国沿海主要的严重灾害性天气，主要表现为狂风与暴雨袭击和增水引起的灾害。我国沿海各省都曾受台风侵袭，造成严重破坏，特别是福建、广东、海南、台湾省受影响最大。最新信息近海风况特点近海风况特点我国近海70米高度年平均风速分布各有不同，浙江中部至广东东部近海海域年平均风速达8米/秒以上，其中台湾海峡中部达9米/秒以上；江苏近海和渤海西部风速为6.5米/秒至7.5米/秒；而广东西部、海南岛西部和广西近海也都在6.0米/秒至7.5米/秒之间。从风功率监测情况看，70m高度年平均风功率密度为福建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、山东400瓦每平方米至450瓦每平方米、江苏及上海350瓦每平方米至400瓦每平方米、广东东部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、海南岛东北部和西部350瓦每平方米至400瓦每平方米、广西300瓦每平方米至350瓦每平方米。第三节近海波浪随机波浪理论解析波浪理论波浪分类按波浪周期分类：1.表面张力波2.重力波3.长周期波4.潮波按波浪形态分类：1.规则波2.不规则波按波浪运动状态分类：1.振荡波2.推移波T波浪能分布及恢复力波浪参数波浪参数振幅(a)：波高的一半。波数(k):k=2π／L.波周期(T)：两个连续波峰或波谷经过一个定点所需要的时间。波频率(f)：f=1／T.角频率(σ)：σ=2π／T.波速(C)：波浪运动速度，C=L／T.波陡：H／L：用来表示波浪剖面特性。相对水深：h／L，用来区分深水波和浅水波。波浪控制方程-势波理论G.D.EB.B.CD.F.S.B.CK.F.S.B.CL.B.C势波理论线性化假设波浪振幅很小，即H<<L或H<<h。使用泰勒级数展开式来联系从未知高程到静止水平面的边界条件。取自由面的压力为0。线性严格来说就是各个变量仅为一次幂。微幅波理论G.D.EB.B.CD.F.S.B.CK.F.S.B.CL.B.C微幅波理论求解L.B.C如何获得解？G.D.EB.B.CD.F.S.B.C速度势能微幅波理论的解频散关系频散关系的深浅水特性深水频散关系浅水频散关系函数largekhsmallkhcoshkh

／21sinhkh

／2khtanhkh1kh浅水：kh＜π／10过渡水深：π／10＜kh＜π深水：kh＞π水波理论常用到的的深浅水界限当使用渐近线而不是函数的实际值时，如果最大误差被限制在5%以内，那么三个不同水深区域的极限值表示如下：浅水：kh＜π／10过渡水深：π／10＜kh＜π深水：kh＞π波浪作用下的水质点运动速度与加速度相位差波浪作用下的水质点运动轨迹深水浅水过渡水深波浪作用下的水压力压力方程包括两个部分：1.静水压强2.动水压强波浪能量势能来自于自由面的位移：动能来自于水质点沿轨迹运动：单位宽度每个波的总能量为：波能流-波功率能量沿波浪传播方向上的传递率被称为波能流，这个传递率是垂直剖面一侧的流体对另一侧流体所作功的功率。波能流的关系式是：波群上式表明，两列简单波叠加后的波形还是一个周期波，但振幅是变化的，最大波幅为组成波振幅的2倍，波数和频率为两列正弦波的平均值。这可以看成原来两列正弦波叠加而成的合成波成为在包络线（图2-9中的虚线）内变动的波浪。（2-56）群速这种波浪叠加后反映出来的总体现象称为波群。波群的传播速度即为图2-9中虚线波形向前推进的速度，以表示：当波数差△k和波浪频率差△σ很小时有：（2-57）在微幅波中，，将这一关系式两边微分后得：（2-58）可见对于微幅波，波群传播速度与前面所讨论的波能传播速度完全相同。在深水中n=1／2，合成波波峰以速度c向前传播，而波群包络线却以的速度向前传播。波浪穿越波群包络线时，振幅开始增大，然后减小，在波群节点处波浪振幅减小到零。由于波能流在波群节点处为零，而波群节点以速度推进，故波能传播速度等于波群传播速度。波群与群速有关波浪的三个速度：波速（又称相速度）波群速（又是波能传递速度）波浪起的水质点速度（由势函数求导而出的）。近似求解非线性问题的基本方法—摄动法解决方案取决于事前假定的一个小量ka，这个小量被定义为ε。因此，我们将所有的量分解成ε的幂级数。二阶Stokes波二阶Stokes波质量输移流二阶斯托克斯波与微幅波另一个明显的差别是其水质点的运动轨迹不封闭。这种净水平位移造成一种水平流动，称为漂流或质量输移。各种不同的波浪理论分析波浪理论：

