一种陡墙式海塘潮流反转的挑流面参数设计方法

摘要

本发明涉及一种陡墙式海塘潮流反转的挑流面参数设计方法，包括以下步骤：(1)海塘挑流面总体布局设计；(2)导流段设计；(3)圆弧段设计；(4)挑流段参数设计：包括挑流段长度Lt、挑流角θ及挑流段起始点位置的分析确定。挑流段参数可先应用简化公式分析初选，再应用SPH数值模拟确定。简化计算公式：

说明书

技术领域

本发明涉及一种陡墙式海塘潮流反转的挑流面参数设计方法，属于水利工程防灾减灾技术领域。

背景技术

潮流反转是陡墙式海塘间接消能防冲的一种方法。就作用机理而言，目前陡墙式海塘的消能防冲方法可分为直接式、间接式等两类方法。海塘直接式消能防冲方法主要是通过在塘前设置混凝土异形块或修筑潜堤等构件或构筑物、或框架式结构，以直接消减潮汐波浪能量，来控制或降低越浪高度，从而实现海塘消能防冲的效果；海塘间接式消能防冲方法主要是把海塘迎潮面设计成圆弧式结构，按照通过往、返潮汐波浪相位差180°的控制原则，以减少叠加组合后的波浪强度，从而实现海塘消能防冲的目的。但对于涌潮潮流而言，上述两种方法都无法经济、有效地实现潮流反转和涌潮高度营造的有机结合。

发明内容

针对现有技术的上述技术问题，本发明的目的是提供一种陡墙式海塘潮流反转的挑流面参数设计方法，既能有效实现潮流反转，又能有效营造与维护涌潮景观。海塘挑流面一般由圆弧段、挑流段组成。当水位较低时，下端可增设由“顺流段、斜坡段”相组合的导流段，以引导潮流与海塘迎水面的平顺衔接。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种陡墙式海塘潮流反转的挑流面参数设计方法，包括以下步骤：

(1)海塘挑流面总体布局设计；

(2)导流段设计；

(3)圆弧段设计；

(4)挑流段参数设计：包括挑流段挑流角θ、挑流段长度L_t及挑流段起始点位置的分析确定；

考虑风速、风向对海塘挑流影响存在一个最小挑流距离控制值L_f，则挑流距离满足L≧L_f，从而得出一个允许最大挑流角θmax；满足涌潮景观维护要求存在一个最小潮流挑高控制值H_f，则挑流高度满足H≧H_f，从而得出一个允许最小挑流角θmin；为此，挑流面设计挑流角在θmin≦θ≦θmax范围内选取；

潮流反转后涌潮挑流高度H、挑流距离L的简化计算公式为：

式中：

θ为潮流挑离反弧型结构时初始方向与水平线的夹角，单位为度；

H为潮流反转后上升，其最高点距离挑流段底端的高度，单位为m；

L为潮流反转后上升、再次落至挑流段底端高程时的水平距离，单位为m；

υ为垂直于反弧型海塘的潮流速度，单位为m/s；

L_f为考虑风速、风向对海塘越浪的影响，为最小挑距控制值；

H_f为基于涌潮景观维护的角度，为最小潮流挑高控制值；

K₁、K₂为涌潮挑流高度、挑流距离折减系数，初步计算时为0.95-0.99，

g为重力加速度值，取9.81m/s²；

L_t最小值可取1-1.5m，挑流段起始点位置在条件许可时尽可能低。

所述步骤(1)根据陡墙式海塘的高度、倾角、镇压层高程、和宽度信息以及塘脚滩涂面、坡度、潮流层水深和流速等特征参数，按照“涌潮潮流不越浪、定向定高挑流”的原则，考虑导流段、圆弧段及挑流段的设置方案，初步确定挑流段长度、挑流角及挑流段起始端点位置；在此基础上，进一步开展SPH数值模拟分析，确定挑流面参数。

所述步骤(2)中，对于初始水位低于或接近镇压层的海塘，“导流段”由“顺流段”与“斜坡段”组成，“顺流段”采用单一圆弧，圆弧半径为3-5m，“顺流段”分别与塘前镇压层平台、“斜坡段”相切；“斜坡段”根据“顺流段”与“圆弧段”平顺衔接的需要确定是否设置，如果设置的话，“斜坡段”的一端与“顺流段”相切，另一端与“圆弧段”相切。

所述步骤(3)中设置单一圆弧或多段内切圆弧组成，其首尾两端分别与“导流段”、“挑流段”相切，圆弧半径为海塘挡墙高度的1/4-1/2。

所述步骤(4)中挑流段由倾角为θ的斜线段组成，其下端与圆弧段顶端相切，通过简化公式初步计算，并结合SPH数值模拟分析，合理确定挑流段长度Lt、挑流角θ及挑流段起始点位置。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的陡墙式海塘潮流反转的挑流面参数设计方法，既可实现垂直于海塘的涌潮潮流的有效反转，可增强工程安全性和观潮安全性；同时通过设计特定的挑流角，可达到营造与维护涌潮景观的效果，是一种陡墙式海塘“圆弧段-挑流段”组合的挑流面参数设计方法，为有效解决陡墙式海塘观潮安全与涌潮景观维护的难题提供基础理论支撑和计算方法。

