一种可用于实际工程海堤设计方法与流程

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种可用于实际工程海堤设计方法。

背景技术：

现有海堤工程设计需依据海堤设计规范要求的内容进行开展，目前尚未提出一种统一的海堤设计方案或流程，这对于从事该领域海堤设计人员开展相关工作时带来极大的不便。此外，海堤设计规范规定往往综述性较强，规范规定的部分内容与实际工程设计时有一定的偏差，这对从业人员带来极大的挑战，为此，提出一种海堤设计的方法，为海堤设计提供思路，并针对实际工程中可能出现的问题提出解决的方法或思路。

技术实现要素：

(1)技术方案

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可用于实际工程海堤设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、根据工程具体情况，分析工程需求分析，并收集气象、水文、社会经济、工程地形及工程地质相关基础资料；

2)、依据海堤的防护对象的类别及其规模确定海堤工程的防潮或防洪标准；

3)、根据气象、水文、设计标准资料，确定设计环境要素，同时依据工程地形、地质、征地情况、工程区域堤身材料确定海堤堤线布置方案并选择斜坡式或直立式堤型；

4)、依据环境要素、材料、施工、地质、设计规范及业主要求，设计海堤断面；开展针对所设计海堤，结合环境要素，开展海堤断面物理模型试验研究，研究海堤堤型的稳定性、强度、越浪情况，对于重要工程宜开展三维模型试验研究，并依据试验情况对设计断面进行优化；

所述波浪要素利用临近海域海洋水文资料和潮位资料为依据，运用动谱平衡方程，计算工程位置波浪条件，在流场中动谱密度守恒，其计算公式如下：

式中，n为动谱密度，其为能谱密度e(σ,θ)与相对频率σ的比值；左侧第1项为n随时间的变化率；第2项和第3项表示n在地里坐标空间x、y方向上的传播；第4项为由于流场和水深所引起的n在相对频率σ空间的变化；第5项为n在谱分布方向θ空间(谱方向分布范围)的传播；s为以谱密度表示的源汇项，包括风能输入、波与波之间非线性相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎能量损耗；cx、cy、cσ和cθ分别代表在x、y、σ和θ空间的波浪传播速度；

并且在海堤实际工程设计工作中，开展波浪要素计算的具体步骤如下：

首先，依据工程地理位置、地形、工程附近水文资料建立数学模型，数学模型建立的范围应当包括有实测海洋水文统计资料的海洋监测站及有实测潮位资料的潮位站，以便运用实测资料对模型进行验证，以保证数学模型计算结果的可信度；

然后，运用实测潮位资料对数学模型进行糙率参数率定与验证，运用海洋站实测波浪要素统计资料对数学模型的模拟参数及波浪边界条件进行率定，保证模型设置参数合理；

最后利用率定与验证后的数学模型，开展数学波浪模型计算，计算工程位置波浪要素。

进一步地，在步骤3）中，所述环境要素包括设计潮位、设计风速、设计波浪要素。

进一步地，所述数学模型的模拟参数包括白帽耗散、波浪绕射、波浪破碎参数。

进一步地，步骤4）之后需邀请该领域专家对工程及海堤设计进行会审，并依据评审结果对设计进行修正、补充。

（2）有益效果

本发明的有益效果：本发明弥补了海堤设计思路的空白，与海堤设计规范相比，该方法设计思路清晰，更贴近实际工程需求，便于相关专业人员理解和运用。结合现有计算机数值模拟技术手段，针对工程中遇到的实际问题提出解决思路。虽然本专利所使用波浪计算的动谱平衡方程与现有方法相同，但具体做法有较大区别，主要体现在：本方法提出了利用工程临近海域海洋观测站及潮位站的实测资料，作为数学模型率定验证的依据，使得运用率定和验证后的数学模型计算结果更为可靠，以此计算结果来进行海堤结构设计安全性和经济性能能够得到更好的保障。