线性波理论余摆线波理论STOKES波理论椭圆余弦波理论孤立波理论数值模拟波浪理论：

流函数波理论各波浪理论适用范围一些波浪理论的应用范围是作为H/gT2及h/gT2的函数深水条件下，Stokes波总是可以用的，浅水时，孤立波及椭圆余弦波理论较好，过渡水深需慎重。真实海浪波浪运动是指海洋水表面在外界因素(风)作用下以及在重力作用下的运动。波浪运动是随机的，但是，并非杂乱无章，有其“内在规律”，或者说，规律寓于大量的不确定的变化之中。表征随机现象的变量为随机变量，不能以确定性的数字标定，只能以统计平均或概率的数学语言来描述。应用随机过程和概率论的数学方法，讨论波浪运动的规律，寻求波浪运动的数字特征，用以区别不同类型的随机波浪运动。

规则波随机波波浪测量随机波浪理论—波浪统计跨零点法把波取从左到右依次记先大后小排顺序根据需要求信息随机波浪理论—特征波法记录编号1波高(m)波浪周期(s)统计次数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波浪统计特性波高符合瑞利分布波浪统计特性相应的波高累积频率（简称累积率）函数F(H)由下式导出即根据上式可得到累积率波高的关系，即例如常用的大波的平均波高与平均波高关系为当波列足够长，即N足够大时，最大波高的数学期望值为随机波浪理论—谱方法随机波浪理论—谱方法20世纪50年代初Longuet-Higgins用Rice分析电子管噪声电流的方法，将无限多个不同振幅、频率和初始相位角的余弦波叠加起来描述某一固定的海面，即式中：分别为第n个余弦组成波的振幅和圆频率；为第n个波的初相位角，是一个均匀分布于0～2π间的随机量。如果将圆频率介于范围内的各组成波的振幅平方之半叠加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围，其结果将是一个σ的函数，令它为S(σ)（有些书用S(f)表示，），则有随机波浪理论—谱方法一个组成波平均波能为，因此全部组成波的总能量：显然，式（2-111）等号左边项的含义相当于间隔内全部组成波的能量和（差一个乘积常数），故即相当于单位频率间隔内的平均波能量，称为波能密度。海浪的总能量由所有组成波提供，函数给出了不同频率间隔内组成波提供的能量，因此实际上函数就相当于波能密度相对于组成波频率的分布函数，这一函数称为波频谱，通常简称为频谱。由于它反映波能密度分布，所以又称为能谱。随机波浪理论—谱方法随机波浪理论—谱方法随机波浪理论—谱方法在北海联合波浪研究计划的资助下，提出了基于大量波浪观测的JONSWAP谱。波浪理论能解决荷载问题了吗？波浪理论能解决荷载问题了吗？设计波浪标准

设计波浪是设计各类涉海建筑物时所选用的波浪要素。因为海上风电场风电机组地基基础造价较高，在选取设计波浪时，既要考虑到长期使用中可能出现的不利情况，保证建筑物的安全，又要符合经济节约的原则。设计波浪包含两个方面：一个是设计波浪的重现期标准；一个是设计波浪的波列累积频率标准。前者是指波浪要素的长期（以数十年计）统计分布规律，因此设计波浪的重现期标准主要反映建筑物的使用年限和重要性。后者指设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的出现频率，代表波浪要素的短期（以十几分钟计）统计分布规律，主要反映波浪对不同类型建筑物的不同作用性质。重现期标准定义

设计波浪的重现期标准就是应该怎样选择一个波列作为设计依据，只有选定了设计波列后，才能进一步按波列累积频率标准最终确定设计波浪要素。某一个波列（它以其某一特征波，如、或表示）来自某一场大风形成的波浪场。在一年内，工程海域可能发生多次大风，各次大风的风况各不相同，因此产生的波列也不相同，而且每年出现的大风次数和强度也是不相同的，不可预知的，亦即某一波列的出现是偶然的，它是一个随机事件，因此，可以用数理统计的方法去研究其分布规律，这就是波浪的长期分布规律。此时，代表各波列的特征波就是随机变量，所研究海域历史上已经出现的各波列和今后可能出现的各波列的总和就是总体，这个总体是无限的，而我们掌握的历史上若干年的波列就是样本，我们可以从样本资料中推求某一波列的出现频率及累积频率，这就是波浪的重现期问题。考虑到还上风机基础的实际特点，建议采取设计波浪重现期为50年。波浪累积频率标准

由于我国海上风电的规范还没有出台，《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J101）等国外规范或标准又没有针对具体结构物给出波列累积频率建议，因此本研究将参考《海港水文规范》（JTJ213-98）和《海滩环境条件与荷载技术规范》（SY/T4084-95）选取合适的波列累积频率。针对单桩及导管架基础，波高累积频率可取为设计标准建筑物形式部位设计内容波高累积频率F直墙式、墩柱式上部结构、墙身、墩柱、桩基强度和稳定性1基床、护底块石稳定性5斜坡式胸墙、堤顶方块强度和稳定性1护面块石、护面块体稳定性13护底块石稳定性13各种累积频率波高之间的换算

