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        臺風過程下復式海堤越浪量計算方法研究

        2019-12-03 02:39:06陳韜霄鄭國誕胡金春董偉良
        浙江水利科技 2019年6期

        陳韜霄,鄭國誕,邵 杰,胡金春,陳 剛,董偉良

        (1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重點實驗室,浙江 杭州 310020)

        1 問題的提出

        臺風作用時,隨著堤前水位抬高和風浪的增大,波浪作用于海堤迎潮面,或沿坡面上爬,或發(fā)生破碎擊打坡面,波浪沿著海堤迎潮面上爬超過堤頂則會出現(xiàn)明顯的越浪現(xiàn)象,水體飛濺于堤頂和內(nèi)坡面。越浪量的大小與堤前波浪要素、堤頂出水高度、海堤的幾何外形、護面的糙滲特性等有關(guān)。若臺風登陸時遭遇天文高潮,海堤越浪量將迅速增大,對海堤安全造成威脅,因此研究計算臺風過程下復式海堤越浪量的方法,結(jié)合臺風浪與風暴潮實時預報情況,為臺汛期間的高效避災提供科學依據(jù)。

        目前最常見的海堤結(jié)構(gòu)形式為斜坡式海堤、直立式海堤以及混合式海堤,遭受臺風較嚴重的浙江省溫臺地區(qū)新建的堤防均以復式斜坡式海堤(簡稱“復式海堤”)為主。從20世紀初開始,國內(nèi)外學者對海堤越浪量問題進行了大量的研究工作。Owen(1980 — 1991年)對單坡及復坡海堤越浪量進行了系統(tǒng)研究[2-4];周家寶(1990年)等進行了試驗研究,提出的海堤平均越浪量的計算公式被JTJ 213 —1998《海港水文規(guī)范》所采用[5-7];陳國平(2010年)開展不規(guī)則波作用下的海堤越浪量試驗研究,分析越浪量的各影響因素,并提出不規(guī)則波越浪量的計算公式[8]。邵杰(2018年)在試驗的基礎(chǔ)上,引入海堤越浪量折減系數(shù)的概念,擬合帶擋浪墻的復式海堤越浪量計算公式[9]。以下為國內(nèi)目前常用的一些越浪量計算公式:

        (1)《港口與航道水文規(guī)范》[7]中給出斜坡堤有無防浪墻的越浪量計算公式:

        堤防有防浪墻時:

        式中:Q為單位時間單位堤寬的越浪量(m3/(m · s));Hc胸墻墻頂在靜水面以上的高度(m);H1/3為有效波波高(m);b1為胸墻前肩寬(m);B為經(jīng)驗系數(shù);KA為護面結(jié)構(gòu)影響系數(shù);TP為譜峰周期;m為斜坡坡度系數(shù)。

        (2)陳國平(2010年)[8]開展不規(guī)則波作用下的海堤越浪量試驗研究,分析越浪量的各影響因素,并通過置信度95%擬合提出不規(guī)則波越浪量的計算公式:

        式中:Q為平均越浪量(m3/(m · s));RS為累積率13%的波浪爬高(m);HC為防浪墻頂超高(m),當無防浪墻時,HC=RC;P為防浪墻高度(m),對于堤頂未設置防浪墻斜坡斷面,P= 0。

        (3)邵杰(2018年)[9]首先開展單斜坡堤越浪量試驗,擬合出單斜坡海堤越浪量計算公式,在此基礎(chǔ)上引入海堤越浪量折減系數(shù)的概念,最終得到帶擋浪墻的復式海堤越浪量計算公式:

        式中:q為平均越浪量(m3/(m · s));dh為平臺上水深(m);Hs為有效波高(m);B為平臺寬度(m);m為海堤坡度;HC為防浪墻堤超高(m)。

        工程越浪量計算應用以上國內(nèi)較常見的越浪量計算方法中,式(2)與式(3)可以通過波浪爬高計算復式斜坡堤的越浪量,其它多為針對單一斜坡式,且在臺風過程中海堤較大越浪量計算的適用性還未可知。很多重要工程考慮到經(jīng)驗公式計算的缺陷,需進行物理模型試驗得到越浪量。本文擬通過臺風浪過程中海堤越浪量的模型試驗成果,探討現(xiàn)有復式海堤越浪量計算公式的適用情況,在試驗成果的基礎(chǔ)上,得到一種計算臺風過程中復式海堤越浪量的方法。

        2 斷面模型試驗

        2.1 試驗斷面

        選取復式海堤開展越浪量試驗。復式海堤在上海、浙江、福建等省市得到廣泛應用,具有良好的代表性,概化斷面見圖1。迎水面為1:3的復式斜坡,高潮位附近設消浪平臺,堤頂設1.00 m高擋浪墻,內(nèi)坡坡度1:2,防浪墻頂高程參考浙江平陽沿海,設為8.40 m。

        圖1 試驗概化斷面圖

        2.2 水文條件

        設計臺風路徑取浙閩交界處登陸的0608#“桑美”臺風實際路徑,登陸氣壓915 hPa,利用風暴潮和臺風浪數(shù)模計算得到堤前潮位、波浪過程。試驗采用梯級逼近近似潮位與波浪過程,試驗組次見表1。不規(guī)則波模擬采用常用的JONSWAP波譜作為目標譜。

