基于Copula理论的高桩码头岸坡可靠性分析

高桩码头岸坡稳定性对整体码头结构安全至关重要。为进一步探究高桩码头岸坡土体强度参数相关性及空间变异性对高桩码头岸坡可靠性的影响规律,基于Copula理论考虑岸坡土体参数的联合概率分布特性,采用PLAXIS计算平台建立高桩码头-岸坡体系数值计算模型,进一步通过Python API接口,编译完成了可自动数据交互与求解的外挂子程序SAPW,并实现了高桩码头岸坡体系参数化前处理、样本工况计算和可靠性求解的一体化、全链条可靠性分析框架流程,并在此基础之上结合蒙特卡罗模拟方法,开展了相关数值计算与参数化分析,探讨了黏聚力、内摩擦角变异系数以及二者相关系数对高桩码头岸坡可靠性的影响规律。结果表明:在高桩码头设计与分析中,忽略土体参数相关性和空间变异性会高估岸坡失效概率,进而导致相关可靠度分析偏于保守,在高桩码头岸坡可靠度分析中宜采用多种Copula函数进行综合考虑。

山东半岛海滩动力地貌特征分类

划分海岸应从海洋地貌学视角考虑,根据形状、成因、物质构造和发育演化等阶段,提供具体的划分方法,从而了解海岸的地形动力特性,这对海岸工程技术研究和防护、旅游发展等方面有重要意义。本文对山东半岛砂质海滩进行海洋动力地貌分类界定,根据地貌背景、海滨地貌形态、海滨沉积物类型和海洋动力要素等,选取了六个特征作为系统聚类因子。运用海滩相对潮差分类模型(Ω-RTR模型),结合聚类分析,确定了山东半岛43个海滩的地貌动态特征,并对这43个海滩的类型进行了讨论,结果表明:①可将山东半岛海滩归为六种不同的海滩状况,分别为:低潮沙坝/裂流海滩/超消散组、中间状态组/消散组(无沙坝)、超消散组、消散组(沙坝-槽谷)、低潮阶地和反射组。②聚类分析方式和Ω-RTR模式的结论基本相同,在部分沙滩的分类结论上略有不同。但总体上仍能够合理划分海滩种类,有助于理解海滩的动力地貌系统。

高桩码头桩群对水动力参数影响的数值模拟

桩基码头是常用的码头结构形式,应用广泛。高桩码头桩群基础改变了周围水动力场,引起泥沙冲淤规律的变化,从而对码头结构稳定性产生影响,研究圆柱桩群阻力特性,对水流和底床冲淤变化研究具有重要意义。基于FVCOM的三维水动力模型,将桩柱绕流阻力等效为水流阻力,提出一种桩群阻水效果的概化方法,通过增加桩群阻力项来研究桩群对水动力环境参数的影响,构建了群桩下方和后方水动力规律的三维水动力改进模型。该模型应用于舟山某高桩码头附近流场的模拟计算,结果与实测值吻合良好,证明了模型的有效性;计算结果表明,桩群影响使得码头后方的流速减小,比码头前方减小约67%。所构建的模型可进一步研究高桩码头下方和后方冲淤演变规律,为码头建设和运维提供技术支撑。

考虑清淤策略的桩基时变可靠度分析

为发展淤积岸坡-高桩码头相互作用体系结构可靠性分析方法,基于Fick第二定律推导了能考虑氯离子侵蚀效应的二维扩散模型,并采用时间离散法提出了一种综合考虑结构抗力衰减、淤积作用量化和预测,以及桩基受力变形分析的高桩码头桩基时变可靠度数值计算方法。并结合以目标可靠度为导向的清淤策略,编写了淤积岸坡-高桩码头体系时变可靠度外挂求解程序DPRP。在此基础上,开展了多工况计算分析,探讨了高桩码头桩基时变可靠度的演化规律。计算分析结果表明:码头近海侧桩基可靠度更易低于目标可靠度,在实际工程中需重点养护与修复;泥沙淤积作用会降低多数桩基时变可靠度,而对于近海侧及近岸侧且向岸倾斜的斜桩,其时变可靠度则会因泥沙淤积作用而增大。该高桩码头桩基时变可靠度数值求解流程框架及对应外挂子程序DPRP,可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计与可靠性评价提供参考。