累积频率为（%）的波高，以及大波的平均波高之间，可以通过各自与平均波高的关系进行换算。深水波时，他们之间的换算关系可以由下列各式得到。设计波高计算

用波浪实测资料推算当工程海区有长期（20年以上）实测资料时，用频率分析法进行设计波浪的推算，在选取理论频率曲线时，《海港水文规范》（JTJ213-98）规定，对于年极值波高及与其对应周期的理论频率曲线，一般采用皮尔逊III型曲线，国内经验表明，该曲线与波高和周期的经验频率点一般都拟合良好。当工程海区只有短期（1～3年）实测资料时，一般采用不分方向，全部取日最大波高值作为波浪分析的样本，利用适当的坐标转换，在专用的坐标纸上绘制经验频率点，使其近似呈直线分布。然后利用最小二乘法推求出直线方程，以此来估计多年一遇的设计波高。本研究建议采用《海港水文规范》推荐使用的线型：波高以均匀坐标表示，大于或等于某波高的累积频率P用对数坐标表示。设计波高计算

用气象资料或数学模型推算可根据当地的风速资料简单确定不同重现期的设计波浪。在确定风场要素以后，利用风场要素和波浪要素之间的关系可以确定波浪要素。目前常用的方法有威尔逊（Wilson）（1965）风浪预报法，Bretschneider（1970年）风浪预报方法，JONSWAP风浪预报法，原苏联规范的新方法，我国常用的是《海港水文规范》（JTJ213-98）中推荐使用的方法。根据深水风浪要素计算图可以查得当地海区各种风要素下的波浪要素。籍由计算机的迅速发展，各种波浪数学模型也越来越完善，再合理确定边界条件基础上，采用合适的波浪模型计算设计波要素已发展成为比较普及的方法。

WaveWatchIII+SWAN第三代海浪数值模式

Delft3D3维水动力－水质模型系统Mike21设计波高计算步骤确定风电场海域主要波浪来向分析当地气象台、站多年来风的观测资料，以作为确定工程海域主要来波方向的一个依据。可利用风速、风向频率玫瑰图，确定当地的强风向和常风向。研究来波方向，必须把风况玫瑰图与工程区的地理位置结合起来进行分析，图中的风玫瑰图，虚线的表示风向频率玫瑰图，实线的表示最大风速玫瑰图。设计波高计算步骤

收集和整理波浪观测资料

当来波方向确定以后就可收集原始的波浪观测资料。首先应注意观测站的地理环境并与工程区的地理环境相比较

，即分方向检测观测站资料的使用程度。此外还需考虑水深的影响，如附图1所示，测波浮筒处水深约为30m，而工程区附近水深仅10m左右，则利用实测资料推算出来的东南及东向波浪也只能代表工程区同样水深处的波浪，这些波浪还须浅水变形计算后才能得到风电地基基础处的波浪。关于采样问题，为保证样本的独立性，采用年最大值采样法组成系列，即从资料报表中采取某方向每年出现的最大一场波浪作为样本，因为对波浪而言，相邻年份中年最大值的相关关系非常微弱，可以认为是独立的。设计波高计算步骤设计波浪的推算-频率分析方法（1）经验累积频率的计算先制作一个7列行的表格，如附表7所示，为观测资料总年数。第一列为年代顺序号；将观测站年某方向极大值波浪由大到小依次排列，并列于附表7第二列；第三列，称为模比系数即第年的与年平均值的比值；第七列为年最大波高的经验累积频率，为超过第个年极大值波浪的个数，重现期和经验累积频率的关系为

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设计波高计算步骤某观测站23年波高极值设计波高计算步骤（2）理论累积频率曲线选用理论累积频率曲线的目的是拟合经验累积频率点，进而达到外延的目的。一般采用皮尔逊Ⅲ型曲线。但由于作为样本的实际资料所得到的统计参数存在一定的误差范围，在计算时可以由适线法调整参数，因而存在一定的任意性，特别是系列中存在少数特大值时，任意性更为明显，因此应探讨更为合理的线型。用皮尔逊Ⅲ型曲线进行适线时，必须先求出该曲线所包含的3个参数，即平均值、离差系数及偏态系数。附表7所示系列的均值离差系数为：偏态系数：

设计波高计算步骤设计波高计算步骤

对附表7中的数据，，，属于正偏。由于偏态系数是用离差的三次方求得，因离差有抽样误差，故值的可靠性很差，一般按的倍数取用。取，，查皮尔逊Ⅲ型的积分表，得累积频率的模比系数，列于附表7中。将表中数据绘于附图2，连成光滑曲线（虚线）与经验累积频率点作对比调整。由于平均值误差较小，一般不予调整。取，，，查出，也列入附表8的下部，在附表2中绘出理论曲线。

附表8调整前后理论累积频率表0.1123510255075909799调整前2.982.332.132.001.841.601.260.930.670.480.340.25调整后4.132.902.532.322.041.671.200.840.630.550.510.50设计波高计算步骤

