第七章近海風電場工程水文

陶愛峰第三章近海風電場工程水文近海風電場近海動力環(huán)境近海風場特性與風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電場的環(huán)境效應2學時1學時6學時3學時2學時本章內容參考書目邱大洪，工程水文學（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，海岸動力學，人民交通出版社，2009，第四版嚴愷，海岸工程，海洋出版社，2002，第一版第一節(jié)近海動力環(huán)境_海洋國土區(qū)域劃分：領?；€向海12海里為領海，向海24海里為毗連區(qū)，向海不超過200海里為專屬經濟區(qū)，向海不超過350海里為大陸架，大陸架也可按地劃分。領?；€：連接大陸岸上和海岸外緣島嶼上各基點之間的各直線段相互連接。海洋國土：包括內海、領海、毗連區(qū)、專屬經濟區(qū)及大陸架，約37萬平方公里。中國近海概況平均水深：渤海18m黃海42m東海349m南海1140m海域面積：東中國海118.6萬km2南中國海270萬km2海岸線長度：大陸18000km海島14000km東中國海渤海屬于內海。是一個較封閉的溫帶淺海。南北長約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。黃海位于中國大陸和朝鮮半島之間，屬于半封閉的淺海。黃海南北長約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30.9萬平方公里，平均深度46m。流入其內的河流，主要有鴨綠江、大同江、漢江等。東海位于浙江、福建之東，臺灣和琉球之西。它是我國近海面積較大和大陸架較寬的一個海。它略至扇形，扇面撒向太平洋，南北長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江、錢塘江、閩江等。南中國海南海是我國最大的海域，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，單在我國境內就有6000km(不計島嶼岸線)，約占全國的三分之一。曲折復雜，港灣也多。流入南海的河流主要有珠江、紅河、湄公河等。中國近海資源中國近海港口分布圖中國近海可再生能源中國海洋自然保護區(qū)1995年，我國有關部門制定了《海洋自然保護區(qū)管理辦法》，貫徹養(yǎng)護為主、適度開發(fā)、持續(xù)發(fā)展的方針，對各類海洋自然保護區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和試驗區(qū)，加強海洋自然保護區(qū)建設和管理。目前，我國已建立各種類型的海洋自然保護區(qū)60處，所保護的區(qū)域面積近130萬公頃，其中國家級15個、省級26個、市縣級16個。海洋地貌近海區(qū)域地理相關術語近海區(qū)：一般指破波區(qū)以外與大陸架邊緣以內，寬度不等而且海底比較平坦的海區(qū)；但對岸灘演變有意義的，則僅限于淺海波浪運動觸及的海底以內，潮流較大，涉及泥沙運動的范圍。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；向海擴展10~15m等深線；水深岸坡陡的地段，調查寬度不得小于5海里。河口地區(qū)，向陸地到潮區(qū)界；向海至淡水舌鋒緣。海岸類型淤泥質沙質基巖生物海岸近海工程動力環(huán)境海洋結構物與環(huán)境的相互作用風浪流介質運動速度加速度阻力阻尼力慣性力附加質量載荷運動傾覆結構應力結構物輸入輸出第二節(jié)近海風場特性我國近海風況的特點主要表現(xiàn)為：季風、寒潮大風和臺風。季風由于海陸間熱力差異為主導因素，隨著季節(jié)變化而引起高、低壓中心和風帶的移動，形成冬、夏兩季盛行方向幾乎相反的風，夏季由海向陸地吹，冬季由陸地向海吹，稱為季風。我國是世界上著名的季風國家之一，每年10月至次年3月盛行偏北風，6月以后盛行偏南風，4、5月和8、9月為季風轉換季節(jié)。冬季渤海和黃海多西、西北和北風，占60%；東海多北和東北風；南海多東北和東風，占88%左右。夏季多為東南、南和西南風，渤海、黃海占50%左右；東海、南海占56%左右。近海風況特點我國近海風況的特點主要表現(xiàn)為：季風、寒潮大風和臺風。海潮大風中央氣象臺規(guī)定：冷空氣入侵后，氣溫在24小時內降低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，經西伯利亞，主要從偏西方向進入我國，風力可達8~9級，陣風10~11級。寒潮大風在一些迎風的海岸，如山東萊州灣易引起增水現(xiàn)象（風暴潮），工程設計中應特別注意。近海風況特點我國近海風況的特點主要表現(xiàn)為：季風、寒潮大風和臺風。臺風臺風就是熱帶氣旋，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。中央氣象臺把熱帶氣旋按中心最大風力分為四級：中心風力8級一下成為熱帶低壓；8~9級稱為熱帶風暴；10~11級稱為強熱帶風暴；12級以上稱為臺風。臺風多出現(xiàn)在7~10月。臺風路徑很復雜，很難找到兩個路徑完全相同的臺風，多我國沿海而言，歸納起來主要分為西行臺風、登陸臺風和轉向臺風。臺風是我國沿海主要的嚴重災害性天氣，主要表現(xiàn)為狂風與暴雨襲擊和增水引起的災害。我國沿海各省都曾受臺風侵襲，造成嚴重破壞，特別是福建、廣東、海南、臺灣省受影響最大。最新信息近海風況特點近海風況特點我國近海70米高度年平均風速分布各有不同，浙江中部至廣東東部近海海域年平均風速達8米/秒以上，其中臺灣海峽中部達9米/秒以上；江蘇近海和渤海西部風速為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。從風功率監(jiān)測情況看，70m高度年平均風功率密度為福建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)則波按波浪運動狀態(tài)分類：1.振蕩波2.推移波T波浪能分布及恢復力波浪參數(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)：兩個連續(xù)波峰或波谷經過一個定點所需要的時間。波頻率(f)：f=1／T.角頻率(σ)：σ=2π／T.波速(C)：波浪運動速度，C=L／T.波陡：H／L：用來表示波浪剖面特性。相對水深：h／L，用來區(qū)分深水波和淺水波。波浪控制方程-勢波理論G.D.EB.B.CD.F.S.B.CK.F.S.B.CL.B.C勢波理論線性化假設波浪振幅很小，即H<<L或H<<h。使用泰勒級數(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。線性嚴格來說就是各個變量僅為一次冪。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速度勢能微幅波理論的解頻散關系頻散關系的深淺水特性深水頻散關系淺水頻散關系函數(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使用漸近線而不是函數(shù)的實際值時，如果最大誤差被限制在5%以內，那么三個不同水深區(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波浪作用下的水質點運動速度與加速度相位差波浪作用下的水質點運動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部分：1.靜水壓強2.動水壓強波浪能量勢能來自于自由面的位移：動能來自于水質點沿軌跡運動：單位寬度每個波的總能量為：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，這個傳遞率是垂直剖面一側的流體對另一側流體所作功的功率。波能流的關系式是：波群上式表明，兩列簡單波疊加后的波形還是一個周期波，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線（圖2-9中的虛線）內變動的波浪。（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的速度，以表示：當波數(shù)差△k和波浪頻率差△σ很小時有：（2-57）在微幅波中，，將這一關系式兩邊微分后得：（2-58）可見對于微幅波，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，而波群包絡線卻以的速度向前傳播。波浪穿越波群包絡線時，振幅開始增大，然后減小，在波群節(jié)點處波浪振幅減小到零。由于波能流在波群節(jié)點處為零，而波群節(jié)點以速度推進，故波能傳播速度等于波群傳播速度。波群與群速有關波浪的三個速度：波速（又稱相速度）波群速（又是波能傳遞速度）波浪起的水質點速度（由勢函數(shù)求導而出的）。近似求解非線性問題的基本方法—攝動法解決方案取決于事前假定的一個小量ka，這個小量被定義為ε。因此，我們將所有的量分解成ε的冪級數(shù)。二階Stokes波二階Stokes波質量輸移流二階斯托克斯波與微幅波另一個明顯的差別是其水質點的運動軌跡不封閉。這種凈水平位移造成一種水平流動，稱為漂流或質量輸移。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，孤立波及橢圓余弦波理論較好，過渡水深需慎重。真實海浪波浪運動是指海洋水表面在外界因素(風)作用下以及在重力作用下的運動。波浪運動是隨機的，但是，并非雜亂無章，有其“內在規(guī)律”，或者說，規(guī)律寓于大量的不確定的變化之中。表征隨機現(xiàn)象的變量為隨機變量，不能以確定性的數(shù)字標定，只能以統(tǒng)計平均或概率的數(shù)學語言來描述。應用隨機過程和概率論的數(shù)學方法，討論波浪運動的規(guī)律，尋求波浪運動的數(shù)字特征，用以區(qū)別不同類型的隨機波浪運動。

