允許越浪海堤的環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)確定及越浪流與堤后波況計(jì)算.pdf

1、風(fēng)暴潮是影響我國(guó)沿海地區(qū)的重要災(zāi)害種類之一,由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城市基本集中于沿海地區(qū),因此,防范風(fēng)暴潮災(zāi)害成為重要的研究課題。海堤是我國(guó)沿海地區(qū)防范風(fēng)暴潮的主要海岸建筑物,是沿海地區(qū)防御風(fēng)暴潮體系中最直接、最有效的工程措施。風(fēng)暴潮作用下海堤的環(huán)境條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定需要考慮多種因素的綜合作用,包括環(huán)境條件的不確定性、工程投資、海堤失效的風(fēng)險(xiǎn)等,其中,多種環(huán)境條件的聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。在確定海堤堤頂高程時(shí),傳統(tǒng)的做法是

2、按照不允許越浪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),然而海洋環(huán)境條件的不確定性和工程投資等因素使得越浪不可完全避免,因此需要按照允許越浪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)海堤。在設(shè)計(jì)允許越浪海堤時(shí),需要校核越浪流對(duì)堤頂及后坡的穩(wěn)定性影響及沖刷作用,而不同的越浪流其作用方式不同,僅通過(guò)平均越浪量難以確定,因此需要對(duì)最大單波越浪量及越浪流速度場(chǎng)等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究才能給出堤頂及后坡的設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　本文對(duì)受臺(tái)風(fēng)暴潮影響海區(qū)允許越浪情況下斜坡式海堤的環(huán)境條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究,并應(yīng)用數(shù)值

3、模型對(duì)越浪引起的越浪流及堤后波況進(jìn)行了定量研究,以期為允許越浪的海堤堤頂高程和后坡防護(hù)提供設(shè)計(jì)參數(shù)。本文的主要工作如下:
　　針對(duì)工程區(qū)域?qū)嶋H海洋觀測(cè)資料有限的現(xiàn)狀,采用臺(tái)風(fēng)暴潮過(guò)程后報(bào)模型獲得工程需要的同步發(fā)生的,分別以風(fēng)為主、以浪為主、以水位為主的長(zhǎng)期多維極值統(tǒng)計(jì)序列,并利用鄰近海區(qū)的觀測(cè)站資料對(duì)模型的后報(bào)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。后報(bào)模型主要采用RAMS、POM、SWAN三種模式,其中,考慮到SWAN在繞射計(jì)算方面可能存在不穩(wěn)定,在波

4、浪場(chǎng)的近岸推算中采用了一個(gè)簡(jiǎn)化的不考慮風(fēng)場(chǎng)的考慮繞射的淺水波浪傳播模型。
　　由于最大熵分布有4個(gè)待定參數(shù),可以更加細(xì)致地?cái)M合數(shù)據(jù)和更廣泛地適用于各種情況下的非線性海浪,且對(duì)數(shù)據(jù)擬合時(shí)不帶先驗(yàn)性,因此采用最大熵分布對(duì)海洋環(huán)境要素進(jìn)行邊緣分布擬合。現(xiàn)有的多維分布模型的邊緣分布多是相同的,而統(tǒng)計(jì)序列進(jìn)行抽樣時(shí),與主要因素序列伴隨發(fā)生的其他兩個(gè)次要因素序列一般都不符合極值分布,采用相同邊緣分布的模型與客觀情況不符。本文建立的以最大熵分布

5、為邊緣分布的三維嵌套邏輯分布模型,在邊緣分布擬合上更加靈活,能夠更好地反映各個(gè)要素的不確定性。
　　多維聯(lián)合分布模型對(duì)應(yīng)于某一聯(lián)合重現(xiàn)期的解有無(wú)數(shù)組,求解時(shí)需要使用一定的約束條件。本文以越浪量為約束條件,采用四種計(jì)算方法推求允許越浪海堤的海洋環(huán)境要素重現(xiàn)值設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和堤頂高程,并比較了三種主因素序列對(duì)堤頂高程設(shè)計(jì)的影響。同時(shí),考慮到某些海堤的危險(xiǎn)狀況是由峰值越浪體積引起的,對(duì)海堤的最大單波越浪量進(jìn)行了驗(yàn)算,并嘗試了以最大單波越浪量為

6、約束條件確定海堤的重現(xiàn)值設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和堤項(xiàng)高程。
　　對(duì)于允許越浪的海堤,需要堤頂和后坡防護(hù)設(shè)計(jì)的水文參數(shù)。因此,建立了用于越浪流模擬的二維數(shù)值波浪水槽。該數(shù)值水槽采用CIP方法求解對(duì)流方程和THINC方法追蹤自由面,可以處理自由面的大變形和多重自由面的問(wèn)題。采用前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值波浪水槽進(jìn)行了驗(yàn)證,包括潰壩實(shí)驗(yàn)、規(guī)則波和孤立波在潛堤上的傳播變形實(shí)驗(yàn)以及越浪流在堤頂?shù)暮穸群偷毯蟠紊ǖ淖兓?yīng)用建立的數(shù)值波浪水槽對(duì)堤頂和后坡上的越浪

7、流進(jìn)行了數(shù)值研究,給出高堤頂窄堤寬和低堤頂寬堤寬兩種斷面尺寸的堤頂及后坡上越浪流的速度場(chǎng)和不同侵蝕指標(biāo)的侵蝕分析,并對(duì)兩種斷面進(jìn)行了比較分析。
　　某些海堤具有掩護(hù)堤后水域的作用,需要對(duì)發(fā)生越浪時(shí)海堤堤后方水域的泊穩(wěn)狀況進(jìn)行驗(yàn)算。本文將越浪在堤后的傳遞波看成是一種能量的傳遞,在基于能量守恒的波浪傳播數(shù)值模型中添加越浪系數(shù)。該模型可以綜合考慮繞射、反射、折射、越浪對(duì)堤后波況的影響,用以估算堤后水域的波高分布,驗(yàn)算海堤的掩護(hù)功效。將模