显然，经过调整后的理论累积频率曲线能较好地吻合实际观测数据，可以代表样本的总体分布，而起到外延的作用。于是根据附表8可得观测站该方向50年一遇的年极值波高为

该方向5年一遇的年极值波高为

再根据各种累积频率波高间的关系即可得到各种累积频率的波高，如50年一遇，1%累积率为

周期与波长计算

若当地大的波浪主要为风浪，可由当地风浪的波高与周期的相关关系外推与该设计波高相对应的周期，或按表4.4确定相应的周期。表4.4风浪的波高与周期的近似关系

当海区大的波浪主要为涌浪或者混合浪时应该用波高年最大值对应的波周期（）组成的系列进行频率分析得到。但是由于海水运动的复杂性，区分风浪和涌浪时往往带有相当大的主观性，所以在条件允许的情况下，建议采用第二种方法。有效波周期和的关系为：与波浪周期对应的波长可按下式计算：23456789106.17.58.79.810.611.412.112.713.2设计潮位标准

各类涉海工程规划、设计和施工所依据的潮位称为设计潮位。按照《海港水文规范》（JTJ213-98）和《滩海环境条件与荷载技术规范》（SY/T4084-95）等相关规范或建议的规定，设计潮位应包括：设计高水位、设计低水位；极端高水位、极端低水位。有些规范将极端水位称为校核水位。除设计潮位外，对港口、海岸及近海工程而言，还有两个水位需要用到，是多年平均海平面，用作确定陆地高程的零点，二是理论深度基准面，用作计算海图水深的起算面。设计高、低水位

设计高、低水位是指港口、海岸及近海水工建筑物在正常使用条件下的高、低水位。对于近海风机基础而言，在高、低水位范围内，应保证在各种设计荷载条件下，满足基础结构以及地基基础的稳定与强度要求。按照《海港水文规范》（JTJ213-98）和《滩海环境条件与荷载技术规范》（SY/T4084-95)的规定：对于海岸和河口水域，设计高水位应采用高潮累积频率10%的潮位，简称高潮10%；设计低水位应采用低潮累积频率90%的潮位，简称低潮90%。在已有历时累积频率统计资料的情况下，其设计高、低水位应分别采用历时累积频率1%和98%的潮位。设计水位计算步骤设计潮位的推算一般采用两类方法，一类是绘制潮位历时累积频率曲线；另一类是绘制高低潮累积频率曲线。两种曲线绘制方法一样，只是统计数据不同，前者以每小时的实测潮位值为统计数据，后者以每日高低潮潮位值为统计数据。下面以潮位历时累积频率曲线为例做详细说明。取全年逐日每小时的实测潮位值做为原始统计数据进行频率分析。曲线绘制具体步骤如下：（1）找出资料中最高和最低潮位，在两者之间采用20cm（或10cm）为一级进行分组；（2）按月统计各级潮位出现的次数，然后计算高于各组下限的潮位在1年中出现的累积次数；设计水位计算步骤（3）设累积次数为m，总次数为n，则高于该组下限的潮位累积频率为；

（4）取潮位为纵坐标，累积频率为横坐标，将各累积频率值绘于相应潮级下限处，把各点连成光滑的曲线，即为潮位历时累积频率曲线，然后在曲线上读出历时累积频率为1%的潮位值作为设计高潮位，历时累积频率98%的潮位作为设计低潮位。间隔8月9月10月...6月7月次数累加次数p潮位（m）12345419～4002220.02＞＝3.6399～380443219210.25＞＝3.4...-41～-602828899.99＞＝-0.6次数336720744...7206568288设计水位计算步骤极端高、低水位

极端水位是指港口建筑物在非正常工作条件下的高、低水位。这种水位是由于寒潮、台风、低压、地震、海啸所造成的增减水与天文潮组合而成的，其重现期是以几十年来计算的。因此，在出现这种水位时，并不要求港口、海岸及近海水工建筑物能正常使用，对近海风机基础而言，要求此时风机基础各部分结构和地基仍有必要的安全度。极端高水位还是确定近海风机检修平台底高程的主要依据。为了避免风机基础检修平台受到波浪水流及冰等环境荷载的冲击，参考海洋平台的操作平台高程及近岸防波堤堤顶高程的确定方法，建议近海风机基础检修平台底高程的选取应大于“极端高水位加极端条件设计波浪波高的一半（或三分之二）再加一定的安全超高（如1.5米或1米）”。极端高、低水位

《海港水文规范》（JTJ213-98）和《滩海环境条件与荷载技术规范》（SY/T4084-95）有对极端高、低水位的明确说明，前者规定海港工程的极端高、低水位应采用重现期为50年的年极值高、低水位。后者规定Ⅰ级、Ⅱ级滩海结构物的极端高（低）水位应采用重现期为50a的高（低）潮位，Ⅲ级结构物的极端高（低）水位应采用重现期为25a的高（低）潮位，临时性结构物应采用2-3倍结构物的设计寿命作为校核高（低）水位的重现期。结合海上风机基础特点以及第四章提及的其他规范对极端环境条件重现期的规定。建议取海上风电场风电机组地基基础设计的极端高、低水位采用重现期为50年的年极值高、低水位。极端水位的统计方法和波浪极值统计方法一致，所不同的只是选用的理论累积频率曲线不再是皮尔逊Ⅲ型，而是采用耿贝尔曲线。波浪荷载计算

