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

1、風(fēng)暴潮是影響我國沿海地區(qū)的重要災(zāi)害種類之一,由于我國經(jīng)濟較發(fā)達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)險等,其中,多種環(huán)境條件的聯(lián)合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。在確定海堤堤頂高程時,傳統(tǒng)的做法是

2、按照不允許越浪標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計,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)計海堤。在設(shè)計允許越浪海堤時,需要校核越浪流對堤頂及后坡的穩(wěn)定性影響及沖刷作用,而不同的越浪流其作用方式不同,僅通過平均越浪量難以確定,因此需要對最大單波越浪量及越浪流速度場等參數(shù)進行詳細研究才能給出堤頂及后坡的設(shè)計參數(shù)。
　　本文對受臺風(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)計標(biāo)準(zhǔn)進行了研究,并應(yīng)用數(shù)值

3、模型對越浪引起的越浪流及堤后波況進行了定量研究,以期為允許越浪的海堤堤頂高程和后坡防護提供設(shè)計參數(shù)。本文的主要工作如下:
　　針對工程區(qū)域?qū)嶋H海洋觀測資料有限的現(xiàn)狀,采用臺風(fēng)暴潮過程后報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、以水位為主的長期多維極值統(tǒng)計序列,并利用鄰近海區(qū)的觀測站資料對模型的后報結(jié)果進行了驗證。后報模型主要采用RAMS、POM、SWAN三種模式,其中,考慮到SWAN在繞射計算方面可能存在不穩(wěn)定,在波

4、浪場的近岸推算中采用了一個簡化的不考慮風(fēng)場的考慮繞射的淺水波浪傳播模型。
　　由于最大熵分布有4個待定參數(shù),可以更加細致地擬合數(shù)據(jù)和更廣泛地適用于各種情況下的非線性海浪,且對數(shù)據(jù)擬合時不帶先驗性,因此采用最大熵分布對海洋環(huán)境要素進行邊緣分布擬合。現(xiàn)有的多維分布模型的邊緣分布多是相同的,而統(tǒng)計序列進行抽樣時,與主要因素序列伴隨發(fā)生的其他兩個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要素的不確定性。
　　多維聯(lián)合分布模型對應(yīng)于某一聯(lián)合重現(xiàn)期的解有無數(shù)組,求解時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)計標(biāo)準(zhǔn)和堤頂高程,并比較了三種主因素序列對堤頂高程設(shè)計的影響。同時,考慮到某些海堤的危險狀況是由峰值越浪體積引起的,對海堤的最大單波越浪量進行了驗算,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)計標(biāo)準(zhǔn)和堤項高程。
　　對于允許越浪的海堤,需要堤頂和后坡防護設(shè)計的水文參數(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題。采用前人的實驗結(jié)果對數(shù)值波浪水槽進行了驗證,包括潰壩實驗、規(guī)則波和孤立波在潛堤上的傳播變形實驗以及越浪流在堤頂?shù)暮穸群偷毯蟠紊ǖ淖兓?。?yīng)用建立的數(shù)值波浪水槽對堤頂和后坡上的越浪

7、流進行了數(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和不同侵蝕指標(biāo)的侵蝕分析,并對兩種斷面進行了比較分析。
　　某些海堤具有掩護堤后水域的作用,需要對發(fā)生越浪時海堤堤后方水域的泊穩(wěn)狀況進行驗算。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、越浪對堤后波況的影響,用以估算堤后水域的波高分布,驗算海堤的掩護功效。將模