浙江沿海超强台风引发的潮浪及其对海堤作用

论文摘要

根据对前人研究工作的总结和本课题研究的需要,对纯风暴潮预报、“耦合”风暴潮的计算、台风浪对风暴潮的影响、波浪传播各种模式及台风浪计算、海堤上波浪的爬高和越浪量及护面块体稳定进行了系统的文献综述。本项研究旨在分析浙江省沿海超强台风引发的风暴潮位和相应的台风浪以及海堤防浪特征,从而为今后超强台风的防灾减灾决策提供一些依据。本文基于河口海岸水动力计算软件MIKE21和全球海洋天文潮预报模式TPXO6,结合台风参数气压场和风场模型,构建适用于浙江沿海的高分辨率天文潮与风暴潮耦合计算数值模式,以历史上登陆我国最强的台风作为典型的超强台风,研究其在天文潮大潮期间沿不同路径登陆浙江沿海时产生的耦合风暴增水及风暴高潮位。结果表明,超强台风在年最高天文潮高潮位登陆所产生的风暴高潮位可超过历史最高潮位1～3m,而在低潮位登陆时的风暴高潮位则基本低于历史高潮位,继而讨论了潮型和中心气变化对风暴高潮位的影响。分析了超强台风引起的增水类型以及不同路径条件下的增水分布,比较了超强台风增水与历史增水的差值,以及超强台风在高、低潮位登陆时的增水差异。采用已建立的数值模式,计算分析了超强台风作用下的风暴潮流过程,分析风场对天文潮潮流的作用,耦合风暴海流的类型与强度以及其与纯风暴海流的差异,提出超强台风遭遇年最大潮汐条件下浙江省沿岸的风暴潮流的强度,其值一般小于天文潮潮流与基于海平面风暴海流的线性叠加值,浙东南风暴潮流场更多地呈现风暴海流流场特征的现象。在风暴潮与天文潮耦合模型的基础上,采用近岸波浪传播模型(SWAN)建立适用于浙江沿海的台风浪计算模型。计算了超强台风在浙北至浙南5个不同地点登陆遭遇天文大潮高潮位时产生的台风浪过程,分析浙江沿海台风浪的分布和过程特征,与风暴潮位的过程比较显示沿海开敞海区过程大浪出现在风暴高潮位,而杭州湾内两者存在位相差异,风暴高潮位重现期远大于台风浪波高重现期。分析浙江沿海原土石结合塘的损毁特点,指出不合理的堤顶高程和较弱护面结构是其主要原因。水槽模型试验表明当堤顶铺设混凝土路面,背坡面采用干砌石防护,背坡保持稳定的允许最大越浪量为0.05 m~3/m.s。按允许最大越浪量的设计方法可有效降低堤顶高程,这一方法已编入有关规定,并经多次强台风的检验。比较了以“5612”号超强台风作为典型的超强台风在浙江沿海登陆遭遇天文潮高潮位所形成的风暴高潮位和相应台风浪与设计高潮位及设计波要素的差异,分析了海堤在超标准潮浪作用下的失稳状态。选择杭州湾北岸斜坡堤与直立堤作为典型海堤,通过试验研究揭示在超强台风风暴潮位与台风浪的作用下,海堤损坏首先出现在背水坡,继面扩展到整个断面,现有海堤并不能起到有效的挡潮作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 风暴潮
• 1.2.2 台风浪
• 1.2.3 波浪对海堤的作用
• 1.3 本文的主要工作
• 2 超强台风引发的风暴高潮位及增水分析
• 2.1 天文潮与风暴潮的藕合模型
• 2.1.1 气象条件
• 2.1.2 控制方程与差分形式
• 2.1.3 计算网格与水域边界条件
• 2.2 风场和天文潮及风暴潮的耦合模型验证
• 2.2.1 风场验证
• 2.2.2 天文潮验证
• 2.2.3 增水分析与验证
• 2.2.4 风暴高潮位
• 2.3 超强台风增水与风暴高潮位
• 2.3.1 设计方案
• 2.3.2 典型年最大天文潮特征
• 2.3.3 超强台风风场
• 2.3.4 增水分析
• 2.3.5 风暴高潮位
• 2.4 工程应用实例
• 2.4.1 可能最大台风引起的厂址增水
• 2.4.2 厂址可能最大增水敏感性试验
• 2.5 小结
• 3 超强台风引发的风暴潮流
• 3.1 天文潮流场分析
• 3.2 超强台风作用下的流场
• 3.2.1 基于平均海平面的风暴海流
• 3.2.2 天文潮与风暴潮耦合条件下的风暴潮流场
• 3.2.3 耦合风暴海流流速
• 3.2.4 超强台风作用下近岸风暴潮流
• 3.3 小结
• 4 超强台风作用下的近岸台风浪
• 4.1 台风浪传播模型
• 4.1.1 基本控制方程
• 4.1.2 物理过程的处理
• 4.1.3 模型差分格式
• 4.2 天文潮-风暴潮-海浪模型的适应性
• 4.3 超强台风作用下沿海台风浪场
• 4.4 风暴潮位及台风浪的比较
• 4.4.1 风暴潮位及台风浪过程的比较
• 4.4.2 各站高潮位与波浪的重现期比较
• 4.5 小结
• 5 超强台风作用下的海堤稳定性
• 5.1 浙江原海堤损毁分析
• 5.1.1 土石堤的堤顶高程和结构形式
• 5.1.2 土石结合堤台风期损毁方式
• 5.2 浙江沿海海堤的防浪特性
• 5.2.1 允许越浪的海堤堤顶高程分析
• 5.2.2 护面的防浪特点
• 5.3 海堤建成后的防浪状况
• 5.4 超强台风作用下现存海堤的稳定性
• 5.4.1 超强台风风暴高潮位与堤顶高程的比较
• 5.4.2 超强台风波浪
• 5.4.3 超标准情况下海堤的稳定性
• 5.4.4 超强台风作用下海堤过程稳定性
• 5.5 对策与措施初探
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