在近海工程中，如海上平台，离岸式码头等建筑物，它们的水下结构往往是由一系列墩柱组成的，因此这类建筑物的主要外力之一就是作用在其上波浪力。在工程设计中，计算作用在墩柱上的波浪力的方法，应用较多的有两个：一是于1950年由Morison等人提出的称之为Morison方程的计算方法，这个方法的基本假定是认为当墩柱尺度与波长相比较小时，墩柱的存在并不影响波动场，故作用在墩柱上的波浪力，除与墩柱尺度有关外，取决于未被墩柱扰动的波动场内在墩柱轴线处的水质点运动速度和加速度；另一个方法是1954年由MacCamy和Fuchs提出的绕射理论，它假定流体是无粘的，运动是有势的，并利用了线性化的自由水面边界条件。由于这两种方法都各有其基本假定，因此它们都有一定的适用范围。D~3-5mL~50-150m

D/L≤0.2基于Morison方程的波浪力计算方法（海港水文规范）Morison方程Morison方程是1950年Morison等人引入的一个半经验公式。根据Morison方程，作用在圆柱上的作用力可以分为两部分：一部分为由于波浪本身运动冲击桩的拖曳力；一部分为波浪水质点运动引起的对桩柱的惯性力。公式的物理意义在于将波浪作用于桩柱结构上的力分解为速度分力和惯性分力，再按力矢合成原理，将速度分力和惯性分力迭加，其合力才是波浪对桩柱结构的作用力。从原理而言，Morison公式只能适用于D/L≤0.2的小尺度桩柱，其中D为桩柱直径，L为波长，超过此范围的大尺度桩柱需要考虑绕射效应，不过大部分规范仍会先由Morison公式算出初值，然后籍由多年的研究及实践经验进行修订。Morison方程Morison方程式中,--波浪力的速度分力（KN/m);--波浪力的惯性分力（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--矩形柱体断面垂直和平行于波向的宽度（m）;D--柱体直径（m），当为矩形断面时，D改为b(m);A--柱体的断面面积（m2）；、--分别为水质点轨道运动的水平速度（m/s）和水平加速度（m/s2);、--分别为速度力系数和惯性力系数，不同的规范对和有着不同的取值方向。Morison方程《Designofoffshorewindturbinestructure》（DNV-OS-J101）给出的取值方法如下式中，为稳定流拖曳力系数，其值由结构物表面粗糙程度确定，其经验公式为：式中，k为表示表面粗糙程度的物理量，单位为m，对于新的裸钢和有图层的钢，如海上风能基础常用的钢管结构都可以认为是光滑的；对于混凝土和高度腐蚀的钢，k=0.003m;对于有附着海生物的，k=0.005～0.05m。KC为Keulegan-Carpenter数，其表达式为：式中，为静水面最大水平粒子速度，T为波浪周期。Morison方程为和的函数，其值可以由图查到，实线对应光滑，虚线对应粗糙，介于光滑和粗糙之间可由线性插值得到。该指南同时还指出对于浅海以及波生流比较显著的近岸海域，的取值不能低于2.0。Morison方程《海上固定平台入级与建造规范》（1992）指出由和应尽量由试验确定，在缺少资料时，对圆形断面可取，。《海港水文规范》（JTJ213-98）和《滩海环境条件与荷载技术规范》（SY/T4084-95）在参考前苏联规范以及美、日资料的基础上，结合我国1966年进行的823工程原型观测资料，对圆形断面取，对方形或的矩形断面取；对圆形断面取，对方形或的矩形断面取。这一取值与《海上固定平台入级与建造规范》（1992）和《Designofoffshorewindturbinestructure》（DNV-OS-J101）相比，更为安全。Morison方程小尺度单桩最大作用力和力矩计算作用于整个柱体高度上的最大速度分力和最大惯性分力，可按下列规定确定。

当和或和时，按下列方法确定：沿柱体高度选取不同z值,根据公式（6-1）和（6-2）分别计算和时的和，计算点不宜少于5个点，其中，和三点。为任意相位时波面在静水面以上的高度。当时，，为波峰在静水面以上的高度，按图6.3确定；当时，。若沿柱体高度断面有变化时，则在交界面上下应分别进行计算。由和分布图形即可算出总的和。Morison方程Morison方程当和间柱体断面相同时，作用于该段上的和分别按下列公式计算：和对断面的力矩和分别按下列公式计算：Morison方程若沿整个柱体高度断面相同，则在计算整个柱体的及其对水底面的力矩时，应取和；而在计算整个柱体上的及其对水底面的力矩时，应取和。作用于整个柱体高度上任何相位时的正向水平总波浪力，可按下式计算：Morison方程作用于整个柱体高度上的最大总波浪力和最大总波浪力矩可按下列公式计算当时，正向水平最大总波浪力按下式计算：此时相位为对于水底面的最大总波浪力矩按下式计算：当时，正向水平最大总波浪力按下式计算：此时相位为最大总用力和力矩确定后，作用点的位置便可以确定了，作用点距底面的距离为。对于水底面的最大总波浪力矩按下式计算：Morison方程小尺度群桩效应对于小直径桩柱组成的群桩结构，应根据设计波浪的计算剖面来确定同一时刻各桩上的正向水平总波浪力P。当桩的中心距l小于4倍桩的直径D时，应乘以群桩系数K，K值可按表6.1采用。表6.1群桩系数K234234垂直于波向1.51.251.0平行于波向0.850.91.0桩列方向l/D桩列方向l/D近海水流近海水流

