基本信息
- 项目名称：
- 越浪堤后侵蚀机理及防护措施研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 以浙江省沿海濒发及造成严重经济损失的台风越浪堤冲刷灾害为背景，通过模型实验分析越浪对海塘堤后地面冲刷的机理和过程，得到了不同海塘形式，波浪条件后坡的冲刷面积，深度和水流情况等数据，提出了相应的海塘防护措施。
- 详细介绍：
- （一）研究现状 迄今为止，国内对海浪越堤的研究方向主要是在以下几个方面： 1.堤坝的高度设计及尺寸； 2.波浪的越堤过程模拟及越波量计算； 3.对堤前基床表面的冲刷； 4.对堤身的侵蚀。 总体上说，国内学术界对越波对堤后的侵蚀缺乏清晰、准确的认识，还处在刚刚起步阶段，同时并没有对堤后侵蚀的有效防御措施有具体深入的研究。 而随着计算机模拟等先进技术的发展，国外的研究者已经开始重视，并利用新的方法来研究越波对堤后侵蚀的机理。但是国外的研究方向仍然有其局限性： 1.国外的研究主要还停留在计算机的模拟阶段，并没有通过设计具体的实验来达到进一步研究的目的； 2.国外研究的土壤是散土颗粒，而实际堤后土壤均为粘性土质，这就脱离了实际，难以提出有效的预防措施； 3.国外研究偏重于堤后侵蚀形成的机理，并未提出有效的防御方案。 由于堤后侵蚀导致的堤身失稳是今年来沿海地区溃堤的重要原因，因此我们认为很有必要对越浪堤后侵蚀进行系统的研究，阐明堤后侵蚀机理，进一步探究沿海地区对该现象的预防措施。 （二）研究内容与目标 本项目拟在波浪越堤后冲刷实验的基础上结合计算机模拟等新手段，进一步考察越堤水流对堤坝的侵蚀程度，侵蚀部位的发展趋势，定量地测出观察数据，尝试准确地分析出堤坝侵蚀失稳的机理，并考察浙江省沿海堤坝的地基岩性、坝体组成、侵蚀现状，进而制定出溃堤预防的加固方案，注重坚固性和经济性，从而为沿海抗台防灾提供实验和理论依据。 （三）研究方法 1.波浪越堤对堤后侵蚀的机理研究 机理研究主要通过试验来分析越堤水流对堤身后方地面的冲刷程度，例如冲刷范围、面积、深度及冲刷量等。具体试验方案及步骤如下： A． 在试验水槽中设立模拟海堤，根据试验进展可设计常见的两种不同断面形状的海堤，堤身后方铺设试验土层。在堤前预置流量、流速、水位等测量仪器，堤后试验土层区域划分网格，并设置标尺，以便记录冲刷范围、面积、深度等。 B． 试验过程中堤前先蓄水至预定水位，然后由造波机产生波浪，形成越堤波浪，进行堤后冲刷试验。试验全过程采用高清晰数码相机和数码相机录影并拍照，以便数据分析。 C． 数据分析采用测量数据采集和图像数据分析相结合，以获取堤后侵蚀机理研究所需的试验数据。 2.沿海地区堤坝结构分析 基于浙江省温州市和台州市两地沿海历年堤坝维护资料，结合成员的实地考察，综合运用计算机建模、土性实验分析等手段, 结合Origin，Ansys等软件，就近年来研究区沿海堤坝情况进行定量调查分析，为实验研究提供依据。 3. 溃堤的应急防御措施 利用已有实验数据、模拟计算以及实地的环境考察，对堤后的侵蚀面积、深度作出详细的监测报告，并给出以下详细解决方案： A.堤坝后方薄弱部位的位置； B.地基重点加固维护的区域范围； C.加固所用的材料、尺寸及做法； D.综合评估加固方案的实用性、经济性、安全性。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过实验方法对越浪对于堤后土体的侵蚀的机理进行研究，并且结合浙江省当前海防现状，提出相应的防护措施。 越浪会对海堤造成破坏，而其对堤后土体的侵蚀也是造成溃堤的一个主要因素。本作品在考察海堤堤形以及越浪量的基础上，通过多组对比实验，定量的测得不同情况下堤后土体侵蚀数据。根据这些数据定性地分析越浪堤后土层侵蚀机理，并结合我国浙江地区具体土质、堤坝情况提出了改进的坝形。
