風(fēng)暴潮對沿海海塘的影響初探

陳昶儒

（臺州市水利局防汛辦，浙江 臺州 318000）

風(fēng)暴潮對沿海海塘的影響初探

陳昶儒

（臺州市水利局防汛辦，浙江 臺州 318000）

為了解風(fēng)暴潮對海塘產(chǎn)生的壓力影響，通過建設(shè)海塘波壓力監(jiān)測系統(tǒng)，對沿海海塘所受沖擊壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合一次風(fēng)暴潮過程對海塘受到壓力的特點(diǎn)給出詳細(xì)分析。

海塘；波壓力；風(fēng)暴潮

臺州市海岸線全長1 660 km，大陸海岸線長745 km，“9711”號臺風(fēng)使臺州沿海一線海塘幾乎全部損毀，此后開展了高標(biāo)準(zhǔn)海塘建設(shè)，共建成沿海一線標(biāo)準(zhǔn)海塘343.58 km，其中200 a一遇1.80 km、100 a一遇4.15 km、50 a一遇237.17 km，20 a一遇100.46 km，可以說，一線海塘是保衛(wèi)沿海人民生命財產(chǎn)安全的一條重要生命線。在以往經(jīng)驗(yàn)中，除海塘自身的沉降及位移等因素外，風(fēng)暴潮是對海塘造成影響的最重要原因，而臺州市臺風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)，是全國受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的城市之一，沿海海塘作為防臺風(fēng)一線的水利工程，每年要承受臺風(fēng)暴潮的巨大壓力，一旦出現(xiàn)險情則影響巨大。

本文分析了風(fēng)暴潮作用下海塘所受的波壓力過程，尤其是在高潮位及巨浪過程中堤壩受到的波壓力，為防汛部門防御風(fēng)暴潮工作提供參考。

2 海塘波壓力監(jiān)測系統(tǒng)簡介

2.1 海塘波壓力站點(diǎn)選址

臺州十一海塘位于臺州灣西側(cè)，擋潮標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，沿岸水深較大，迎風(fēng)迎浪，易遭受大浪沖擊，可以較好地代表一線海塘受到風(fēng)暴潮的影響，具備較好的代表性，因此將試驗(yàn)波壓力監(jiān)測站點(diǎn)設(shè)置在十一塘的三山北涂閘附近（見圖1）。

圖1 椒江十一塘、三山北涂閘所在海域的平面圖

2.2 設(shè)備選型

采用波壓力監(jiān)測儀（參數(shù)見表1）用以測量海浪對沿岸建筑物的沖擊力，一臺主機(jī)可連接若干路壓力傳感器，同步測量不同的高度面上水壓和海浪對沿海建筑物水平方向上的沖擊壓力。

表1 波壓力監(jiān)測儀參數(shù)表

2.3 波壓力傳感器安裝

在風(fēng)暴潮增水和臺風(fēng)巨浪的沖擊下，海塘上部受到海浪沖擊力最大，同時相較堤壩的下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較為薄弱，堤壩的下部結(jié)構(gòu)具有牢固的基礎(chǔ)和消浪坡，一般不會出現(xiàn)損毀。因此監(jiān)測波壓力的重點(diǎn)放在堤壩的上半結(jié)構(gòu)，主要是垂直部分和擋浪墻。圖2所示，十一塘擋浪墻頂部的黃海高程為9.00 m，扣除基礎(chǔ)部分和消浪破，墻體部分高度約4.00 m，考慮安裝4個波壓力傳感器，最高處的第1個波壓力傳感器安裝在高程8.50 m的墻體上(這里是堤壩最薄弱的位置也最需要監(jiān)測波壓力)，依次向下在7.50 m高處和6.00 m高處安裝第2個和第3個波壓力傳感器，并在消浪坡上安裝第4個傳感器。安裝前首先將傳感器通過深水壓力測試，測量的結(jié)果與理論值進(jìn)行比對，測量誤差不超過0.1%投入使用。

圖2 波壓力監(jiān)測儀安裝示意圖

2.4 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)軟件為基于數(shù)據(jù)庫的WEB GIS平臺，主要功能有：接收全自動測站發(fā)來的所有參數(shù)并實(shí)時監(jiān)測測站的工作狀況；按級別設(shè)置能存儲、顯示、查詢、整理數(shù)據(jù)；整理數(shù)據(jù)并繪制圖形、報表。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

風(fēng)暴潮對海塘的影響主要有壓力和躍浪。異常增高的潮位會產(chǎn)生大于平時的靜壓力，而狂風(fēng)往往伴隨的巨浪則會形成對海塘的沖擊和拍擊也對海塘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度構(gòu)成挑戰(zhàn)。波壓力測站從2015年1月27日開始運(yùn)行，經(jīng)過1 a多的運(yùn)行，數(shù)據(jù)完整率為97.1%，實(shí)時監(jiān)測到了幾次臺風(fēng)及強(qiáng)冷空氣影響過程，目前該測站一切設(shè)備正常，仍在正常運(yùn)行之中。

3.1 海塘壓力分布

監(jiān)測站點(diǎn)所布設(shè)的4個壓力傳感器編號從上到下分別是1 ～ 4號，其中1號傳感器位于最上部，平常暴露在空氣中，僅有大浪時方能監(jiān)測到壓力；4號傳感器位于最下部，一般位于水下，只在潮位較低時暴露在空氣中。

3.2 較大波壓力時間段

在近30 000次采樣中，最高處的壓力傳感器探測到壓力的僅有190個測量時段，其中最顯著有2次，一次是7月3 — 11日超強(qiáng)臺風(fēng)“燦鴻”過境時引起，另一次是9月26 — 29日超強(qiáng)臺風(fēng)“杜鵑”外圍引起。強(qiáng)冷空氣過境時，波高和風(fēng)暴潮增水均顯著小于強(qiáng)臺風(fēng)，海浪極少能夠達(dá)到1號傳感器的位置。臺風(fēng)的風(fēng)暴潮嚴(yán)重程度要超過強(qiáng)冷空氣引起的風(fēng)暴潮。