規(guī)則波隨機波波浪測量隨機波浪理論—波浪統(tǒng)計跨零點法把波取從左到右依次記先大后小排順序根據需要求信息隨機波浪理論—特征波法記錄編號1波高(m)波浪周期(s)統(tǒng)計次數(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)計特性波高符合瑞利分布波浪統(tǒng)計特性相應的波高累積頻率（簡稱累積率）函數(shù)F(H)由下式導出即根據上式可得到累積率波高的關系，即例如常用的大波的平均波高與平均波高關系為當波列足夠長，即N足夠大時，最大波高的數(shù)學期望值為隨機波浪理論—譜方法隨機波浪理論—譜方法20世紀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個余弦組成波的振幅和圓頻率；為第n個波的初相位角，是一個均勻分布于0～2π間的隨機量。如果將圓頻率介于范圍內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，其結果將是一個σ的函數(shù)，令它為S(σ)（有些書用S(f)表示，），則有隨機波浪理論—譜方法一個組成波平均波能為，因此全部組成波的總能量：顯然，式（2-111）等號左邊項的含義相當于間隔內全部組成波的能量和（差一個乘積常數(shù)），故即相當于單位頻率間隔內的平均波能量，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組成波提供的能量，因此實際上函數(shù)就相當于波能密度相對于組成波頻率的分布函數(shù)，這一函數(shù)稱為波頻譜，通常簡稱為頻譜。由于它反映波能密度分布，所以又稱為能譜。隨機波浪理論—譜方法隨機波浪理論—譜方法隨機波浪理論—譜方法在北海聯(lián)合波浪研究計劃的資助下，提出了基于大量波浪觀測的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？設計波浪標準