近岸海流一般可分为潮流和非潮波。前者是海水受日、月等天体引潮力作用而产生的海水周期性的水平运动；后者又可分为永久性和暂时性的二类；永久性的海流是众所周知的大洋环流，如赤道流、墨西哥湾流、黑潮等；暂时性的海流主要是因气象因素变化，如风和浪的作用所产生的风吹流和近岸流。外海海水流动的形式很多，按其生成原因可分为下列几种：（1）潮流由日、月等天体引潮力作用引起的，与潮汐伴随产生的周期性海水水平运动。（2）漂流由于风和水面的摩擦作用所引起的海流，其流向受地球自转偏向力的影响，在北半球偏于风向的右方，在南半球偏于左方。（3）气压梯度流由于大气压力的改变，致使高气压区水位降低，而低气压区水位增高，由此产生的海流称为气压梯度流。（4）密度梯度流由于水层温度和盐度分布的不均匀，因此海区内水团密度分布也不均匀，由此产生的海流称为密度梯度流。（5）补偿流海水水团的流动必然在某些海区形成海水的亏缺，此亏缺必须由近水团来补充，由此产生的海流称为补偿流。此外，近岸特有的水流还有以下两种：（1）河川泄流由于河川径流入海，在河口附近的海区所引起的海水流动称为河川泄流。（2）波浪流是由于在近岸区波浪破碎而形成的一种水平流动称为波浪流。潮流潮波是由天体如月亮、太阳等对地球的引力作用所产生的强迫振动，是一种长波，具有固定的频率，其周期约与天体运行的周期相一致，在半日或一天以上，波长约有数百或数千公里。潮波内无数水质点以一定的相位差相继运动，构成潮波的传播，表现在垂直方向的潮位升降和水平方向的潮流涨落。潮位和潮流是潮波的主要运动特征，其中潮流是根本的特征，因为潮位变化主要是潮流的涨落引起的，但潮位的升降是最明显的特征。任意一个潮波的潮位可表示为：式中，f、u分别表示因月球轨道18.6年变化引入的对平均振幅H和相角的订正值；g为迟角；σ为潮波角速率；V0为天文初相角；H、g就是潮波的调和常数。一般说来，它们是由海区的深度、地形、岸线外形等自然条件决定的，所谓“常数”是指自然条件相对稳定而言的。潮流潮流-调和分析-调和分析

在调和分析中，潮波的选取与观测时间有关，一般分离63个朝波需要一年的资料。实践证明，在众多潮波中，起主要作用的有11个，其中包括4个半日潮波M2,S2,N2,K2，4个日潮波K1,O1,P1,Q1，以及3个浅水潮波M4,MS4,M6，而这11个潮波用1个月的连续观测资料就可分离出来。表1.1列出了这11个潮波的名称及其角速率。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潮汐性质是指潮汐类型，根据潮型数进行划分。潮型数A表示三个主要潮波（M2,K1,O1)的相对重要性。根据A值的大小，潮汐一般可划分为四种类型，即：正规半日潮（），不正规半日潮（），不正规全日潮（）和正规半日潮（）。潮流种类名称符号速度(度/平/太阳时)周期(h)半日分潮主太阴半日分潮M228.9812.42主太阴椭圆率半日分潮N228.4412.66主太阳半日分潮S230.0012.00主太阴赤纬半日分潮K230.8214.96日分潮主太阴日分潮O113.9425.82主太阴椭圆率日分潮Q113.4026.87主太阳日分潮P114.9624.07主太阴赤纬日分潮K115.0423.93浅海分潮太阴浅海分潮M457.966.21太阴太阳浅海分潮MS458.986.10太阳浅海分潮M686.944.14若以“潮形函数”来划分潮汐类型，则大致可分为：规则半日潮不规则半日潮不规则日潮潮流潮余流分离时刻流流的分离潮流流速U(cm/s)流向θ(º)东分北分（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潮流和余流分离计算表表8-2潮余流分离时刻流流的分离潮流流速U(cm/s)流向θ(º)东分北分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计算过程列于表8-2，其东分流流速与北分流流速分别为：

余流流速为：余流流向为：

根据表8-2第（6）、（7）两栏的数值，可算出各时刻的潮流流速和流向，从而可绘出潮流椭圆图。潮余流分离Homework水流力计算水流力公式《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）规定，作用于港口工程结构上的水流力标准值，应按下式计算：（7-1）式中，——水流力标准值（KN）；