3.3 海塘壓力類型

壓力傳感器所測得的壓力分2個部分，一部分是靜壓力，由潮位引起，另一部分為動壓力，由波浪引起。從頻率譜上分析，二者的頻率相差甚遠(yuǎn)，靜壓力的周期約為12 h，而動壓力的周期為幾秒鐘到幾十秒鐘。當(dāng)傳感器完全位于水下時，表面波振動在向下傳遞過程中受到水層的阻礙而減小，水越深、周期越短，則衰減程度越大。當(dāng)波浪拍擊到堅(jiān)硬的海塘?xí)r，瞬間能產(chǎn)生極大的壓力，因此有可能上部的傳感器測得的波壓力極大值反而超過下部的。

4 典型過程分析（臺風(fēng)“杜鵑”）

2015年臺風(fēng)“燦鴻”“杜鵑”都明顯影響臺州，其中“燦鴻”臺風(fēng)與十一塘的最近距離為110 km，海門站最高潮位5.27 m，增水1.37 m，未超警戒；“杜鵑”臺風(fēng)與十一塘距離最近454 km，但期間正值八月十五大潮汛，海門站最高潮位5.87 m，增水0.30 m，超警戒水位 0.27 m。雖然“杜鵑”的路線相對臺州沿海要明顯遠(yuǎn)小于“燦鴻”，但是登陸時恰逢農(nóng)歷八月十七的天文大潮，因此對臺州沿海的影響仍然要大于“燦鴻”臺風(fēng)。

4.1 海塘壓力分析

選擇其中最強(qiáng)的一次過程進(jìn)行詳細(xì)分析，該次過程波壓力曲線見圖2。

圖2 “杜鵑”10 min波壓力過程曲線

其中2、3、4號傳感器完全浸沒在水中，壓力變化呈現(xiàn)在一個平衡位置上下做波動的狀況，平衡位置為靜壓力，即由潮位所引起的，由于不同傳感器安裝高度不同，因此平衡位置也有所不同。1號傳感器并沒有總是浸沒在水中，測量結(jié)果呈現(xiàn)明顯的脈沖型，受到的壓力是完全的動壓力，顯然是由于波浪拍擊所形成的，其幅度也要明顯大于另外3個傳感器的測量結(jié)果。為了看清楚其中的細(xì)節(jié)，選擇其中的1 min，將其橫坐標(biāo)拉伸后見圖3。

圖3 其中1 min波壓力測量值圖

1號傳感器測量到的波壓力的脈沖寬度在1 s左右，強(qiáng)度呈現(xiàn)較大的變化，466 s處出現(xiàn)強(qiáng)度大的波壓力，其周期并未較其他過程長，說明此次過程系波浪拍擊傳感器造成的。

4.2 不同傳感器壓力曲線特點(diǎn)

可以看出，不同位置的波壓力變化過程曲線有明顯的不同。

（1）頻率不同。越是深處的傳感器，高頻信號越少。這是由于水層的濾波作用導(dǎo)致的，高頻的波動信號難以向下傳遞，水層越深，截止頻率越低。

（2）振幅不同。越是深處，振幅越小，這是由于水層的衰減作用導(dǎo)致的，表面波在向下傳遞過程受到水層的阻礙，下部的壓力波振幅明顯小于上部，水越深，衰減越明顯。

（3）相位延遲。4號傳感器最前出，因此它感受到的波浪變化最早，相位也最早。從4號到1號，相位存在逐步延遲的效應(yīng)，這是由于4個傳感器安裝位置不同所造成的。

（4）1號傳感器多數(shù)時間暴露在空氣中，它受到的波壓力呈現(xiàn)脈沖型，說明不是每一個波浪都能對1號傳感器造成影響。只有較大的波浪才能對1號傳感器有所影響。

5 結(jié) 語

在臺州沿海地區(qū)，熱帶氣旋和強(qiáng)冷空氣均可以帶來狂風(fēng)巨浪，形成風(fēng)暴潮過程，對海塘形成沖擊。海塘較高處，并不能被海水浸沒，但是波浪仍可以達(dá)到該位置并受到波壓力作用。這種情況下波壓力又可以分為波浪直接拍擊和波浪爬升浸沒2種類型，波浪直接拍擊的壓力明顯大得多，需重視這一類型壓力對海塘能形成結(jié)構(gòu)性損壞。

天文潮對風(fēng)暴潮的影響十分顯著，臺風(fēng)“杜鵑”風(fēng)力弱于燦鴻，行進(jìn)路線與臺州沿海的距離大大遠(yuǎn)于燦鴻，但是所形成的對海塘的波壓力與“燦鴻”基本相當(dāng)，主要原因是“杜鵑”恰逢天文大潮，而“燦鴻”恰逢天文小潮，“杜鵑”影響期間的最高潮位比“燦鴻”影響期間的最高潮位高出1.50 m，這一差距相當(dāng)可觀。如果再有類似“燦鴻”這樣的強(qiáng)臺風(fēng)并在天文大潮時影響臺州，那么所形成的風(fēng)暴潮將嚴(yán)重得多，對海塘的沖擊力也將強(qiáng)烈得多，很可能造成嚴(yán)重的災(zāi)害，應(yīng)引起足夠的重視。

（責(zé)任編輯 姚小槐）

P731.24

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10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.020

2016-11-25

陳昶儒(1987 - )，男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事防汛信息化工作。E - mail：oldman1212@sohu.com