設計波浪是設計各類涉海建筑物時所選用的波浪要素。因為海上風電場風電機組地基基礎造價較高，在選取設計波浪時，既要考慮到長期使用中可能出現(xiàn)的不利情況，保證建筑物的安全，又要符合經濟節(jié)約的原則。設計波浪包含兩個方面：一個是設計波浪的重現(xiàn)期標準；一個是設計波浪的波列累積頻率標準。前者是指波浪要素的長期（以數(shù)十年計）統(tǒng)計分布規(guī)律，因此設計波浪的重現(xiàn)期標準主要反映建筑物的使用年限和重要性。后者指設計波浪要素在實際海面上不規(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）統(tǒng)計分布規(guī)律，主要反映波浪對不同類型建筑物的不同作用性質。重現(xiàn)期標準定義

設計波浪的重現(xiàn)期標準就是應該怎樣選擇一個波列作為設計依據，只有選定了設計波列后，才能進一步按波列累積頻率標準最終確定設計波浪要素。某一個波列（它以其某一特征波，如、或表示）來自某一場大風形成的波浪場。在一年內，工程海域可能發(fā)生多次大風，各次大風的風況各不相同，因此產生的波列也不相同，而且每年出現(xiàn)的大風次數(shù)和強度也是不相同的，不可預知的，亦即某一波列的出現(xiàn)是偶然的，它是一個隨機事件，因此，可以用數(shù)理統(tǒng)計的方法去研究其分布規(guī)律，這就是波浪的長期分布規(guī)律。此時，代表各波列的特征波就是隨機變量，所研究海域歷史上已經出現(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?？紤]到還上風機基礎的實際特點，建議采取設計波浪重現(xiàn)期為50年。波浪累積頻率標準

由于我國海上風電的規(guī)范還沒有出臺，《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J101）等國外規(guī)范或標準又沒有針對具體結構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)境條件與荷載技術規(guī)范》（SY/T4084-95）選取合適的波列累積頻率。針對單樁及導管架基礎，波高累積頻率可取為設計標準建筑物形式部位設計內容波高累積頻率F直墻式、墩柱式上部結構、墻身、墩柱、樁基強度和穩(wěn)定性1基床、護底塊石穩(wěn)定性5斜坡式胸墻、堤頂方塊強度和穩(wěn)定性1護面塊石、護面塊體穩(wěn)定性13護底塊石穩(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系進行換算。深水波時，他們之間的換算關系可以由下列各式得到。設計波高計算

