斜坡式海堤越浪的风险分析

摘要

我国是一个海洋大国，拥有18000公里的海岸线，为了保护腹地安全修建了数万公里的海堤工程。每年登陆的台风引发的风暴潮可能使海堤遭受不同程度的破坏，由此引发严重的人员伤亡与财产损失。极端大波越过海堤堤顶的水体，会对海堤造成严重的破坏。因此，合理确定海堤堤顶高程及对越浪的研究对于防灾减灾具有十分重要的意义。
　　 建造海堤的主要目的就是抵御台风大浪，保护堤后的财产及生命安全，一般要求其强度和稳定性达到设计要求，在大浪袭击时海堤不受到破坏。目前，我们国家并没有颁布专门的海堤设计标准，只有个别沿海省份有各自的地方标准。在这些地方标准中，海堤的堤顶高程是由设计高潮位、波浪爬高和安全超高三者之和组成，即按不允许越浪的标准。我国《海港水文规范》推荐设计高潮位的取值采用年频率统计法。在允许部分越浪的海堤设计时，既要使海堤的顶高程达到一定的标准和高度，使其达到防潮标准，又要适当降低堤顶高程允许部分越浪以达到节约投资的目的。因此，需要以越浪量为标准，将越浪量控制在最大允许越浪量之内，同时还要解决越浪水体对堤身护面结构、堤顶路面、后坡等方面的影响，以及堤后越浪水体能够及时排除以免影响圩内土地使用等方面的问题。
　　 本文以某典型斜坡式海堤工程所在地区的长期观测资料为基础，选用适当的波浪爬高及越浪量计算公式，运用变量相关时的广义随机空间验算点法来确定堤顶高程，为斜坡式海堤堤顶高程的确定提供一种新的思路。具体计算时，对于不同的随机变量，选择多种极值分布，如Pearson-Ⅲ型分布、Log-normal分布、Gumbel分布和Weibull分布，进行适线，同时考虑各随机变量之间的相关性，建立堤顶高程计算的极限状态方程，最后综合考虑波浪爬高与越浪量两个因素来估计堤顶高程重现值。
　　 本文主要研究工作包括以下内容：
　　 (1)综述国内外斜坡时海堤波浪爬高及越浪量的计算方法，如Owen公式、VDM法、《海港水文规范》方法、《堤防工程设计规范》方法等，本文采用《海港水文规范》方法计算波浪爬高，并应用光滑粒子流体动力学方法(SPH法)进行数值模拟验证，平均越浪量的计算采用Owen公式。
　　 (2)综述风险分析理论及可靠度计算方法，如一次二阶矩法、相关随机变量的可靠度分析方法、蒙特卡罗法，并采用MATLAB软件将相关变量的广义随机空间验算点法编写成计算程序。
　　 (3)对具体的海堤断面，分别采用地方标准方法和基于可靠性理论的变量相关时的广义随机空间验算点法确定堤顶高程，计算结果验证了本文方法的可行性和合理性。
　　 (4)结合平均越浪量重新估算海堤的失效概率，并对因越浪引起海堤的其他各种破坏形式以及破坏机理进行分析。