考虑参数空间变异性的高桩码头-岸坡体系可靠性分析

为进一步发展高桩码头-岸坡体系结构可靠性分析方法,基于KL-Copula互相关随机场模拟方法,综合考虑了岸坡土体参数空间变异性与其相关结构及大小的影响,提出一种岸坡-高桩码头体系互相关随机场模拟与可靠性求解数值实施流程,并基于PLAXIS计算程序平台,编写了高桩码头-岸坡体系互相关随机场模拟与可靠性分析外挂求解程序KLCPRP。在此基础上,进一步结合非侵入式随机分析方法进行相关算例分析,探讨不同岸坡强度参数Copula函数结构对互相关随机场模拟和高桩码头结构可靠性求解的影响规律。计算分析结果表明:不同Copula函数结构所对应模拟样本的线性相关系数、秩相关系数均存在一定差异性;对于有限实验数据情况,Gaussian Copula函数结构会导致随机场计算结果偏于保守;所提出的KL-Copula模拟随机场数值实施流程及对应外挂求解程序KLCPRP具有良好的精度和有效性,可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计及安全评价提供理论参考。

台风风暴潮与上游洪水耦合作用下温州飞云江感潮河段潮水位模拟研究

在全球气候急剧变化的背景下,沿海地区风暴潮发生的频率与受灾程度逐渐增加,特别是受风暴潮与上游流域洪水共同影响下的河口感潮河段区域。尽管现有风暴潮模型也引入多种不同的边界设置,但提供的边界条件有限,且无法满足当前国内复杂水工程的概化需求。为此,文章以飞云江流域为研究对象,通过耦合上游流域水动力模型IFMS与海洋风暴潮模型ADCIRC模式,充分发挥二者各自的优势,构建河口感潮河段洪水演进模型,实现飞云江感潮河段潮水位时空模拟。该模型不仅有效地考虑了河口海洋处风暴潮上溯对感潮河段区域洪水演进的影响,也考虑了流域上游洪水对该区域的影响。首先,采用2016年台风“鲇鱼”对模型进行验证,模拟结果与实测系列吻合度较高,误差满足基本要求。然后,对台风“杜苏芮”和“卡奴”影响下的瑞安、马屿、碧山六桥及洞头4个潮位站的洪水过程进行模拟,结果显示4个站点的洪峰误差值均低于0.30m,纳什系数大于0.80,表明该模型能较好地反映高低潮位变化,可应用于河口感潮河段防灾减灾中。最后,还分析了上、下游边界的驱动作用对感潮河段3个站点(瑞安、马屿、碧山六桥)潮水位预测的影响,证明了下边界对3个站点的潮水位预报影响比上边界的影响大。研究成果不仅为河口感潮河段洪水模拟提供了一种新方法,而且通过分析给出提升模型模拟精度的方向。

楮岛沙滩不同时间尺度变化特征与波能流密度相关性探讨

在波浪和水流的作用下,泥沙在不同时间尺度下的运动会引起沙滩的冲淤演变,对海岸资源有重要的影响。因此,了解沙滩季节性演变规律,并采取针对性的防护措施,是近岸沙滩亟须解决的问题。目前,现场观测是研究沙滩剖面冲淤演变的重要方法,通过沉积物组成、岸滩坡度及波浪动力的时空变化,了解沙滩剖面的变化特性,对于沙滩管理和海岸保护具有十分重要的意义。基于2017年9月—2019年11月在荣成楮岛南岸沙滩每个月采集一次的剖面数据,以及波浪动力数据,分别探究了沙滩在不同时间尺度下的变化特征,并对沙滩变化特征与波浪动力因素的相关性进行了探讨。研究发现:楮岛南岸沙滩形态变化具有较强的季节性特征,春季沙滩比较稳定;夏季沙滩受台风影响侵蚀严重,但在风暴过后的短时间内,沙滩泥沙恢复较快;冬季沙滩恢复速度逐渐减缓并趋于稳定。在夏季和冬季期间,波能流密度的向岸分量对楮岛南沙滩的演变产生重要作用,而且波能流密度向岸分量的均值(选取数据采集前15d的波浪条件参与计算)与沙滩体积的相关性最好,并给出了两者的线性拟合公式。