用波浪實測資料推算當工程海區(qū)有長期（20年以上）實測資料時，用頻率分析法進行設計波浪的推算，在選取理論頻率曲線時，《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）規(guī)定，對于年極值波高及與其對應周期的理論頻率曲線，一般采用皮爾遜III型曲線，國內經驗表明，該曲線與波高和周期的經驗頻率點一般都擬合良好。當工程海區(qū)只有短期（1～3年）實測資料時，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?shù)淖鴺宿D換，在專用的坐標紙上繪制經驗頻率點，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，以此來估計多年一遇的設計波高。本研究建議采用《海港水文規(guī)范》推薦使用的線型：波高以均勻坐標表示，大于或等于某波高的累積頻率P用對數(shù)坐標表示。設計波高計算

用氣象資料或數(shù)學模型推算可根據當?shù)氐娘L速資料簡單確定不同重現(xiàn)期的設計波浪。在確定風場要素以后，利用風場要素和波浪要素之間的關系可以確定波浪要素。目前常用的方法有威爾遜（Wilson）（1965）風浪預報法，Bretschneider（1970年）風浪預報方法，JONSWAP風浪預報法，原蘇聯(lián)規(guī)范的新方法，我國常用的是《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）中推薦使用的方法。根據深水風浪要素計算圖可以查得當?shù)睾^(qū)各種風要素下的波浪要素。籍由計算機的迅速發(fā)展，各種波浪數(shù)學模型也越來越完善，再合理確定邊界條件基礎上，采用合適的波浪模型計算設計波要素已發(fā)展成為比較普及的方法。

WaveWatchIII+SWAN第三代海浪數(shù)值模式

Delft3D3維水動力－水質模型系統(tǒng)Mike21設計波高計算步驟確定風電場海域主要波浪來向分析當?shù)貧庀笈_、站多年來風的觀測資料，以作為確定工程海域主要來波方向的一個依據?？衫蔑L速、風向頻率玫瑰圖，確定當?shù)氐膹婏L向和常風向。研究來波方向，必須把風況玫瑰圖與工程區(qū)的地理位置結合起來進行分析，圖中的風玫瑰圖，虛線的表示風向頻率玫瑰圖，實線的表示最大風速玫瑰圖。設計波高計算步驟

收集和整理波浪觀測資料

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

，即分方向檢測觀測站資料的使用程度。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，則利用實測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算后才能得到風電地基基礎處的波浪。關于采樣問題，為保證樣本的獨立性，采用年最大值采樣法組成系列，即從資料報表中采取某方向每年出現(xiàn)的最大一場波浪作為樣本，因為對波浪而言，相鄰年份中年最大值的相關關系非常微弱，可以認為是獨立的。設計波高計算步驟設計波浪的推算-頻率分析方法（1）經驗累積頻率的計算先制作一個7列行的表格，如附表7所示，為觀測資料總年數(shù)。第一列為年代順序號；將觀測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驗累積頻率，為超過第個年極大值波浪的個數(shù)，重現(xiàn)期和經驗累積頻率的關系為

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設計波高計算步驟某觀測站23年波高極值設計波高計算步驟（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驗累積頻率點，進而達到外延的目的。一般采用皮爾遜Ⅲ型曲線。但由于作為樣本的實際資料所得到的統(tǒng)計參數(shù)存在一定的誤差范圍，在計算時可以由適線法調整參數(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，任意性更為明顯，因此應探討更為合理的線型。用皮爾遜Ⅲ型曲線進行適線時，必須先求出該曲線所包含的3個參數(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)：

設計波高計算步驟設計波高計算步驟

對附表7中的數(shù)據，，，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)據繪于附圖2，連成光滑曲線（虛線）與經驗累積頻率點作對比調整。由于平均值誤差較小，一般不予調整。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調整前后理論累積頻率表0.1123510255075909799調整前2.982.332.132.001.841.601.260.930.670.480.340.25調整后4.132.902.532.322.041.671.200.840.630.550.510.50設計波高計算步驟

顯然，經過調整后的理論累積頻率曲線能較好地吻合實際觀測數(shù)據，可以代表樣本的總體分布，而起到外延的作用。于是根據附表8可得觀測站該方向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

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

周期與波長計算

若當?shù)卮蟮牟ɡ酥饕獮轱L浪，可由當?shù)仫L浪的波高與周期的相關關系外推與該設計波高相對應的周期，或按表4.4確定相應的周期。表4.4風浪的波高與周期的近似關系

當海區(qū)大的波浪主要為涌浪或者混合浪時應該用波高年最大值對應的波周期（）組成的系列進行頻率分析得到。但是由于海水運動的復雜性，區(qū)分風浪和涌浪時往往帶有相當大的主觀性，所以在條件允許的情況下，建議采用第二種方法。有效波周期和的關系為：與波浪周期對應的波長可按下式計算：23456789106.17.58.79.810.611.412.112.713.2設計潮位標準