        表1 試驗水文條件表

        2.3 海堤越浪量測定

        根據(jù)風暴潮位過程 — 波浪組合對海堤斷面開展臺風浪越浪量試驗,并在較高潮位時進行適當加密,越浪量數(shù)值均為假設斷面防浪墻和堤頂不發(fā)生破壞時的測量值,對每個工況組合試驗均重復測量3次,以減小偶然因素的影響,測得海堤越浪量結(jié)果見圖2 ~ 3。

        從圖2 ~ 3中可以看出,與潮浪過程相對應,越浪量也經(jīng)歷了從小到大的過程,低潮、中潮位時刻,海堤斷面幾乎沒有越浪現(xiàn)象,隨著潮位的增加(潮位達4.55 m時),海堤斷面開始出現(xiàn)明顯越浪量,此后時刻的海堤斷面越浪量迅速增加,最高潮位前1.0 h(假定時刻16:20),海堤斷面越浪量為0.138 m3/(m · s),最高潮位前0.5 h,斷面越浪量達到0.837 m3/(m · s),此時對應潮位為7.39 m,尚低于擋浪墻頂高程約1.00 m。此外最高潮位前1.0 h,每隔5 min,后一時刻的越浪量即可達到前一時刻的1.2 ~ 2.0倍。試驗表明,臺風浪過程下隨著潮位的增加,海堤越浪量將迅速增大,威脅海堤安全。

        圖2 越浪量試驗結(jié)果圖

        圖3 越浪量、潮位、波高相互關(guān)系圖

        3 越浪量公式

        3.1 公式計算值與試驗值比較

        通過現(xiàn)行常用越浪量公式計算值與試驗值進行比較(見圖4),可見前文2種越浪量計算方法對于小越浪量適用情況都較好,但是對于大越浪量的計算適用性并不理想。

        在越浪量為0.050 ~ 0.200 m3/(m · s),式(3)計算值平均差為20.1%,式(2)計算值平均差為47.1%,計算精度相對較高;隨著水位抬高,海堤越浪量逐漸增大,越浪量在0.200 ~ 0.830 m3/(m · s)范圍內(nèi),式(2)計算值平均差為48.9%,式(3)計算值平均差為56.5%,計算結(jié)果與試驗值相差均較大。由此可見,當海堤越浪量超過0.200 m3/(m · s)時,式(2)與式(3)的適用性均相對較差。

        圖4 海堤潰堤越浪量試驗值與經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比圖

        3.2 越浪量公式推求

        考慮到各越浪量公式的計算結(jié)果,在不同越浪量區(qū)間的表現(xiàn)形式不一樣,式(3)在小越浪量的計算中表現(xiàn)誤差較小,但在大越浪量的計算中適用性相對較差。本次研究在式(3)基礎(chǔ)上,擬合得到一種計算臺風過程中復式海堤越浪量的公式。

        平臺上相對水深dh / Hs往往與越浪量或波浪爬高的折減系數(shù)較為密切,將式(3)中Q試驗/ Q公式與相對水深dh / Hs之間做相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)R2可達0.98,越浪量試驗值與計算值之比與相對水深的變化存在著非常好的相關(guān)性(見圖5)。

        圖5 越浪量公式計算與試驗值之比與相對水深關(guān)系圖

        因此,以試驗數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ),通過相對水深這一因子對計算越浪量公式進行推求,擬合系數(shù)KT,使其計算結(jié)果更加接近試驗值,擬合公式結(jié)果如下:

        將擬合后的公式越浪量計算值與試驗值進行對比,對比結(jié)果見圖5 ~ 6。經(jīng)擬合后的越浪量公式計算值與試驗值明顯較之前接近,越浪量在0.015 ~ 0.837 m3/(m · s)區(qū)間內(nèi)公式計算值與實驗值的總體平均誤差絕對值為5.7%,其中當實測越浪量處于0.003 ~ 0.036 m3/(m · s)區(qū)間內(nèi),平均誤差約為22.6%;當實測越浪量處于0.052 ~ 0.209 m3/(m · s)區(qū)間時,平均誤差約為3.7%;在越浪量高于0.209 m3/(m · s)時,平均誤差約為5.2%。

        圖5 擬合公式計算值與試驗值比較圖

        圖6 擬合公式與試驗值誤差隨越浪量實測值變化圖

        在小越浪量的情況下,擬合公式計算值仍存在22.6%的誤差,隨著越浪量的增加,擬合公式計算值誤差減小,海堤大越浪量的情況下,誤差基本在5.7%左右。因此,該公式可用于極端天氣條件下越浪量的估算,具有一定的工程實用價值,為臺風過程中復式海堤越浪量的評估具有重要意義。

        4 結(jié) 論

        (1)試驗表明,臺風浪模擬過程中,越浪量經(jīng)歷了從小到大的過程,隨著潮位的增加,海堤斷面開始出現(xiàn)明顯越浪量,最高潮位前1 h,每隔5 min,后一時刻的越浪量即可達到前一時刻的1.2 ~ 2.0倍。

        (2)將現(xiàn)行常用越浪量公式計算結(jié)果與試驗成果進行對比,對于小越浪量情況適用情況都很好,但是對于大越浪量的適用性相對較差。

        (3)擬合公式計算結(jié)果與試驗成果進行對比,隨著越浪量的增加,公式計算值誤差減小,海堤大越浪量的情況下,誤差基本在5.7%左右,可用于極端天氣條件下的越浪量估算,對臺風過程中復式海堤越浪量的評估具有重要意義。

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