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基本信息

項目名稱：
越浪堤后侵蝕機理及防護措施研究
小類：
能源化工
簡介：
以浙江省沿海瀕發(fā)及造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失的臺風(fēng)越浪堤沖刷災(zāi)害為背景，通過模型實驗分析越浪對海塘堤后地面沖刷的機理和過程，得到了不同海塘形式，波浪條件后坡的沖刷面積，深度和水流情況等數(shù)據(jù)，提出了相應(yīng)的海塘防護措施。
詳細(xì)介紹：
（一）研究現(xiàn)狀 迄今為止，國內(nèi)對海浪越堤的研究方向主要是在以下幾個方面： 1.堤壩的高度設(shè)計及尺寸； 2.波浪的越堤過程模擬及越波量計算； 3.對堤前基床表面的沖刷； 4.對堤身的侵蝕。 總體上說，國內(nèi)學(xué)術(shù)界對越波對堤后的侵蝕缺乏清晰、準(zhǔn)確的認(rèn)識，還處在剛剛起步階段，同時并沒有對堤后侵蝕的有效防御措施有具體深入的研究。 而隨著計算機模擬等先進技術(shù)的發(fā)展，國外的研究者已經(jīng)開始重視，并利用新的方法來研究越波對堤后侵蝕的機理。但是國外的研究方向仍然有其局限性： 1.國外的研究主要還停留在計算機的模擬階段，并沒有通過設(shè)計具體的實驗來達到進一步研究的目的； 2.國外研究的土壤是散土顆粒，而實際堤后土壤均為粘性土質(zhì)，這就脫離了實際，難以提出有效的預(yù)防措施； 3.國外研究偏重于堤后侵蝕形成的機理，并未提出有效的防御方案。 由于堤后侵蝕導(dǎo)致的堤身失穩(wěn)是今年來沿海地區(qū)潰堤的重要原因，因此我們認(rèn)為很有必要對越浪堤后侵蝕進行系統(tǒng)的研究，闡明堤后侵蝕機理，進一步探究沿海地區(qū)對該現(xiàn)象的預(yù)防措施。 （二）研究內(nèi)容與目標(biāo) 本項目擬在波浪越堤后沖刷實驗的基礎(chǔ)上結(jié)合計算機模擬等新手段，進一步考察越堤水流對堤壩的侵蝕程度，侵蝕部位的發(fā)展趨勢，定量地測出觀察數(shù)據(jù)，嘗試準(zhǔn)確地分析出堤壩侵蝕失穩(wěn)的機理，并考察浙江省沿海堤壩的地基巖性、壩體組成、侵蝕現(xiàn)狀，進而制定出潰堤預(yù)防的加固方案，注重堅固性和經(jīng)濟性，從而為沿?？古_防災(zāi)提供實驗和理論依據(jù)。 （三）研究方法 1.波浪越堤對堤后侵蝕的機理研究 機理研究主要通過試驗來分析越堤水流對堤身后方地面的沖刷程度，例如沖刷范圍、面積、深度及沖刷量等。具體試驗方案及步驟如下： A． 在試驗水槽中設(shè)立模擬海堤，根據(jù)試驗進展可設(shè)計常見的兩種不同斷面形狀的海堤，堤身后方鋪設(shè)試驗土層。在堤前預(yù)置流量、流速、水位等測量儀器，堤后試驗土層區(qū)域劃分網(wǎng)格，并設(shè)置標(biāo)尺，以便記錄沖刷范圍、面積、深度等。 B． 試驗過程中堤前先蓄水至預(yù)定水位，然后由造波機產(chǎn)生波浪，形成越堤波浪，進行堤后沖刷試驗。試驗全過程采用高清晰數(shù)碼相機和數(shù)碼相機錄影并拍照，以便數(shù)據(jù)分析。 C． 數(shù)據(jù)分析采用測量數(shù)據(jù)采集和圖像數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，以獲取堤后侵蝕機理研究所需的試驗數(shù)據(jù)。 2.沿海地區(qū)堤壩結(jié)構(gòu)分析 基于浙江省溫州市和臺州市兩地沿海歷年堤壩維護資料，結(jié)合成員的實地考察，綜合運用計算機建模、土性實驗分析等手段, 結(jié)合Origin，Ansys等軟件，就近年來研究區(qū)沿海堤壩情況進行定量調(diào)查分析，為實驗研究提供依據(jù)。 3. 潰堤的應(yīng)急防御措施 利用已有實驗數(shù)據(jù)、模擬計算以及實地的環(huán)境考察，對堤后的侵蝕面積、深度作出詳細(xì)的監(jiān)測報告，并給出以下詳細(xì)解決方案： A.堤壩后方薄弱部位的位置； B.地基重點加固維護的區(qū)域范圍； C.加固所用的材料、尺寸及做法； D.綜合評估加固方案的實用性、經(jīng)濟性、安全性。

