允许越浪海堤的环境设计参数确定及越浪流与堤后波况计算

摘要

风暴潮是影响我国沿海地区的重要灾害种类之一,由于我国经济较发达的城市基本集中于沿海地区,因此,防范风暴潮灾害成为重要的研究课题。海堤是我国沿海地区防范风暴潮的主要海岸建筑物,是沿海地区防御风暴潮体系中最直接、最有效的工程措施。风暴潮作用下海堤的环境条件设计标准确定需要考虑多种因素的综合作用,包括环境条件的不确定性、工程投资、海堤失效的风险等,其中,多种环境条件的联合设计标准引起了国内外研究者的广泛关注。在确定海堤堤顶高程时,传统的做法是按照不允许越浪标准进行设计,然而海洋环境条件的不确定性和工程投资等因素使得越浪不可完全避免,因此需要按照允许越浪标准设计海堤。在设计允许越浪海堤时,需要校核越浪流对堤顶及后坡的稳定性影响及冲刷作用,而不同的越浪流其作用方式不同,仅通过平均越浪量难以确定,因此需要对最大单波越浪量及越浪流速度场等参数进行详细研究才能给出堤顶及后坡的设计参数。
　　本文对受台风暴潮影响海区允许越浪情况下斜坡式海堤的环境条件设计标准进行了研究,并应用数值模型对越浪引起的越浪流及堤后波况进行了定量研究,以期为允许越浪的海堤堤顶高程和后坡防护提供设计参数。本文的主要工作如下:
　　针对工程区域实际海洋观测资料有限的现状,采用台风暴潮过程后报模型获得工程需要的同步发生的,分别以风为主、以浪为主、以水位为主的长期多维极值统计序列,并利用邻近海区的观测站资料对模型的后报结果进行了验证。后报模型主要采用RAMS、POM、SWAN三种模式,其中,考虑到SWAN在绕射计算方面可能存在不稳定,在波浪场的近岸推算中采用了一个简化的不考虑风场的考虑绕射的浅水波浪传播模型。
　　由于最大熵分布有4个待定参数,可以更加细致地拟合数据和更广泛地适用于各种情况下的非线性海浪,且对数据拟合时不带先验性,因此采用最大熵分布对海洋环境要素进行边缘分布拟合。现有的多维分布模型的边缘分布多是相同的,而统计序列进行抽样时,与主要因素序列伴随发生的其他两个次要因素序列一般都不符合极值分布,采用相同边缘分布的模型与客观情况不符。本文建立的以最大熵分布为边缘分布的三维嵌套逻辑分布模型,在边缘分布拟合上更加灵活,能够更好地反映各个要素的不确定性。
　　多维联合分布模型对应于某一联合重现期的解有无数组,求解时需要使用一定的约束条件。本文以越浪量为约束条件,采用四种计算方法推求允许越浪海堤的海洋环境要素重现值设计标准和堤顶高程,并比较了三种主因素序列对堤顶高程设计的影响。同时,考虑到某些海堤的危险状况是由峰值越浪体积引起的,对海堤的最大单波越浪量进行了验算,并尝试了以最大单波越浪量为约束条件确定海堤的重现值设计标准和堤项高程。
　　对于允许越浪的海堤,需要堤顶和后坡防护设计的水文参数。因此,建立了用于越浪流模拟的二维数值波浪水槽。该数值水槽采用CIP方法求解对流方程和THINC方法追踪自由面,可以处理自由面的大变形和多重自由面的问题。采用前人的实验结果对数值波浪水槽进行了验证,包括溃坝实验、规则波和孤立波在潜堤上的传播变形实验以及越浪流在堤顶的厚度和堤后次生波的变化。应用建立的数值波浪水槽对堤顶和后坡上的越浪流进行了数值研究,给出高堤顶窄堤宽和低堤顶宽堤宽两种断面尺寸的堤顶及后坡上越浪流的速度场和不同侵蚀指标的侵蚀分析,并对两种断面进行了比较分析。
　　某些海堤具有掩护堤后水域的作用,需要对发生越浪时海堤堤后方水域的泊稳状况进行验算。本文将越浪在堤后的传递波看成是一种能量的传递,在基于能量守恒的波浪传播数值模型中添加越浪系数。该模型可以综合考虑绕射、反射、折射、越浪对堤后波况的影响,用以估算堤后水域的波高分布,验算海堤的掩护功效。将模型应用于青岛爱华游艇码头的平面布置方案的比选中,计算了不同环境条件设计标准下的港内波高,并采用两个参数评估港内的波况,为决策者提供参考。