附图说明

图1为挑檐的角度和长度示意图；

图2为挑流距离和挑流高度示意图；

图3为对应潮流流速为6m/s时挑流角θ与挑流高度H、挑流距离L的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明中的挑流面一般由圆弧段、挑流段组成，当水位较低时其下端可增设“顺流段和/或斜坡段”相组合的导流段。本发明既能有效实现潮流反转，又能有效营造与维护涌潮景观的挑流面参数设计方法，包括以下步骤：

(1)海塘挑流面总体布局设计：主要是根据陡墙式海塘的高度、倾角和镇压层高程、宽度等基础信息，以及塘脚滩涂面、坡度及潮流层水深、流速等特征参数，按照“涌潮潮流不越浪、定向定高挑流”的原则，综合考虑导流段(顺流段、斜坡段)、圆弧段、挑流段的设置方案，同时应用本专利提供的简化计算公式，初步确定挑流段长度、挑流角及挑流段起始端点位置等特征参数方案。接着，进一步开展SPH数值模拟分析以优选挑流面参数。

(2)导流段设计：对于初始水位低于或接近镇压层的海塘，“导流段”主要使潮流冲向海塘面时起到平顺相接的作用，可由“顺流段”与“斜坡段”组成。“顺流段”可采用单一圆弧，圆弧半径可取3-5m，分别与塘前镇压层平台、“斜坡段”相切；“斜坡段”依“顺流段”与“圆弧段”平顺衔接的需要确定是否设置，其一端与“顺流段”相切，另一端与“圆弧段”相切。

(3)圆弧段设计：圆弧段主要起潮流平顺反转的作用。可由单一圆弧或多段内切圆弧组成，其首尾两端分别与“导流段”、“挑流段”相切，圆弧半径可取海塘挡墙高度的1/4—1/2。

(4)挑流段参数设计：挑流段主要起约束潮流反转后的流向，达到潮流定向、定高挑流的作用。挑流段参数设计包括挑流段长度Lt、挑流角θ及挑流段起始点位置的分析确定，如图1。

当涌潮潮流遇陡墙式海塘“圆弧段-挑流段”组合结构面时，通过圆弧段、挑流段的共同引导下会形成明显的挑流现象，具有较大动能的冲击水舌以一定的挑流距离L、挑流高度H被成功返回水侧，如图2。

本发明提出“涌潮潮流不越浪”、“定向定高挑流”的设计原则，并定义：L_f为考虑风速、风向对海塘挑流影响的一个最小挑流距离控制值，则挑流距离应满足L≧L_f，从而得出一个允许最大挑流角θmax；H_f为基于涌潮景观维护要求的一个最小潮流挑高控制值，则挑流高度应满足H≧H_f，从而得出一个允许最小挑流角θmin。因此，挑流面设计挑流角应在θmin≦θ≦θmax范围内选取。

为了进一步分析挑流段长度L_t对挑流距离、高度的影响，本发明应用SPH数值模拟方法进行分析，从分析结果可见，在同一潮流流速和起始水位的基本工况条件下，挑流角θ对挑流距离L、挑流高度H起主要的控制作用(如图3)，而挑流段长度L_t对挑流距离L、挑流高度H影响不大。基于安全起见，L_t最小值取1-1.5m。

在计算条件中，挑流段起始点(即圆弧段与挑流段的切点)位于平台高程处，从圆弧面海塘设置挑流段、未设置挑流段的分析比较中可得出，适当降低挑流段起始点高程，有利于潮流反转与挑流效果的实现；对顶端高程相同的挑流段，也有利于减少潮流涌高后的越浪水量。

潮流反转后涌潮挑流高度H、挑流距离L简化计算公式为：

式中：

θ—潮流挑离反弧型结构时初始方向与水平线的夹角(度)；

H—潮流反转后上升，其最高点距离挑流段底端的高度(m)；

L—潮流反转后上升、再次落至挑流段底端高程时的水平距离(m)；

υ—垂直于反弧型海塘的潮流速度(m/s)；

L_f—考虑风速、风向对海塘越浪的影响，工程中提出的一个最小挑距控制值。一般可取20m，具体结合风速、风向与海塘实际综合确定。

H_f—基于涌潮景观维护的角度，工程中提出的一个最小潮流挑高控制值。一般H_f可取该位置原海塘发生涌潮高度的80％。

K₁、K₂—涌潮挑流高度、挑流距离折减系数，初步计算时可取0.95-0.99。具体应结合反弧型结构的光滑度、整体刚度及现场风速、风向，通过数值分析论证确定。

g—重力加速度值，可取9.81m/s²

本发明可实现垂直于海塘的涌潮潮流的有效反转，可增强工程安全性和观潮安全性；同时通过设计特定的反转挑流角，可达到营造与维护涌潮景观的效果。

上述实施案例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。