作品圖片

  • 越浪堤后侵蝕機理及防護措施研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

通過實驗方法對越浪對于堤后土體的侵蝕的機理進行研究，并且結(jié)合浙江省當(dāng)前海防現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的防護措施。 越浪會對海堤造成破壞，而其對堤后土體的侵蝕也是造成潰堤的一個主要因素。本作品在考察海堤堤形以及越浪量的基礎(chǔ)上，通過多組對比實驗，定量的測得不同情況下堤后土體侵蝕數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)定性地分析越浪堤后土層侵蝕機理，并結(jié)合我國浙江地區(qū)具體土質(zhì)、堤壩情況提出了改進的壩形。

科學(xué)性、先進性及獨特之處

?實地考察浙江沿海海堤，并獲得浙江海堤尺寸及土質(zhì)情況的官方數(shù)據(jù)。作品中的“模擬越浪”實驗的模型尺寸與土粒級配、含水量等均根據(jù)這些數(shù)據(jù)按比例縮小。 ?注重實驗結(jié)果可視化，軟件模擬實驗過程。 ?作品不僅采用砂土作為研究主體，還將粘性土作為新研究目標(biāo)進行對比實驗。 建設(shè)性地為浙江省海防建設(shè)提供防御潰堤措施。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

近年來，我省每年由于臺風(fēng)災(zāi)害以及堤壩薄弱等問題造成的經(jīng)濟損失高達20到50億。本作品的實驗數(shù)據(jù)可為浙江省的防臺、抗汛工作提供科學(xué)依據(jù)，且提出的加固措施可為海堤防越浪侵蝕方案提供技術(shù)支撐，盡量減少越浪所造成的損失。

學(xué)術(shù)論文摘要

大量海堤損毀事件表明：越浪導(dǎo)致許多海堤的破壞，其破壞作用很大程度上源于堤后土體所受的侵蝕破壞。在這項研究中，我們以波浪越過堤壩對土壤的沖刷實驗為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機模擬、結(jié)果可視化等手段，定量地對比了不同后坡型式（45°、60°、90°）、后坡土層類型（砂土、黏土）、波浪要素（波速、波高）等多個因素影響下土體受侵蝕程度及受侵蝕部位的發(fā)展趨勢，從而分析了堤壩后坡侵蝕失穩(wěn)的機理。海浪越過堤壩產(chǎn)生的漩渦和水躍沖擊導(dǎo)致堤后土體的侵蝕，從而使堤壩失穩(wěn)倒塌。根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合浙江沿海堤壩地基巖性、壩體組成、侵蝕情況等資料，本作品制定出了相應(yīng)的潰堤預(yù)防加固方案。

獲獎情況

該作品已經(jīng)撰寫成論文（Experimental study on soil erosion behind the levee due to wave overtopping）并將于會議上發(fā)表（The 7th IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, Sept. 6~8, 2011, Tsinghua University, Beijing, China） 該作品已經(jīng)撰寫成論文《越浪堤后土體侵蝕實驗與結(jié)果可視化》，將于會議（CEIT 2011）上發(fā)表，并可被ISTP檢索。

鑒定結(jié)果

以臺風(fēng)越浪堤后沖刷災(zāi)害為背景，通過模型實驗分析越浪對海塘堤后地面沖刷的機理和過程，得到?jīng)_刷面積、深度和水流運動等數(shù)據(jù)，來研究臺風(fēng)越堤水流對海塘穩(wěn)定性而定影響，并據(jù)此研究相應(yīng)的防護措施。

參考文獻

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)

同類課題研究水平概述

迄今為止國內(nèi)外對海浪越堤的研究方向主要為以下四個方面：第一，堤壩的高度及尺寸設(shè)計；第二，越浪量計算；第三，越浪的過程模擬；第四，越浪對堤身的侵蝕破壞。特別是我國對越浪堤后侵蝕方面的研究，大多缺乏清晰、準(zhǔn)確的認(rèn)識，因而不能夠針對該堤后破壞采取全面、有效的預(yù)防措施。 當(dāng)前國外的研究雖取得了顯著的成果，但仍具有一定局限性： 1.研究手段大多采用電腦模擬技術(shù)，并未通過具體的實驗設(shè)計取得進一步確、可靠的研究結(jié)果； 2.國外學(xué)者的研究基本上是基于散土顆粒制后坡的堤壩，這與實際中普遍采用的粘性土制后坡堤壩存在一定差異性，因而其研究成果存在適用性問題； 3.國外較注重探究越浪對后坡侵蝕破壞的形成機理，但是并未提出一套完整實用的海堤保護防御措施。
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