[工學(xué)]橋涵水文 第5章海洋1

1、第五章 海洋水文2010年下學(xué)期第五章 海洋水文 沿海地區(qū)修建的跨越河口、港灣、島嶼等大橋，其橋位的選擇、勘測、橋長、橋高和橋型方案的確定，都與所在地區(qū)的潮汐、海浪、海流及泥沙運(yùn)動等海洋、海岸水文環(huán)境有密切關(guān)系。 東海大橋東海大橋 起始于上海南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連，南跨杭州灣北部海域，直達(dá)浙江嵊泗縣小洋山島。東海大橋工程是上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路集疏運(yùn)和供水、供電、通訊等需求提供服務(wù)。東海大橋全線可分為約2.3公里的陸上段，海堤至大烏龜島之間約25.5公里的海上段，大烏龜至小洋山島之間約3.5公里的港橋連接段，總長約為31公里。大

2、橋按雙向六車道加緊急停車帶的高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，橋?qū)?1.5米，設(shè)計(jì)車速80公里/小時。東海大橋東海大橋東海大橋東海大橋 杭州灣跨海大橋是一座橫跨中國杭州灣海域的跨海大橋，它北起浙江嘉興海鹽鄭家埭，南至寧波慈溪水路灣，全長36公里，是目前世界上最長的跨海大橋，比連接巴林與沙特的法赫德國王大橋還長11公里，已經(jīng)成為中國世界紀(jì)錄協(xié)會世界最長的跨海大橋候選世界紀(jì)錄，成為繼美國的龐恰特雷恩湖橋后世界第二長的橋梁。杭州灣跨海大橋杭州灣跨海大橋 青島海灣大橋，東起青島主城區(qū)308國道楊家群入口處，跨越膠州灣海域，西至黃島紅石崖，（一期工程）路線全長新建里程28.047 公里（二期工程12公里）。其中海上段長

3、度 25.171 公里，青島側(cè)接線 749 米 、黃島側(cè)接線 827.021 米 、紅島連接線長 1.3 公里。主線橋?qū)?5米，雙向六車道，設(shè)計(jì)行車速度 80 公里 / 小時，工程概算投資 90.4 億元。 預(yù)計(jì)將于2011 年建成。 青島海灣大橋效果圖 青島海灣大橋青島海灣大橋 橋梁及其附屬建筑物的設(shè)計(jì)高程，必須根據(jù)高潮位來確定。潮差段是波浪力、海冰的主要影響區(qū)，是建筑物和海岸受海水腐蝕最嚴(yán)重的范圍。海岸施工場地的布置、預(yù)制構(gòu)件的浮運(yùn)都和潮位的漲落有密切關(guān)系。 一、潮汐 潮汐是日、月引潮力引起的海洋水面周期性的升降運(yùn)動。潮汐又引起潮流，兩者的周期變化是完全相應(yīng)的。第一節(jié)潮汐和潮流 潮汐現(xiàn)象與

4、天體引力有關(guān)，隨地球、日、月三者位置的變化而變化。 月球繞地球運(yùn)行的軌道長軸隨天體的運(yùn)動在不斷變化，月球離地球越近，對海水的引力越大；另外，日、月相對地球的運(yùn)動位置也在不斷變化，因此潮汐表現(xiàn)了與此現(xiàn)象相應(yīng)的變化規(guī)律，即大約9年和19年發(fā)生周期性變化。第一節(jié)潮汐和潮流 地球上的潮汐現(xiàn)象主要是有月和日的引力引起，月球引力為太陽引力的2.2倍，而以月球引力為主。 地球表面各質(zhì)量點(diǎn)都受到月球的吸引力，同時，又受到繞地、月系共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性離心力，這兩個力的合力為引潮力。第一節(jié)潮汐和潮流 朔望潮：每逢初一（朔）、十五（望），太陽、月亮河地球位于一條直線上，日月對海水的引力方向也在同一直線上，形成潮

5、汐的高潮最高，低潮最低，潮差最大，稱為大潮或朔望潮。 方照潮：上弦（初七、初八）和下弦（二十二、二十三）時，日月地三者處于直角位置，日、月引力相互抵消，出現(xiàn)半月中潮差最小，稱為小潮或方照潮。 一般大潮和小潮在朔、望和上、下弦之后的13d出現(xiàn)。第一節(jié)潮汐和潮流 各地潮汐不同的形態(tài)： （1）半日潮：在一個太陽日（24h50min）內(nèi)出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮。它們的高度和歷時都幾乎相同，潮位時間曲線為對稱余弦曲線。 （2）日潮：一個太陰月（29d12h44min28s）中大多數(shù)太陽日，出現(xiàn)一次高潮和一次低潮。潮位曲線為對稱的余弦曲線。 （3）混合潮：有不規(guī)則半日潮河不規(guī)則日潮兩者情況。第一節(jié)潮汐和潮流

