风暴潮对沿海海塘的影响初探

陈昶儒

（台州市水利局防汛办，浙江 台州 318000）

风暴潮对沿海海塘的影响初探

陈昶儒

（台州市水利局防汛办，浙江 台州 318000）

为了解风暴潮对海塘产生的压力影响，通过建设海塘波压力监测系统，对沿海海塘所受冲击压力进行数据分析，并结合一次风暴潮过程对海塘受到压力的特点给出详细分析。

海塘；波压力；风暴潮

台州市海岸线全长1 660 km，大陆海岸线长745 km，“9711”号台风使台州沿海一线海塘几乎全部损毁，此后开展了高标准海塘建设，共建成沿海一线标准海塘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，可以说，一线海塘是保卫沿海人民生命财产安全的一条重要生命线。在以往经验中，除海塘自身的沉降及位移等因素外，风暴潮是对海塘造成影响的最重要原因，而台州市台风灾害频发，是全国受台风影响最严重的城市之一，沿海海塘作为防台风一线的水利工程，每年要承受台风暴潮的巨大压力，一旦出现险情则影响巨大。

本文分析了风暴潮作用下海塘所受的波压力过程，尤其是在高潮位及巨浪过程中堤坝受到的波压力，为防汛部门防御风暴潮工作提供参考。

2 海塘波压力监测系统简介

2.1 海塘波压力站点选址

台州十一海塘位于台州湾西侧，挡潮标准为50 a一遇，沿岸水深较大，迎风迎浪，易遭受大浪冲击，可以较好地代表一线海塘受到风暴潮的影响，具备较好的代表性，因此将试验波压力监测站点设置在十一塘的三山北涂闸附近（见图1）。

图1 椒江十一塘、三山北涂闸所在海域的平面图

2.2 设备选型

采用波压力监测仪（参数见表1）用以测量海浪对沿岸建筑物的冲击力，一台主机可连接若干路压力传感器，同步测量不同的高度面上水压和海浪对沿海建筑物水平方向上的冲击压力。

表1 波压力监测仪参数表

2.3 波压力传感器安装

在风暴潮增水和台风巨浪的冲击下，海塘上部受到海浪冲击力最大，同时相较堤坝的下部结构强度也较为薄弱，堤坝的下部结构具有牢固的基础和消浪坡，一般不会出现损毁。因此监测波压力的重点放在堤坝的上半结构，主要是垂直部分和挡浪墙。图2所示，十一塘挡浪墙顶部的黄海高程为9.00 m，扣除基础部分和消浪破，墙体部分高度约4.00 m，考虑安装4个波压力传感器，最高处的第1个波压力传感器安装在高程8.50 m的墙体上(这里是堤坝最薄弱的位置也最需要监测波压力)，依次向下在7.50 m高处和6.00 m高处安装第2个和第3个波压力传感器，并在消浪坡上安装第4个传感器。安装前首先将传感器通过深水压力测试，测量的结果与理论值进行比对，测量误差不超过0.1%投入使用。

图2 波压力监测仪安装示意图

2.4 数据中心

数据中心系统软件为基于数据库的WEB GIS平台，主要功能有：接收全自动测站发来的所有参数并实时监测测站的工作状况；按级别设置能存储、显示、查询、整理数据；整理数据并绘制图形、报表。

3 监测数据分析

风暴潮对海塘的影响主要有压力和跃浪。异常增高的潮位会产生大于平时的静压力，而狂风往往伴随的巨浪则会形成对海塘的冲击和拍击也对海塘结构强度构成挑战。波压力测站从2015年1月27日开始运行，经过1 a多的运行，数据完整率为97.1%，实时监测到了几次台风及强冷空气影响过程，目前该测站一切设备正常，仍在正常运行之中。

3.1 海塘压力分布

监测站点所布设的4个压力传感器编号从上到下分别是1 ～ 4号，其中1号传感器位于最上部，平常暴露在空气中，仅有大浪时方能监测到压力；4号传感器位于最下部，一般位于水下，只在潮位较低时暴露在空气中。

3.2 较大波压力时间段

在近30 000次采样中，最高处的压力传感器探测到压力的仅有190个测量时段，其中最显著有2次，一次是7月3 — 11日超强台风“灿鸿”过境时引起，另一次是9月26 — 29日超强台风“杜鹃”外围引起。强冷空气过境时，波高和风暴潮增水均显著小于强台风，海浪极少能够达到1号传感器的位置。台风的风暴潮严重程度要超过强冷空气引起的风暴潮。