中国内地集装箱港口体系吞吐量增长的俱乐部收敛研究

本文旨在探究中国内地集装箱港口体系发展是否存在俱乐部收敛。基于2001—2020年52个集装箱港口的吞吐量数据,采用非线性时变因子模型对港口体系进行收敛识别和俱乐部聚类,在此基础上采用定序逻辑模型探索俱乐部收敛的驱动机制。主要研究结果表明:(1)中国内地集装箱港口吞吐量增长不存在整体收敛,可划分为4个不同层次的俱乐部;(2)中国集装箱港口体系规模分布相对集中,部分中小港口发展相对缓慢甚至停滞;(3)港口的初始条件、港口所在城市的规模、外贸、产业结构和交通发展速度能够影响集装箱吞吐量的收敛水平,但经贸推动是港口发展的源动力。

圆柱绕流的三大类型湍流模型及稳定性数值模拟研究

海港桩基码头下方桩柱周围的绕流特性对港口水动力与泥沙输运具有重大影响。为探究湍流数值模拟方法对三维桩柱绕流精度的影响,基于CFD方法建立OpenFOAM湍流模型,在雷诺数Re=3900条件下,研究不同近壁取值范围y+=0.95~5.00内的大涡模拟LES、原始雷诺时均法(RANS)湍流模型和增加涡流黏度限制公式的RANS湍流模型的阻力系数、斯特劳哈尔数、平均压力系数、平均速度和涡流结构。研究结果表明,与前人RANS各湍流模型及试验计算结果比较,RNGκ-ε湍流模型对阻力系数和斯特劳哈尔数模拟较准确,对涡捕捉精细程度最好;κ-ω、κ-ωSST湍流模型对斯特劳哈尔数模拟较准确,在y+=0.95~2.00时对平均压力系数模拟较准确;各RANS湍流模型对平均速度的模拟均存在回流区内速度偏差较大的问题;大涡模拟LES湍流模型在近壁网格精度较高时,所有水动力模拟结果相对准确。研究还发现增加涡流黏度限制后的RANS湍流模型,对涡结构捕捉的精细程度更高,更符合真实流动。通过对不同湍流模型下单桩水动力特性的分析研究,可为海港码头下圆形桩群的水动力计算提供参考。

考虑结构安全的桩基码头清淤施工方案优化

中国沿海粉砂质海岸桩基码头下方普遍存在的严重泥沙回淤问题,导致码头桩基受损和高昂泥沙清淤成本。将桩基受力的有限元分析方法与港口运营管理的运筹学方法相结合,以大型沿海桩基码头泥沙清淤工程为原型,开展桩基码头的清淤施工方案优化研究,分别建立码头桩基-岸坡土体结构体系的有限元数值模型,以及综合考虑清淤成本、安全、效率的港口清淤施工方案优化数学模型,并应用基于强化学习改进的遗传算法求解得到最优清淤方案。方案在充分考虑结构安全的前提下,有效降低了清淤成本,可为港口清淤提供依据。

应用“跨零-能量”法估算海洋波浪再生能资源

海洋波浪能是一种可持续和零污染的再生能源,随着自然能源日渐匮乏和全球气候变化,人类对波浪能的开发利用显得尤其重要。本文应用"跨零—能量"波浪分析的新方法,首次推导了不规则波浪的波能流垂向分布及其理论计算公式。本文研究发现,浅水波能流具有均匀的垂向分布,深水波能流集中于海表层的水体中,过渡区波能流的垂向分布介于浅水和深水波能的分布之间。研究还发现,目前海洋波能流的估算方法和现今波浪发电装置的波能采集深度缺少相关性,过高估算了海洋波浪的可发电资源。