6、 二、我國潮汐和風(fēng)暴潮 太平洋潮波引起的強(qiáng)迫振動是我國海域潮汐的主要成分。 風(fēng)暴潮：臺風(fēng)、寒潮等天氣系統(tǒng)帶來的大風(fēng)或氣壓劇變而引起的海水位異常上升的現(xiàn)象。 海嘯：由地震、地殼劇變、海中核爆炸引起的異常海水位上升和波動。第一節(jié)潮汐和潮流港口大潮差（m）小潮差（m）港口大潮差(m)小潮差（m）說明 福州5.703.60黃埔2.50.3廈門4.602.90基隆1.20.3青島3.481.91高雄0.40.2上海3.002.00秦皇島1.0大連2.501.39湛江4.872.18平均潮差 天津2.48我國主要港口潮差 三、基準(zhǔn)面和特征潮位 1.國家高潮基準(zhǔn) 1957年，我國采用“黃海平均海平面”作為全

7、國統(tǒng)一的陸地高程起算面，即基準(zhǔn)面。 1985年國家高程基準(zhǔn)高程=1956年黃海高程-0.029m 1987年5月，我國采用1985年國家高程基準(zhǔn)，廢除1956年國家高程基準(zhǔn)。第一節(jié)潮汐和潮流 2.平均潮面 平均潮面：平均高潮和平均低潮的平均值。 由于潮汐曲線不是準(zhǔn)確的余弦曲線，它與平均海平面并不重合，兩者相差可視為常數(shù)。 理論深度基準(zhǔn)面：理論計(jì)算得到的最低潮面。 潮高基準(zhǔn)面：潮汐表預(yù)報潮位的起算面。第一節(jié)潮汐和潮流 四、設(shè)計(jì)潮位的推算 推算設(shè)計(jì)高潮位的方法： （1）當(dāng)有n年最高潮位觀測值時，不同重現(xiàn)期（頻率）的高潮位可采用極值i型分布（耿貝爾曲線分布）計(jì)算。 （2）在實(shí)測資料不足一年的海域，設(shè)

8、計(jì)高潮位可根據(jù)臨近有一年以上觀測資料的驗(yàn)潮站資料，應(yīng)用“短期同步差比法”推算設(shè)計(jì)高潮位。要求兩站間地理位置相近，潮汐性質(zhì)相同。第一節(jié)潮汐和潮流 設(shè)計(jì)高潮位： hsy、hsy原有站和擬建站的設(shè)計(jì)高潮位； rx、ry原有站和擬建站短期同步潮位，rx/ry取兩地每日潮差比值的平均值； anx、any原有站和擬建站年平均海平面； ay擬建站短期驗(yàn)潮資料的月平均海平面； ay擬建站地區(qū)還平面的月訂正值yynynxsxxynysyaaaahrrah第一節(jié)潮汐和潮流 （3）當(dāng)有短期驗(yàn)潮資料時，設(shè)計(jì)高潮位按近似公式計(jì)算： hs設(shè)計(jì)高潮位； an年平均海平面； a短期驗(yàn)潮資料的月平均海平面； a該地區(qū)或附近的海

9、平面月修正值； r一個月以上的短期資料平均潮差； k0.4aaakrahnns6 . 0 （4）有當(dāng)?shù)仄骄蟪鄙Y料時，設(shè)計(jì)高潮位計(jì)算： r半日潮和不規(guī)則半日潮驗(yàn)潮站用平均大潮升，日朝和不規(guī)則日朝用回歸潮平均高潮高； a0與大潮升或回歸潮平均高潮高同一潮高起算面起算的平均海平面。45. 090. 00arahns第一節(jié)潮汐和潮流 一、海岸 我國海岸線很長，具有不同的地貌特征。杭州灣以北，主要為堆積海岸，砂岸較多，杭州灣以南主要為海蝕海岸，巖岸較多，一般為大陸下降的結(jié)果。 海岸泥沙在波浪、潮汐、海流等動力作用下運(yùn)動，形成了海岸演變過程。 海岸變化的三種情況：侵蝕、淤積和基本穩(wěn)定； 沙質(zhì)海岸：海岸

10、泥沙中值粒徑大于0.05mm 淤泥質(zhì)海岸：泥沙中值粒徑小于0.05mm第二節(jié) 海岸和河口 二、河口 河流流入海洋、湖泊以及支流流入干流的地方成為河口。河流入?？谟址Q為潮汐河口。 在河口區(qū)，潮流溯河而上，流向江河的上游，潮流達(dá)到河流最遠(yuǎn)處稱為潮流界。 從潮流界以上，水位變化越向上游越不明顯，到完全不受潮波影響處，稱為潮區(qū)界。 三角港河口：在河流含沙量較少，河口潮流較強(qiáng)的情況下，沿岸流把泥沙帶走，形成單一的，河道漸寬、水深逐漸增大的喇叭口形河口。 三角洲河口：在河流含沙量大，河口區(qū)鹽淡水異重流較強(qiáng)，而潮流和沿岸流又較弱的情況下，不能把河流帶來的泥沙帶走，淤積成沙灘，逐漸淤高，同時又被沖擊成許多放射