各類涉海工程規(guī)劃、設計和施工所依據的潮位稱為設計潮位。按照《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）和《灘海環(huán)境條件與荷載技術規(guī)范》（SY/T4084-95）等相關規(guī)范或建議的規(guī)定，設計潮位應包括：設計高水位、設計低水位；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。除設計潮位外，對港口、海岸及近海工程而言，還有兩個水位需要用到，是多年平均海平面，用作確定陸地高程的零點，二是理論深度基準面，用作計算海圖水深的起算面。設計高、低水位

設計高、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。對于近海風機基礎而言，在高、低水位范圍內，應保證在各種設計荷載條件下，滿足基礎結構以及地基基礎的穩(wěn)定與強度要求。按照《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）和《灘海環(huán)境條件與荷載技術規(guī)范》（SY/T4084-95)的規(guī)定：對于海岸和河口水域，設計高水位應采用高潮累積頻率10%的潮位，簡稱高潮10%；設計低水位應采用低潮累積頻率90%的潮位，簡稱低潮90%。在已有歷時累積頻率統(tǒng)計資料的情況下，其設計高、低水位應分別采用歷時累積頻率1%和98%的潮位。設計水位計算步驟設計潮位的推算一般采用兩類方法，一類是繪制潮位歷時累積頻率曲線；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)計數(shù)據不同，前者以每小時的實測潮位值為統(tǒng)計數(shù)據，后者以每日高低潮潮位值為統(tǒng)計數(shù)據。下面以潮位歷時累積頻率曲線為例做詳細說明。取全年逐日每小時的實測潮位值做為原始統(tǒng)計數(shù)據進行頻率分析。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）為一級進行分組；（2）按月統(tǒng)計各級潮位出現(xiàn)的次數(shù)，然后計算高于各組下限的潮位在1年中出現(xiàn)的累積次數(shù)；設計水位計算步驟（3）設累積次數(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，累積頻率為橫坐標，將各累積頻率值繪于相應潮級下限處，把各點連成光滑的曲線，即為潮位歷時累積頻率曲線，然后在曲線上讀出歷時累積頻率為1%的潮位值作為設計高潮位，歷時累積頻率98%的潮位作為設計低潮位。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設計水位計算步驟極端高、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、臺風、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)期是以幾十年來計算的。因此，在出現(xiàn)這種水位時，并不要求港口、海岸及近海水工建筑物能正常使用，對近海風機基礎而言，要求此時風機基礎各部分結構和地基仍有必要的安全度。極端高水位還是確定近海風機檢修平臺底高程的主要依據。為了避免風機基礎檢修平臺受到波浪水流及冰等環(huán)境荷載的沖擊，參考海洋平臺的操作平臺高程及近岸防波堤堤頂高程的確定方法，建議近海風機基礎檢修平臺底高程的選取應大于“極端高水位加極端條件設計波浪波高的一半（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)境條件與荷載技術規(guī)范》（SY/T4084-95）有對極端高、低水位的明確說明，前者規(guī)定海港工程的極端高、低水位應采用重現(xiàn)期為50年的年極值高、低水位。后者規(guī)定Ⅰ級、Ⅱ級灘海結構物的極端高（低）水位應采用重現(xiàn)期為50a的高（低）潮位，Ⅲ級結構物的極端高（低）水位應采用重現(xiàn)期為25a的高（低）潮位，臨時性結構物應采用2-3倍結構物的設計壽命作為校核高（低）水位的重現(xiàn)期。結合海上風機基礎特點以及第四章提及的其他規(guī)范對極端環(huán)境條件重現(xiàn)期的規(guī)定。建議取海上風電場風電機組地基基礎設計的極端高、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)計方法和波浪極值統(tǒng)計方法一致，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。波浪荷載計算