3.3 海塘压力类型

压力传感器所测得的压力分2个部分，一部分是静压力，由潮位引起，另一部分为动压力，由波浪引起。从频率谱上分析，二者的频率相差甚远，静压力的周期约为12 h，而动压力的周期为几秒钟到几十秒钟。当传感器完全位于水下时，表面波振动在向下传递过程中受到水层的阻碍而减小，水越深、周期越短，则衰减程度越大。当波浪拍击到坚硬的海塘时，瞬间能产生极大的压力，因此有可能上部的传感器测得的波压力极大值反而超过下部的。

4 典型过程分析（台风“杜鹃”）

2015年台风“灿鸿”“杜鹃”都明显影响台州，其中“灿鸿”台风与十一塘的最近距离为110 km，海门站最高潮位5.27 m，增水1.37 m，未超警戒；“杜鹃”台风与十一塘距离最近454 km，但期间正值八月十五大潮汛，海门站最高潮位5.87 m，增水0.30 m，超警戒水位 0.27 m。虽然“杜鹃”的路线相对台州沿海要明显远小于“灿鸿”，但是登陆时恰逢农历八月十七的天文大潮，因此对台州沿海的影响仍然要大于“灿鸿”台风。

4.1 海塘压力分析

选择其中最强的一次过程进行详细分析，该次过程波压力曲线见图2。

图2 “杜鹃”10 min波压力过程曲线

其中2、3、4号传感器完全浸没在水中，压力变化呈现在一个平衡位置上下做波动的状况，平衡位置为静压力，即由潮位所引起的，由于不同传感器安装高度不同，因此平衡位置也有所不同。1号传感器并没有总是浸没在水中，测量结果呈现明显的脉冲型，受到的压力是完全的动压力，显然是由于波浪拍击所形成的，其幅度也要明显大于另外3个传感器的测量结果。为了看清楚其中的细节，选择其中的1 min，将其横坐标拉伸后见图3。

图3 其中1 min波压力测量值图

1号传感器测量到的波压力的脉冲宽度在1 s左右，强度呈现较大的变化，466 s处出现强度大的波压力，其周期并未较其他过程长，说明此次过程系波浪拍击传感器造成的。

4.2 不同传感器压力曲线特点

可以看出，不同位置的波压力变化过程曲线有明显的不同。

（1）频率不同。越是深处的传感器，高频信号越少。这是由于水层的滤波作用导致的，高频的波动信号难以向下传递，水层越深，截止频率越低。

（2）振幅不同。越是深处，振幅越小，这是由于水层的衰减作用导致的，表面波在向下传递过程受到水层的阻碍，下部的压力波振幅明显小于上部，水越深，衰减越明显。

（3）相位延迟。4号传感器最前出，因此它感受到的波浪变化最早，相位也最早。从4号到1号，相位存在逐步延迟的效应，这是由于4个传感器安装位置不同所造成的。

（4）1号传感器多数时间暴露在空气中，它受到的波压力呈现脉冲型，说明不是每一个波浪都能对1号传感器造成影响。只有较大的波浪才能对1号传感器有所影响。

5 结 语

在台州沿海地区，热带气旋和强冷空气均可以带来狂风巨浪，形成风暴潮过程，对海塘形成冲击。海塘较高处，并不能被海水浸没，但是波浪仍可以达到该位置并受到波压力作用。这种情况下波压力又可以分为波浪直接拍击和波浪爬升浸没2种类型，波浪直接拍击的压力明显大得多，需重视这一类型压力对海塘能形成结构性损坏。

天文潮对风暴潮的影响十分显著，台风“杜鹃”风力弱于灿鸿，行进路线与台州沿海的距离大大远于灿鸿，但是所形成的对海塘的波压力与“灿鸿”基本相当，主要原因是“杜鹃”恰逢天文大潮，而“灿鸿”恰逢天文小潮，“杜鹃”影响期间的最高潮位比“灿鸿”影响期间的最高潮位高出1.50 m，这一差距相当可观。如果再有类似“灿鸿”这样的强台风并在天文大潮时影响台州，那么所形成的风暴潮将严重得多，对海塘的冲击力也将强烈得多，很可能造成严重的灾害，应引起足够的重视。

（责任编辑 姚小槐）

P731.24

B

1008 - 701X(2017)03 - 0072 - 02

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

2016-11-25

陈昶儒(1987 - )，男，助理工程师，大学本科，主要从事防汛信息化工作。E - mail：oldman1212@sohu.com