——水流设计流速（m/s），具体取值方法见7.2节；

——水的密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025；

——计算构件在与水流垂直平面上的投影面积（m2）；

——水流阻力系数，具体取值方法见7.3节内容。水流力计算

水流力作用点水流力的作用方向与水流方向一致，合力作用点位置可按下列规定采用：（1）上部结构：位于阻水面积形心处；（2）下部结构：顶面在水面以下时，位于顶面以下1/3高度处：顶面在水面以上时，位于水面以下1/3水深处。下部结构水流力作用点示意图如图7.1所示，其中h为水深，l为构件长度水流力计算水流设计流速的推算

《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）和《海上固定平台入级与建造规范》（1992）都指出水流设计流速可采用港口工程或海洋平台所处范围内可能出现的最大平均流速。《海上固定平台入级与建造规范》（1992）建议其值最好根据现场实测资料整理分析后确定，或者分别计算潮流和余流流速，然后进行叠加。水流力计算最大潮流流速计算方法（1）对规则半日潮流海区按下式计算：（7-2）式中，——潮流的可能最大流速（流速：m/s，流向：）；

——分别为主太阴半日分潮流、主太阳半日分潮流、太阴太阳赤纬日分潮流、主太阴日分潮流、太阴四分之一日分潮流和太阴太阳四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量。（2）对规则全日制潮流海区按下式计算：

（3）对不规则半日潮流海区和不规则全日潮流海区，采用式（7-2）和式（7-3）中的最大值水流力计算最大余流流速计算方法

有关最大可能余流流速（m/s），《海上固定平台入级与建造规范》（1992）指出余流主要为由风引起的风海流，利用其与风速的近似关系，可对其进行估算：（7-4）

式中，V——10分钟最大持续风速（m/s）；

——系数，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与风向一致。水流力计算资料不足时的水流流速计算方法《海上固定平台入级与建造规范》（1992）和《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J101）都指出水流流速随水深变化，其变化规律应尽量通过现场实测确定，同时也给出了实测资料不足时的估算方法：（7-5）式中，——设计泥面以上x高度处的水流速度（m/s）；

——水面的潮流速度（m/s)；

——风在水面引起的水流速度（m/s）。

水流力计算

水流阻力系数的选取《海上固定平台入级与建造规范》（1992）指出应尽量由试验确定，在实验资料不足时，对圆形构件可取；《港口工程荷载规范》（JTJ215-98)给出了比较明确的取值方法，该规范规定对圆形墩柱构件，取，并按照下列规定进行修订。水流力计算水流阻力系数的选取（1）当计算作用于沿水流方向排列的墩、柱构件上的水流力时应将各构件的水流阻力系数乘以相应的遮流影响系数。遮流影响系数可按表7.1选用：表7.1遮流影响系数前墩后墩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水流力计算水流阻力系数的选取（2）当需要考虑构件淹没深度和水深对水流力的影响时应根据构件淹没深度和水深将水流阻力系数乘以相应的淹没深度影响系数和水深影响系数，和也可按表7.2及表7.3选用：表7.2淹没深度影响系数

表7.3墩柱相对水深影响系数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水流力计算水流阻力系数的选取（3）当需要考虑墩柱间横向影响时应将水流阻力系数乘以相应的横向影响系数和水深影响系数，可按表7.4选用。表7.4墩柱水流力横向影响系数名称简图圆端墩3710≥151.831.251.151.0方形墩46810≥121.211.081.061.031.0水流力计算水流阻力系数的选取

（4）当需要考虑墩、柱受斜向水流作用的影响时，应将水流阻力系数乘以相应的影响系数，可按表7.5选用。表7.5墩柱水流受斜向水流作用的影响系数名称简图圆端墩0510151.01.131.251.37方形墩0102030≥451.00.670.670.710.75冰荷载计算

近海区域的海冰主要有单层冰、重叠冰和堆积冰三种类型，对结构物的作用和影响可能有以下几种：（1）在海流及风的作用下，大面积冰层挤压结构物产生的静压力；（2）自由漂移的流冰对结构物产生的动压力；（3）冰覆盖层受温度影响膨胀时的静压力；（4）冻结的冰层因水位升降对结构产生的竖向作用力等。其中，流冰对结构物的动压力一般只发生在流速较大的区域；冰膨胀时的静压力一般发生在结构布置较密的区域，当冰层温度急剧上升导致冰体积膨胀受到结构约束的情况；水位变化导致粘附在结构表面的冰层对结构产生的竖向作用力一般较小，对结构设计不起控制作用；冰层挤压结构物产生的静压力对结构影响较大，是海工结构设计时常常需要考虑的冰荷载。冰荷载计算设计所需资料在考虑冰情时，应取得下列资料作为设计的依据：（1）固定冰和流冰在滩海区域的作用范围；（2）流冰冰块的大小（单个冰块的最大水平尺度）、流动方向和流动速度；（3）固定冰、流冰（包括单层冰、重叠冰和堆积冰）的厚度；（4）流冰期间的气温、水温和冰温；（5）固定冰期和流冰期及起止时间的范围；（6）海冰的物理、力学性能指标，包括密度、温度、盐度、弹性模量，泊松比、单轴抗压强度、弯曲强度、剪切强度、冻结强度等。冰荷载计算计算方法海冰主要有单层冰、重叠冰和堆积冰三种类型。运动的冰排或固定的冰原受到结构物阻拦时，对结构物产生的作用力随冰排或冰原的运动而逐渐加大，当增至足够大时，冰自身破坏，它对结构物的作用力也达到了极值。当该作用力大于结构物所能承受的临界载荷时，结构物就会破坏。冰荷载的这种变化过程受控于冰的破坏类型。所以，冰自身破坏的类型和过程直接决定了它对结构物作用的模式、过程和作用力的大小。运动着的冰排在结构物前可能发生的破坏类型有挤压破坏、弯曲破坏和纵向剪切破坏，冰的破坏类型不同，对结构物的作用力大小也不同。各种冰的破坏形式中，一般以挤压破坏对桩柱产生的冰力最大，弯曲破坏的冰力最小。因此，在进行冰荷载计算时，应根据海冰类型和结构形式的不同，分别考虑。冰荷载计算