在近海工程中，如海上平臺，離岸式碼頭等建筑物，它們的水下結構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。在工程設計中，計算作用在墩柱上的波浪力的方法，應用較多的有兩個：一是于1950年由Morison等人提出的稱之為Morison方程的計算方法，這個方法的基本假定是認為當墩柱尺度與波長相比較小時，墩柱的存在并不影響波動場，故作用在墩柱上的波浪力，除與墩柱尺度有關外，取決于未被墩柱擾動的波動場內在墩柱軸線處的水質點運動速度和加速度；另一個方法是1954年由MacCamy和Fuchs提出的繞射理論，它假定流體是無粘的，運動是有勢的，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等人引入的一個半經驗公式。根據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動沖擊樁的拖曳力；一部分為波浪水質點運動引起的對樁柱的慣性力。公式的物理意義在于將波浪作用于樁柱結構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，其合力才是波浪對樁柱結構的作用力。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，超過此范圍的大尺度樁柱需要考慮繞射效應，不過大部分規(guī)范仍會先由Morison公式算出初值，然后籍由多年的研究及實踐經驗進行修訂。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），當為矩形斷面時，D改為b(m);A--柱體的斷面面積（m2）；、--分別為水質點軌道運動的水平速度（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)，其值由結構物表面粗糙程度確定，其經驗公式為：式中，k為表示表面粗糙程度的物理量，單位為m，對于新的裸鋼和有圖層的鋼，如海上風能基礎常用的鋼管結構都可以認為是光滑的；對于混凝土和高度腐蝕的鋼，k=0.003m;對于有附著海生物的，k=0.005～0.05m。KC為Keulegan-Carpenter數(shù)，其表達式為：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，實線對應光滑，虛線對應粗糙，介于光滑和粗糙之間可由線性插值得到。該指南同時還指出對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《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》（1992）指出由和應盡量由試驗確定，在缺少資料時，對圓形斷面可取，?！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、日資料的基礎上，結合我國1966年進行的823工程原型觀測資料，對圓形斷面取，對方形或的矩形斷面取；對圓形斷面取，對方形或的矩形斷面取。這一取值與《海上固定平臺入級與建造規(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算作用于整個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。

當和或和時，按下列方法確定：沿柱體高度選取不同z值,根據公式（6-1）和（6-2）分別計算和時的和，計算點不宜少于5個點，其中，和三點。為任意相位時波面在靜水面以上的高度。當時，，為波峰在靜水面以上的高度，按圖6.3確定；當時，。若沿柱體高度斷面有變化時，則在交界面上下應分別進行計算。由和分布圖形即可算出總的和。Morison方程Morison方程當和間柱體斷面相同時，作用于該段上的和分別按下列公式計算：和對斷面的力矩和分別按下列公式計算：Morison方程若沿整個柱體高度斷面相同，則在計算整個柱體的及其對水底面的力矩時，應取和；而在計算整個柱體上的及其對水底面的力矩時，應取和。作用于整個柱體高度上任何相位時的正向水平總波浪力，可按下式計算：Morison方程作用于整個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算當時，正向水平最大總波浪力按下式計算：此時相位為對于水底面的最大總波浪力矩按下式計算：當時，正向水平最大總波浪力按下式計算：此時相位為最大總用力和力矩確定后，作用點的位置便可以確定了，作用點距底面的距離為。對于水底面的最大總波浪力矩按下式計算：Morison方程小尺度群樁效應對于小直徑樁柱組成的群樁結構，應根據設計波浪的計算剖面來確定同一時刻各樁上的正向水平總波浪力P。當樁的中心距l(xiāng)小于4倍樁的直徑D時，應乘以群樁系數(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生的海水周期性的水平運動；后者又可分為永久性和暫時性的二類；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；暫時性的海流主要是因氣象因素變化，如風和浪的作用所產生的風吹流和近岸流。外海海水流動的形式很多，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，與潮汐伴隨產生的周期性海水水平運動。（2）漂流由于風和水面的摩擦作用所引起的海流，其流向受地球自轉偏向力的影響，在北半球偏于風向的右方，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)內水團密度分布也不均勻，由此產生的海流稱為密度梯度流。（5）補償流海水水團的流動必然在某些海區(qū)形成海水的虧缺，此虧缺必須由近水團來補充，由此產生的海流稱為補償流。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稱為波浪流。潮流潮波是由天體如月亮、太陽等對地球的引力作用所產生的強迫振動，是一種長波，具有固定的頻率，其周期約與天體運行的周期相一致，在半日或一天以上，波長約有數(shù)百或數(shù)千公里。潮波內無數(shù)水質點以一定的相位差相繼運動，構成潮波的傳播，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動特征，其中潮流是根本的特征，因為潮位變化主要是潮流的漲落引起的，但潮位的升降是最明顯的特征。任意一個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)”是指自然條件相對穩(wěn)定而言的。潮流潮流-調和分析-調和分析

