上海海事大学 海岸工程学 第3.1章海堤(水文动力要素)

海岸工程学2012年2月李俊花海堤（Seadyke）第三章海岸防护工程3.1海堤（Seadyke）定义：在河口、海岸地区，为了防止大潮的高潮和风暴潮的泛滥及其伴随风浪的侵袭造成土地淹没，在沿岸原有地面上修筑的一种专门用来挡水的建筑物。斜坡式海堤直立式海堤海堤规划和布置原则：1、统一规划、综合利用2、注意生态环境3、多方案比选4、堤轴线避免过多曲折5、海堤设计标准按实际用途和当地地质情况合理确定海堤设计需要解决的三个问题：一、水文动力要素的确定二、结构的确定三、地基的处理水文动力要素的确定:1、海堤设计标准2、设计潮位的确定3、设计波要素的确定专业基础：工程水文学一、海堤设计标准1、海堤设计标准：海堤不利情况下潮位和波浪的设计组合标准。2、设计标准确定依据：首先根据其保护对象的重要性和被保护的人口或土地面积,确定海堤的防潮标准，根据防潮标准将海堤划分为不同的等级,然后按不同等级计算决定一定累积频率和重现期下的潮位和波浪值.3、海堤设计标准的确定《海堤工程设计规范》（SL435-2008）Step1：确定海堤工程的防潮标准表4.2.3.1.1防护对象与海堤工程防潮（洪）标准Step2：海堤工程的级别Step3：根据海堤工程的级别计算设计高潮位1~3级海堤工程的设计潮位，按频率分析的方法统计计算；4级和5级海堤工程的设计潮位，可根据海堤所在位置，由临近潮位测站设计潮位结果内插确定；位于河口区的海堤工程，应将潮位频率分析计算结果与设计潮位水面线分析计算结果进行比较，选取较高值作为设计潮位值；我国规范规定设计重现期的高潮位值采用频率分析的方法确定。应具有不少于连续20年的年最高潮位资料，并应调查历史上出现的特高潮位值。注意：Step4：波浪的设计标准波浪的设计标准包括：1）设计波浪的重现期：指的是某一特定波列的波浪平均多少年出现一次，代表波浪要素的长期（几十年或上百年）统计分布规律。2）设计波高的波列累积率：指的是某一波要素在实际海面上不规则波列中的出现概率，它代表波要素短期（几十分钟）的统计分布规律。1）设计波浪的重现期；2）设计波列的累积频率。1）设计波浪的重现期设计波浪的重现期宜采用与设计高潮位相同的重现期。2）设计波列的累积频率对于直立式、斜坡式海堤护面的强度和稳定性计算，设计波高（）的波列累积率按下表采用：%FH《海港水文规范》的规定根据《海港水文规范》中规定：在进行直墙式、墩柱式、桩基式和一般的斜坡式建筑物的强度和稳定性计算时，设计波浪的重现期应采用50年。斜坡式护岸等非重要建筑物，破坏后不致造成重大损失者，其设计波浪的重现期可采用25年。对于特殊重要的建筑物，如海上灯塔等，当实测波高大于重现期为50年的同一波列累积频率的波高时，可适当提高标准，必要时可按实测波高计算。重现期标准：反映海堤的使用年限和重要性。累积频率标准：反映潮位或波浪对不同类型海堤或不同部位作用的不同性质。举例：不同部件，不同结构对波浪敏感性不一样，视设计构件取不同标准。重要海堤---潮位和波浪都采用比较长的重现期;直立式海堤---对波浪特别敏感斜坡式海堤---容易修复海堤设计标准其它考虑因素：A、考虑几年后海堤导致环境的改变。B、不同海堤的材料组成。土堤和石堤C、设计波浪作用于海堤上的延续时间不同，应对应不同的标准。举例:是否允许越浪,怎么考虑.二、设计潮位计算1、设计高潮位的推算设计高潮位由年最高潮位频率计算法确定概念：重现期（T）：大于或等于某一潮位的潮水在较长时期内重复出现的平均时间间隔，常以多少年一遇表达。如：潮位h50的重现期为50年。含义是指：在很长一段时间内出现大于或等于潮位h50潮水的平均时间间隔为50年。频率（P）：大于或等于某一潮位出现的频率。二者的关系：T=1/P安全率：假定海堤的设计使用年限为N年,则在使用年限内出现的潮位都小于hT的几率为：F=(1-P)N危险率：F为安全率。而在海堤使用年限内可能遭遇hT的危险率为：q=1-(1-P)N例：假定海堤的使用年限为50年，设计潮位h50的重现期为50年，那么海堤不遭遇潮位h50的安全率为多少？遭遇的危险率为多少？