单层冰或冰板挤压垂直桩柱产生的水平力式中，

——水平冰力（KN）；

——桩柱形状系数，对圆截面桩柱采用0.9；

——嵌入系数，渤海湾地区粒状海冰在大的径厚比情况下可取1.2；

——桩柱与冰层的接触系数，渤海湾地区可取0.45；

——冰的极限（无侧限）抗压强度（kpa）；

——冰接触区结构的直径或宽度（m）；

——冰层的厚度（m）。

冰荷载计算单层冰或大块浮冰沿锥形结构发生向上弯曲破坏式中，——作用在锥体上的水平力（KN）；——作用在锥体上的垂直力（KN）；——水的单位质量（kg/m3）；——单层冰的弯曲强度（kpa）；——冰厚（m）——冰上爬的厚度（m）；——水线处锥体的直径（m）；——锥体顶部直径（m）；——重力加速度（m/s2）；冰荷载计算单层冰或大块浮冰沿锥形结构发生向上弯曲破坏A1，A2，A3，A4，B1，B2--无因次系数，由图8.2查得，图中，μ是冰雨结构之间的摩擦系数，α是水平线所成的锥角（°）冰荷载计算冰脊作用于结构物上的破坏荷载式中，Fur,s--结构物对冰脊的剪切破坏冰力（KN）；B--冰脊宽（m）； hk--冰脊深（m）；ρw--水的单位质量（kg/m3)；ρi--冰的单位质量(kg/m3)；g--重力加速度（m/s2）；--非固结碎冰的内摩擦角（°）；Fi0--冰脊对结构物的挤压破坏荷载（KN）；Hk--非固结冰脊宽度（m）；b--结构宽度（m）;r-非固结冰脊的压缩强度（kpa）。桩基冲刷问题对于近海风电场，由于波浪和潮流的共同作用，在风电塔基周围将产生局部冲刷，可能影响到风电塔基的稳定性。研究分析波流共同作用下风电塔基的局部冲刷问题，对于近海风电场风机塔基的基础设计，具有重要的理论和实践意义。目前，我国海上风电刚起步，国内还没有计算海上桩基冲刷这方面的公式，而风电塔基冲刷深度对风电塔基的设计起到至关重要的作用。因此，合理确定风机塔基的冲刷深度不仅具有理论意义，而且也具有重要的经济意义。研究的主要手段目前对于桩基局部冲刷的研究主要通过现场观测和模型试验来进行，且以后者为主。桩基冲刷的问题最早在20世纪60年代末由Palmer提出，他现场监测了波浪与水流联合作用下单桩周围海底的冲刷坑形成过程与冲刷速率，得出了一些有益的结论。桩基冲刷问题桩基冲刷的原因波流共同作用下建筑物周围基底产生局部冲刷其实是水动力条件和地质特性类型相互作用的结果。建筑物对于波流的反作用使建筑物附近的局部地区水流得到加强或是产生漩涡，改变了圆柱周围的底切应力场和流场，使原本静止的泥沙起动并输移（波浪掀沙，潮流输沙），产生局部冲刷，形成冲刷坑。显然，造成局部冲刷的原因是各种合成波的水质点运动引起的底切力。在波浪和水流的作用下，一般应根据圆柱直径D与波长L比值的大小来分别加以讨论。当D/L＜0.1~0.15时为小直径情况，圆柱对波浪场几乎没有影响，造成局部冲刷的原因是波浪水流经过圆柱时出现的漩涡。当D/L＞0.1~0.15时，为大直径情况，这时波浪会发生折射和绕射。海上风力发电机组的基础一般属于小直径一类，造成局部冲刷的原因是圆柱周围出现的漩涡。由于冲刷坑的深度对建筑物的稳定性影响最大，因而是局部冲刷问题的关键，下面将介绍几种最大冲刷深度的计算公式。桩基冲刷问题（一）波浪作用下小直径圆柱周围的局部冲刷1992年，Sumer经过实验得到小直径圆柱在非线性规则波作用下的最大冲刷深度计算公式：（1-1）其中，m是根据试验结果得到的经验系数，m=0.03；Sm为最大冲刷深度，K.C.=UbT/D上式