附图说明

图1为堤设计思路框图；

图2为波浪数学模型计算范围图；

图3为数学模型模拟图；

图4为工程位置波浪计算结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

本实施例以外文武海堤工程为例，提供一种可用于实际工程海堤设计方法，海堤设计思路见图1，包括以下步骤：

1)、根据工程具体情况，分析工程需求分析，并收集气象、水文、社会经济、工程地形及工程地质相关基础资料；

2)、依据海堤的防护对象的类别及其规模确定海堤工程的防潮或防洪标准；

3)、根据气象、水文、设计标准资料，确定设计环境要素，同时依据工程地形、地质、征地情况、工程区域堤身材料确定海堤堤线布置方案并选择斜坡式或直立式堤型；

4)、依据环境要素、材料、施工、地质、设计规范及业主要求，设计海堤断面；开展针对所设计海堤，结合环境要素，开展海堤断面物理模型试验研究，研究海堤堤型的稳定性、强度、越浪情况，对于重要工程宜开展三维模型试验研究，并依据试验情况对设计断面进行优化；

5)、最后应邀请该领域专家对工程及海堤设计进行会审，并依据评审结果对设计进行修正、补充；

所述波浪要素利用临近海域海洋水文资料和潮位资料为依据，运用动谱平衡方程，计算工程位置波浪条件，在流场中动谱密度守恒，其计算公式如下：

式中，n为动谱密度，其为能谱密度e(σ,θ)与相对频率σ的比值；左侧第1项为n随时间的变化率；第2项和第3项表示n在地里坐标空间x、y方向上的传播；第4项为由于流场和水深所引起的n在相对频率σ空间的变化；第5项为n在谱分布方向θ空间(谱方向分布范围)的传播；s为以谱密度表示的源汇项，包括风能输入、波与波之间非线性相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎能量损耗；cx、cy、cσ和cθ分别代表在x、y、σ和θ空间的波浪传播速度；

并且在海堤实际工程设计工作中，开展波浪要素计算的具体步骤：首先，依据工程地理位置、地形、工程附近水文资料建立数学模型，数学模型建立的范围应当包括有实测海洋水文统计资料的海洋监测站及有实测潮位资料的潮位站，以便运用实测资料对模型进行验证，以保证数学模型计算结果的可信度；然后，运用实测潮位资料对数学模型进行糙率参数率定与验证，运用海洋站实测波浪要素统计资料对数学模型的模拟参数及波浪边界条件进行率定，保证模型设置参数合理；最后利用率定与验证后的数学模型，开展数学波浪模型计算，计算工程位置波浪要素。

具体地，本实施例结合工程《长乐外文武路堤结合工程》案例详述本思路计算波浪要素过程：1、考虑工程地理位置、地形、工程附近水文资料因素建立数学模型，建立数学模型。模型范围包括北礵海洋站、平潭海洋站两个海洋观测站点以及梅花、三沙、平潭三个潮位站。2、利用梅花、三沙、平潭三个潮位站点的实测潮位过程对模型的糙率参数进行率定与验证，利用北礵和平潭海洋站的实测统计波浪资料对数学模型边界条件、模型参数（白帽耗散、波浪绕射、波浪破碎参数）进行率定，从而保证数学模型参数设置合理。3、在数学模型边界处输入率定后的波浪边界条件，计算相关设计工况下海堤工程附近的波浪要素，并以此波浪要素作为设计波浪要素进行海堤结构设计。

此外，当水文资料站点所在海域距离工程区域较大，计算机计算能力不足时，可以建立包含工程区域及水位资料站点所在海域的大范围数学模型，并对模型进行率定，并计算设计工程下的波浪要素。然后，建立工程位置附近海域的波浪数学模型，通过模拟计算该模型得到工程位置的波浪要素，其中该模型边界位置处的水位、波浪要素可从大范围数学模型计算结果中获取。

外文武海堤工程波浪数值计算包括：（1）波浪数学模型计算范围及数学模型，见图2~3。（2）、模型验证。工程位置波浪计算结果见图4。

其中模型验证中潮位验证如下表：

其中模型验证中波高验证如下表：

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。