西北航道夏季气旋登陆期间海冰对波浪的影响

西北航道是指从北大西洋经加拿大北极群岛进入北冰洋,再进入太平洋的航道,是连接大西洋和太平洋的捷径。为了探讨西北航道通航期极端天气条件下强风及海冰对波浪场的影响机制,建立并验证了考虑海冰影响下的西北航道风浪演化模型,并以2012年8月北极气旋登陆期间为例探讨西北航道通航期波浪特性及波能流密度的时空演化及其对风和海冰的响应。研究结果表明,北极夏季海冰大多分布于西北航道以北海域,而风向大部分集中在SSW(南偏西22.5°)至SW(南偏西45°),西北航道海冰的存在并不会引起有效风区的明显减少,也不会引起无冰海域波能流的明显减小(不超过5%)。但是,当风向变为北向风时,无冰海域波能流减小幅度最多高达62%。最后,综合海冰和波浪要素的时空分布,提出了极端天气条件下西北航道通航期的最佳适航路线,为西北航道的夏季安全通航提供了科学依据。

中国海域波浪能资源分布及波浪能发电装置适用性研究

首先全面综述了国内外波浪能资源开发利用现状,系统总结了目前国内外海洋波浪能资源发电技术中应用的主要波浪能资源开发装置及存在问题;基于ERA-Interim再分析数据,给出了中国海域的平均波浪能流密度和季节特征,从而获取高波能资源分布区域,得到了中国海域波浪能资源分布富集区域;结合不同海岸岸线及海底类型,综合给出了中国波能资源富集区域中发电装置适用建议、高峰发电季节。对提高我国波浪能资源开发利用、推动海洋可再生能源行业的发展具有重要意义,也为实用化、商业化海洋波浪能资源选址提供了科学依据。

基于德尔菲法的围填海对海洋资源影响指标体系研究

为了拓展发展空间,围填海已经成为沿海国家海洋开发活动的重大举措,围填海带来巨大的社会和经济效益的同时,对海洋资源会产生许多不利影响,要确定围填海对海洋资源影响程度,急需采用适宜的评价指标体系。分析了受围填海开发活动影响的海洋资源及其影响程度评价指标和权重的确定方法,构建了用于评价围填海开发活动对海洋资源产生影响程度的层次结构指标体系。利用德尔菲法通过三轮专家咨询给出了影响评价指标的权重。研究结果表明:围填海开发活动影响的海洋资源可划分为港航资源、旅游资源、渔业资源、空间资源和其他资源5个方面,在20个评价指标中,浅海滩涂损失率、自然岸线损失比例和珍稀物种资源损失价值的权重较大,陆域空间利用率、人工岸线增加比例、游客增长率、旅游开发投资和海域使用金的权重较小。

基于最小能耗率原理的河床稳定性判据

为了解决河床稳定走势问题,基于最小能耗率、雷诺平均法以及变分原理,提出了河床稳定性判据.通过与文献资料数据、纵断面稳定系数进行比对,验证了此河床稳定性判据.同时,结合黄河下游自花园口至利津等7个水文站所形成的6个河段,在1972,1973,1975—1980,1982,1985,1987,1988和1991—2000年等21年的水文资料,对黄河下游不同河型进行了稳定性分析.结果表明:黄河下游河床稳定性逐渐降低,孙-艾和艾-泺河段稳定性最差,需要对河岸进行加固;黄河是地上悬河,高含沙水流中的泥沙在中下游逐渐淤积抬高了河床,从而导致河床稳定性降低.

弱混合陆相河口的河床稳定性判据

针对弱混合陆相河口的河床稳定性问题,应用雷诺时均化法将潮流和径流的振荡效应以雷诺切应力的形式反映出来,利用由雷诺切应力构造出的广义力、广义流以及最小能耗率原理建立了弱混合陆相河口的能耗率,应用变分原理对弱混合陆相河口的能耗率进行极值分析得出河床的稳定性判据。根据河床的稳定性判据可得:河床的稳定性与流速梯度以及平均流速相关。另外,应用楔形水槽模型计算了不同坡度下的单位体积水流能耗率的变化。结果表明:当楔形水槽内的水体发生扰动时,能耗率增加,但随着水体的自我调整,能耗率随之减小,最后达到能耗率最小的稳定状态,因此水槽中的水体遵循最小能耗率原理。进而也间接验证了稳定性判据的适用性。