F=(1-P)N=(1-0.02)50=36.4%解：P=1/T=1/50=0.02q=1-(1-P)N=1-(1-0.02)50=63.6%资料要求：根据港口水文规范，最高潮位频率需要20年以上的连续年最高潮位资料。计算方法：A、极值I型分布（耿贝尔分布）B、PIII型分布(主要应用在受潮汐影响的河口地区)A、极值I型分布（耿贝尔分布）Step1：n年高潮位平均值niihnh11Step2：年高潮位均方差212)(1hhnSniiStep3：与不同年频率P对应的高潮位hp,ShhpStep4：实际测量的经验频率点%1001nmP2、资料中有特大值时设计高潮位的推算方法把n年的资料放大至N年的资料，计算其平均值、均方差以及与年频率P（%）对应的高潮位hpStep1：高潮位平均值111()nNiiNhhhNnStep2：年高潮位均方差222111()()nNiiNShhhNnStep3：与不同年频率P对应的高潮位hp,ShhpStep4：实际测量的经验频率点1100%1PN%1001nmP3、资料短缺情况下设计高潮位的推算方法：“极值同步差比法”求设计高潮位资料要求：当地5年潮位资料和邻近水域20年以上潮位资料.条件：邻近点与工程点之间应到满足潮汐性质相似、地理位置相近、受河流径流影响相似和受增减水影响条件相同。原理：假定两地相同重现期的设计高潮位与平均海平面的差值同两地的年最高潮位平均值与平均海平面的差值成正比。yyyxxxhARhARyyyxxxhARhARh表示设计高潮位，A表示多年平均海平面，R表示同期各年的年最高潮位平均值和平均海平面的差值，x为为已知点，y为未知点。yyyxxxRhAhAR三、设计波浪计算波浪的设计标准包括：（1）设计波浪的重现期（2）设计波列的累积频率对于不同的设计内容应采用不同的设计波浪标准。1、波列累积频率计算(反映十几分钟的波浪资料统计分析,包括波高\周期累计频率)计算步骤:(1)根据固定位置测波仪实测的波浪资料,按上跨零点法连续100~150个波的波高值.(2)将波高Hi从大到小排序,共有大小不同的波高m个,计算每一波高出现的次数ni,计算波浪系列的平均波高HmiiiHnNH11N为系列中所有波高总数(3)计算相对波高即模比系数KHHi(4)以适当的组距将系列分成若干组,计算每组上下限所对应的波高.HH(5)统计各统计各组波高的出现次数,这里统计的次数是每组内(6)将各组波高的出现次数除以总次数N，得到各组波高出现的区间频率infN(7)由于某一区间频率代表这区间中各种波高出现的总频率，假定区间内任何一个波高出现机会彼此相同，则代表着区间内各波高出现的频率。iHH绘制概率密度曲线：以相对波高和平均频率为坐标。(8)绘制波高累积频率曲线。先推求波列中大于等于某一波高的累积频率。然后以累积频率和相对波高为坐标，绘制并拟合得到累积频率分布图。*100%iinFNHH/iHfH深水区波高频率分布（Rayleigh分布)：2exp4iHFH1/21ln4FHFH即浅水区波高频率分布格鲁霍夫斯基分布：21exp4(12HdiHFHHd124(1)12lnHdFHHdFH即以此可以推算不同累积频率下的波高2、设计重现期的推算资料：20年以上的波浪实测资料，分方向。方法：PIII型分布计算步骤:（1）收集处理数据，需要20年以上的资料，一般用分方向的某一累积频率的波高年最大系列进行频率分析。确定不同重现期的设计波浪，每个方向将此方向左右共22.5度角度内的波浪作为统计波高。统计的波高样本以某一方向的年最大值，用显著波高计算.110H（2）根据实测数据从大到小排列波高，计算经验累积频率P%1001nmP(3)利用PIII曲线拟合:A、n年最大波高平均值11niiHHnB、n个波高Hi均方差211()1niiHHn相对于平均波高的均方差称为离差系数21(1)1niiVkCnHki为模比系数C、偏态系数313(1)(3)niisvkCnCD、PIII曲线的累积频率函数和分布函数：其中计算累积频率0()10()()()ixaixPxxxaedx102024(),,(1)xVssCxedxXCCppHkHE、绘制波高累积频率图