在調和分析中，潮波的選取與觀測時間有關，一般分離63個朝波需要一年的資料。實踐證明，在眾多潮波中，起主要作用的有11個，其中包括4個半日潮波M2,S2,N2,K2，4個日潮波K1,O1,P1,Q1，以及3個淺水潮波M4,MS4,M6，而這11個潮波用1個月的連續(xù)觀測資料就可分離出來。表1.1列出了這11個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潮汐性質是指潮汐類型，根據潮型數(shù)進行劃分。潮型數(shù)A表示三個主要潮波（M2,K1,O1)的相對重要性。根據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（）。潮流種類名稱符號速度(度/平/太陽時)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潮流和余流分離計算表表8-2潮余流分離時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：余流流向為：

根據表8-2第（6）、（7）兩欄的數(shù)值，可算出各時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，作用于港口工程結構上的水流力標準值，應按下式計算：（7-1）式中，——水流力標準值（KN）；

——水流設計流速（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；

——計算構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)內容。水流力計算

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

《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ215-98）和《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》（1992）都指出水流設計流速可采用港口工程或海洋平臺所處范圍內可能出現(xiàn)的最大平均流速?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_入級與建造規(guī)范》（1992）建議其值最好根據現(xiàn)場實測資料整理分析后確定，或者分別計算潮流和余流流速，然后進行疊加。水流力計算最大潮流流速計算方法（1）對規(guī)則半日潮流海區(qū)按下式計算：（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半軸矢量。（2）對規(guī)則全日制潮流海區(qū)按下式計算：

（3）對不規(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算最大余流流速計算方法

有關最大可能余流流速（m/s），《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》（1992）指出余流主要為由風引起的風海流，利用其與風速的近似關系，可對其進行估算：（7-4）

式中，V——10分鐘最大持續(xù)風速（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向一致。水流力計算資料不足時的水流流速計算方法《海上固定平臺入級與建造規(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)律應盡量通過現(xiàn)場實測確定，同時也給出了實測資料不足時的估算方法：（7-5）式中，——設計泥面以上x高度處的水流速度（m/s）；

——水面的潮流速度（m/s)；

——風在水面引起的水流速度（m/s）。

水流力計算

水流阻力系數(shù)的選取《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》（1992）指出應盡量由試驗確定，在實驗資料不足時，對圓形構件可??；《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)定對圓形墩柱構件，取，并按照下列規(guī)定進行修訂。水流力計算水流阻力系數(shù)的選取（1）當計算作用于沿水流方向排列的墩、柱構件上的水流力時應將各構件的水流阻力系數(shù)乘以相應的遮流影響系數(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水流力計算水流阻力系數(shù)的選?。?）當需要考慮構件淹沒深度和水深對水流力的影響時應根據構件淹沒深度和水深將水流阻力系數(shù)乘以相應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水流力計算水流阻力系數(shù)的選?。?）當需要考慮墩柱間橫向影響時應將水流阻力系數(shù)乘以相應的橫向影響系數(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)名稱簡圖圓端墩3710≥151.831.251.151.0方形墩46810≥121.211.081.061.031.0水流力計算水流阻力系數(shù)的選取

（4）當需要考慮墩、柱受斜向水流作用的影響時，應將水流阻力系數(shù)乘以相應的影響系數(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)名稱簡圖圓端墩0510151.01.131.251.37方形墩0102030≥451.00.670.670.710.75冰荷載計算