丁坝附近交叉波浪场引起的裂流系统实验研究

裂流是狭窄而集中的离岸方向水流,对海岸水底变形、物质输移和游泳者安全有重要影响。波浪在垂直海岸建筑物(如丁坝、航道挡沙堤等)上产生的反射会导致沿岸驻波,在驻波节点区域由于波高很小会产生裂流,这是海岸出现裂流原因之一。本研究通过物理模型实验给出了沙坝海岸上建筑物附近裂流系统不同于开敞水域交叉波裂流系统的特征,讨论了波高沿岸变化对裂流系统的各裂流单元流量平衡的影响。结果表明:建筑物的存在引起了沙坝和海岸之间背离建筑物方向的沿岸流动,这导致了裂流系统中各裂流单元之间存在着流量的交换,对各单元裂流流量大小和分布产生了直接影响;各单元侧向流流量对裂流的贡献依赖于单元距建筑物的距离。

台风“利奇马”对威海楮岛海滩演化过程的影响

利用威海楮岛海滩台风前后10个剖面的高程观测结果以及沉积物采样测试数据,分析了“利奇马”登陆前后海滩剖面的蚀积变化,探究了1909号台风“利奇马”对楮岛海滩演化过程的影响。研究结果表明,由于研究区位于台风前进路径右侧,向岸浪和风暴潮的双重叠加造成了海滩全线的侵蚀,为缓解大浪带来的能量,海滩朝着更加消散的状态转化,海滩沉积物平均粒径整体粗化,分选性变差,冲刷区尤为明显。楮岛海滩不同岸段剖面对“利奇马”的响应表现出差异性:西南侧N01~N05剖面形态变化不大,东北侧N06~N10剖面形态由滩肩式向沙坝式转变,这是不同剖面形态差异性的结果。

山东省滨海沙滩现状调查

为了揭示山东滨海沙滩现状,为合理开发、利用和保护沙滩资源提供科学依据,项目组与2019年6月—8月,通过现场观测沙滩现状,收集沙滩的生态环境和其开发状态的资料,利用RTK-GPS高程仪获取沙丘-海滩剖面数据,并结合卫星遥感资料调查分析可知:滨海沙滩总个数为148个,沙滩岸线总长度约335 km,主要分布在烟台、威海、青岛和日照。74%的沙滩受人工干预,干预的方式主要以旅游型开发和渔业性开发为主,其中旅游型开发占比61.5%,渔业性开发占比35.6%。26%的沙滩保持自然状态,主要分布在乡村。在现场调查中发现,沙滩侵蚀较严重的大多为自然形态的沙滩渔业性开发的沙滩。多数沙滩的沙丘以及植被带上已经被建起养殖厂房、度假场所、娱乐设施及抛石护岸等,建筑垃圾、生活垃圾、养殖垃圾、微塑料垃圾等在滩面上屡见不鲜。结合数据及现场调查结果来看,山东省多数滨海沙滩已经处于开发状态,但是由于缺乏科学合理的规划,滨海沙滩的平衡系统已经受到严重威胁,沙滩面临消失的危险,严重影响了滨海沙滩的持续利用与发展。

我国海岸侵蚀的成因和防护措施研究

为解决当前我国海岸侵蚀现象严重以及海岸防护手段较为单一的问题,文章分析我国海岸侵蚀的成因,并从结构性措施和非结构性措施2个角度分析海岸防护手段,从而应对海岸侵蚀灾害。研究结果表明:导致海岸侵蚀的因素分为人为因素和自然因素,目前我国应对海岸侵蚀主要采取结构性措施,即从工程视角加强海岸防护,主要包括硬防护结构和软防护结构2种;未来将采取非结构性措施,即从社会科学的视角规范人类行为,从而对海岸进行防护,主要包括规划管理、法律政策和教育普及3个类型。