11、狀的汊道，逐漸形成扇形分汊式河口。 海風(fēng)及其引起的海浪，是引起海洋工程和海岸工程災(zāi)害的重要因素，是跨海橋梁的主要環(huán)境荷載。 一、風(fēng)的形成和分級 地球表面大氣壓力分布式不均勻的，空氣和氣壓梯度作用下，由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動，形成風(fēng)。 一般用風(fēng)速表示風(fēng)的強(qiáng)度，氣象學(xué)上取海面以上10m高處，時距10min內(nèi)的平均風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)值。 國際上按風(fēng)速大小分為13個級別。第三節(jié) 風(fēng)和波浪 臺風(fēng)：中心最大風(fēng)力在12級及12級以上的風(fēng)。 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴：10級至11級 熱帶風(fēng)暴：89級 熱帶低壓：8級 二、平均風(fēng)速隨高度的分布 近地風(fēng)的平均風(fēng)速受地面摩阻力的影響，隨高度的增高而增大，只有離地面300m以上風(fēng)速才趨于不變。

12、風(fēng)隨著高度的變化，可用對數(shù)分布或指數(shù)分布表示： vh、v10地面以上高度h和高度10m的平均風(fēng)速； z0風(fēng)速為零的高度，空曠地區(qū)取0.3m; a海、湖、沙漠地區(qū)為0.12，鄉(xiāng)村市郊為0.16，建筑物密集大城市為0.2。001010lg10lglglg10zzhvvhvvhh 三、風(fēng)的紊動特性 自然風(fēng)的風(fēng)速是在平均風(fēng)速上下波動變化的，波動過程是隨機(jī)的。瞬時風(fēng)速v(t)可表示為平均風(fēng)速v與脈動風(fēng)速v(t)兩部分之和，即： v(t)=v+v(t) 脈動風(fēng)速的大小可用其方差譜來表示，可將脈動風(fēng)速視為許多具有振幅不等、頻率各異的子脈動風(fēng)速組成。 四、風(fēng)浪 風(fēng)浪：在風(fēng)的直接持續(xù)作用下，產(chǎn)生的波浪； 涌浪：

13、風(fēng)停止后，海面存在的波浪或傳到無風(fēng)區(qū)的波浪。 海浪：由風(fēng)引起的波浪、涌浪以及涌浪傳播到海安所引起的近岸波的總稱。 五：風(fēng)場要素 1、風(fēng)速v(m/s) 風(fēng)速與風(fēng)對水面的切應(yīng)力、正壓力成正比，風(fēng)速越大，波浪越高。 2、風(fēng)時t(h) 同一方向的風(fēng)連續(xù)作用的時間稱為風(fēng)時。風(fēng)時越長，水體獲得的能力越多，波浪越大。 3、風(fēng)距s（km、m） 在一定風(fēng)況作用下，對波浪發(fā)展有實(shí)際作用的風(fēng)區(qū)內(nèi)的水域長度，稱為風(fēng)距。 六、波浪名稱 1、深水前進(jìn)波 在水深大于一般波長處的前進(jìn)波，它的運(yùn)動不受海底的影響， 水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡接近于圓形，波只集中在海面以上一個較薄的水層面。 波速： 波長：256. 125. 1tllc 2

14、、淺水前進(jìn)波 當(dāng)水深向岸邊傳播，水深d小于半波長時，稱為淺水前進(jìn)波，其波動受海底摩阻影響，水質(zhì)點(diǎn)的軌跡近似橢圓。 波速： 波長： g重力加速度； d水深； 的雙曲正切函數(shù)，稱淺水修正因子。ldth2ldthgtlldthglc22222ld2 3、波浪的破碎和擊岸波 淺水前進(jìn)波受到海底摩阻影響，使波陡增大，若水深減小到一定程度，波形無法維持，波面傾倒破碎，稱為波浪的破碎。 波浪破碎后水質(zhì)點(diǎn)仍有明顯的前移，稱為擊岸波。 波浪前進(jìn)中遇到陡峻的沿岸或建筑物，全部或部分的波能被反射，稱為波浪的反射；部分波繞過建筑物，繼續(xù)傳播到該建筑物所掩護(hù)的水域，稱為波浪的繞射。 七、波浪的要素 波峰：波面最高點(diǎn) 波谷：波面最低點(diǎn) 波高h(yuǎn)：相鄰波峰與波谷的豎直距離 波長l：相鄰兩波峰或兩波谷間的水平距離 周期t：波浪起伏一次所需時間，或相鄰兩波峰越過空間固定點(diǎn)所經(jīng)歷的時間間隔 波速c：波面移動的速度 波陡：波高與波長之比 波峰線：通過波峰的先，與波向線垂直 波向線：與波峰線正交，表示波浪傳播方向 前進(jìn)波：在波面上形成后，向岸邊傳播的波浪 八、波浪固定點(diǎn)波高的統(tǒng)計(jì)分析 波浪在任意固定點(diǎn)的波高、周期等要素，都隨時間再時大時小的變化著，該點(diǎn)波高等觀測資料，構(gòu)成了該點(diǎn)不規(guī)則波浪要素