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，對結構物的作用和影響可能有以下幾種：（1）在海流及風的作用下，大面積冰層擠壓結構物產生的靜壓力；（2）自由漂移的流冰對結構物產生的動壓力；（3）冰覆蓋層受溫度影響膨脹時的靜壓力；（4）凍結的冰層因水位升降對結構產生的豎向作用力等。其中，流冰對結構物的動壓力一般只發(fā)生在流速較大的區(qū)域；冰膨脹時的靜壓力一般發(fā)生在結構布置較密的區(qū)域，當冰層溫度急劇上升導致冰體積膨脹受到結構約束的情況；水位變化導致粘附在結構表面的冰層對結構產生的豎向作用力一般較小，對結構設計不起控制作用；冰層擠壓結構物產生的靜壓力對結構影響較大，是海工結構設計時常常需要考慮的冰荷載。冰荷載計算設計所需資料在考慮冰情時，應取得下列資料作為設計的依據：（1）固定冰和流冰在灘海區(qū)域的作用范圍；（2）流冰冰塊的大小（單個冰塊的最大水平尺度）、流動方向和流動速度；（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間的范圍；（6）海冰的物理、力學性能指標，包括密度、溫度、鹽度、彈性模量，泊松比、單軸抗壓強度、彎曲強度、剪切強度、凍結強度等。冰荷載計算計算方法海冰主要有單層冰、重疊冰和堆積冰三種類型。運動的冰排或固定的冰原受到結構物阻攔時，對結構物產生的作用力隨冰排或冰原的運動而逐漸加大，當增至足夠大時，冰自身破壞，它對結構物的作用力也達到了極值。當該作用力大于結構物所能承受的臨界載荷時，結構物就會破壞。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結構物作用的模式、過程和作用力的大小。運動著的冰排在結構物前可能發(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，對結構物的作用力大小也不同。各種冰的破壞形式中，一般以擠壓破壞對樁柱產生的冰力最大，彎曲破壞的冰力最小。因此，在進行冰荷載計算時，應根據海冰類型和結構形式的不同，分別考慮。冰荷載計算

單層冰或冰板擠壓垂直樁柱產生的水平力式中，

——水平冰力（KN）；

——樁柱形狀系數(shù)，對圓截面樁柱采用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（無側限）抗壓強度（kpa）；

——冰接觸區(qū)結構的直徑或寬度（m）；

——冰層的厚度（m）。

冰荷載計算單層冰或大塊浮冰沿錐形結構發(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）；——水的單位質量（kg/m3）；——單層冰的彎曲強度（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）；冰荷載計算單層冰或大塊浮冰沿錐形結構發(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是冰雨結構之間的摩擦系數(shù)，α是水平線所成的錐角（°）冰荷載計算冰脊作用于結構物上的破壞荷載式中，F(xiàn)ur,s--結構物對冰脊的剪切破壞冰力（KN）；B--冰脊寬（m）； hk--冰脊深（m）；ρw--水的單位質量（kg/m3)；ρi--冰的單位質量(kg/m3)；g--重力加速度（m/s2）；--非固結碎冰的內摩擦角（°）；Fi0--冰脊對結構物的擠壓破壞荷載（KN）；Hk--非固結冰脊寬度（m）；b--結構寬度（m）;r-非固結冰脊的壓縮強度（kpa）。樁基沖刷問題對于近海風電場，由于波浪和潮流的共同作用，在風電塔基周圍將產生局部沖刷，可能影響到風電塔基的穩(wěn)定性。研究分析波流共同作用下風電塔基的局部沖刷問題，對于近海風電場風機塔基的基礎設計，具有重要的理論和實踐意義。目前，我國海上風電剛起步，國內還沒有計算海上樁基沖刷這方面的公式，而風電塔基沖刷深度對風電塔基的設計起到至關重要的作用。因此，合理確定風機塔基的沖刷深度不僅具有理論意義，而且也具有重要的經濟意義。研究的主要手段目前對于樁基局部沖刷的研究主要通過現(xiàn)場觀測和模型試驗來進行，且以后者為主。樁基沖刷的問題最早在20世紀60年代末由Palmer提出，他現(xiàn)場監(jiān)測了波浪與水流聯(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生局部沖刷其實是水動力條件和地質特性類型相互作用的結果。建筑物對于波流的反作用使建筑物附近的局部地區(qū)水流得到加強或是產生漩渦，改變了圓柱周圍的底切應力場和流場，使原本靜止的泥沙起動并輸移（波浪掀沙，潮流輸沙），產生局部沖刷，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點運動引起的底切力。在波浪和水流的作用下，一般應根據圓柱直徑D與波長L比值的大小來分別加以討論。當D/L＜0.1~0.15時為小直徑情況，圓柱對波浪場幾乎沒有影響，造成局部沖刷的原因是波浪水流經過圓柱時出現(xiàn)的漩渦。當D/L＞0.1~0.15時，為大直徑情況，這時波浪會發(fā)生折射和繞射。海上風力發(fā)電機組的基礎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建筑物的穩(wěn)定性影響最大，因而是局部沖刷問題的關鍵，下面將介紹幾種最大沖刷深度的計算公式。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經過實驗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算公式：（1-1）其中，m是根據試驗結果得到的經驗系數(shù)，m=0.03；Sm為最大沖刷深度，K.C.=UbT/D上式