科学性、先进性及独特之处
- 实地考察浙江沿海海堤，并获得浙江海堤尺寸及土质情况的官方数据。作品中的“模拟越浪”实验的模型尺寸与土粒级配、含水量等均根据这些数据按比例缩小。 注重实验结果可视化，软件模拟实验过程。 作品不仅采用砂土作为研究主体，还将粘性土作为新研究目标进行对比实验。 建设性地为浙江省海防建设提供防御溃堤措施。
应用价值和现实意义
- 近年来，我省每年由于台风灾害以及堤坝薄弱等问题造成的经济损失高达20到50亿。本作品的实验数据可为浙江省的防台、抗汛工作提供科学依据，且提出的加固措施可为海堤防越浪侵蚀方案提供技术支撑，尽量减少越浪所造成的损失。
学术论文摘要
- 大量海堤损毁事件表明：越浪导致许多海堤的破坏，其破坏作用很大程度上源于堤后土体所受的侵蚀破坏。在这项研究中，我们以波浪越过堤坝对土壤的冲刷实验为基础，结合计算机模拟、结果可视化等手段，定量地对比了不同后坡型式（45°、60°、90°）、后坡土层类型（砂土、黏土）、波浪要素（波速、波高）等多个因素影响下土体受侵蚀程度及受侵蚀部位的发展趋势，从而分析了堤坝后坡侵蚀失稳的机理。海浪越过堤坝产生的漩涡和水跃冲击导致堤后土体的侵蚀，从而使堤坝失稳倒塌。根据实验结果并结合浙江沿海堤坝地基岩性、坝体组成、侵蚀情况等资料，本作品制定出了相应的溃堤预防加固方案。
获奖情况
- 该作品已经撰写成论文（Experimental study on soil erosion behind the levee due to wave overtopping）并将于会议上发表（The 7th IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, Sept. 6~8, 2011, Tsinghua University, Beijing, China） 该作品已经撰写成论文《越浪堤后土体侵蚀实验与结果可视化》，将于会议（CEIT 2011）上发表，并可被ISTP检索。
鉴定结果
- 以台风越浪堤后冲刷灾害为背景，通过模型实验分析越浪对海塘堤后地面冲刷的机理和过程，得到冲刷面积、深度和水流运动等数据，来研究台风越堤水流对海塘稳定性而定影响，并据此研究相应的防护措施。
参考文献
- 1. Hong Xiao ,Wenrui Huang a, Jianhua Tao. Numerical modeling of wave overtopping a levee during Hurricane Katrina 2009. 2. FEMA•Wave Run-up and Overtopping[M] 2005 3. Chaiyuth Chinnarasri Flow patterns and damage of dike overtopping-International Journal of Sediment Research 2003(04)
同类课题研究水平概述
- 迄今为止国内外对海浪越堤的研究方向主要为以下四个方面：第一，堤坝的高度及尺寸设计；第二，越浪量计算；第三，越浪的过程模拟；第四，越浪对堤身的侵蚀破坏。特别是我国对越浪堤后侵蚀方面的研究，大多缺乏清晰、准确的认识，因而不能够针对该堤后破坏采取全面、有效的预防措施。 当前国外的研究虽取得了显著的成果，但仍具有一定局限性： 1.研究手段大多采用电脑模拟技术，并未通过具体的实验设计取得进一步确、可靠的研究结果； 2.国外学者的研究基本上是基于散土颗粒制后坡的堤坝，这与实际中普遍采用的粘性土制后坡堤坝存在一定差异性，因而其研究成果存在适用性问题； 3.国外较注重探究越浪对后坡侵蚀破坏的形成机理，但是并未提出一套完整实用的海堤保护防御措施。
