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滨海人工沙滩专项研究与设计专题介绍
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近期，由于我集团某项目拟规划建设一大型滨海人工沙滩，为此我分别从项目概况了解、项目的设计目标、人工沙滩经典案例借鉴与分析、人工沙滩知名设计单位调研、人工沙滩的研究阶段与设计内容、人工沙滩的设计流程、人工沙滩的后期维护与运营等方面全方位的了解和学习了滨海人工沙滩设计的基本知识。下面从以下几个层面谈谈滨海人工沙滩研究与设计的理解。
1、人工沙滩经典案例借鉴与分析
1.1大连小窑湾国际商务区人工沙滩
1.1.1建设规模：景观防浪护岸、人工沙滩浴场、人工湖、翔风河及卧龙河岸钱总长约16.7公里。
1.1.2工程投资：约4亿元。
1.1.3平面布置：人工沙滩浴场布置在小窑湾西侧，呈单圆弧两侧局部环抱形式，岸线长约1800米;紧邻人工浴场岸线自西问东依次为动力港服湾、魅力商务湾，活力创智湾岸线。呈半圆弧布置。向东南开敞，长约2500米:翔凤河位于魅力商务湾西侧.向西北延神，长约1700米；卧龙河位于魅力商务两东侧，向北延伸，长约2300米；人工湖东西贯穿小窑湾中央商务区，蜿蜒曲析.长约 2500米。
1.1.4结构形式：直立式、半直立式、斜坡式结构。
1.1.5工程特点与难点:人工沙滩浴场设计是重点内容。采取有效掩护措施减弱波浪对浴场岸线的冲喇，保持原流场状态，维护人二工沙滩的稳定，景观防浪护岸、人工河道、人工湖的设计中，保证岸钱形式的层次性、多样性（详见下图）。
大连小窑湾国际商务区人工沙滩效果图
1.2大连星海湾滨海人工沙滩
1.2.1项自的主要功能：填海造地，改善环境，开发旅游景点
1.2.2工程规模：围海造地100万平米，旅游船泊位3个，泊位长415米，底高程-4. 5米。人工海水浴场3个，岸线长1400米，沙滩宽度80米。固滩防波堤4座，长1000米，马栏河东、西护岸长2000米。
1.2.3工程投资：4亿元人民币
1.2.4设计能力：旅游船港可以停靠200人以下的旅游船，艇、人工海水浴场可容纳浴客7.5万人。
1.2.5主要结构型式：沙滩与陆域间为弧形护岸，浴场一侧为花岗岩镶砌的台阶，沙滩坡度为1:10。防波堤为斜坡式结构，护面块体为四脚空心方块。防玻堤为料坡至趁结构。护面块体为四脚空方块。码头为沉箱重力式，码头面层为花岗岩壤面。东、西护岸为斜坡式，护面块体为栅栏板，胸墙为花岗岩镶面（详见下图）。
大连星海湾滨海人工沙滩航拍照片
2、人工沙滩的研究阶段与设计内容
2.1专项研究与方案设计阶段
本阶段先期进行波浪、潮流及泥沙冲淤数学模型试验，通过数值模拟，了解波浪分布及泥沙运动规律，初步确定沙滩布置形式。其模型试验成果为方案设计的主要基础依据。设计单位需根据数学模型试验及方案阶段地质勘察正式成果，进行沙滩结构及防护结构方案设计，并提交研究报告。
2.2专项研究与工程设计阶段
本阶段根据沙滩专项研究报告，进行断面泥沙冲淤物理模型试验，分析比较不同人工岸滩断面，推荐合理的设计断面。其后进行人工沙滩整体物理模型试验，准确测定推荐平面布置方案条件下人工岸滩附近水域的波浪状况、泥沙运动规律，优化平面布置方式。验证推荐沙滩结构断面的稳定性，进一步优化结构方案。这2项物理模型试验的成果是对方案设计的验证，也是施工图设计的重要技术支持。设计单位最后根据物理模型试验和施工图阶段地质勘查正式成果，进行沙滩结构及防护结构施工图设计，并提交施工图成果。
3、人工沙滩的设计流程
通过阅读大量的关于滨海人工沙滩研究与设计的专业性文献，我发现要做好滨海人工沙滩研究与设计需经过如下六个设计阶段：第一阶段：工程对自身及周边水域潮流的影响分析；第二阶段：平面布置方案中消浪型式的比选优化（含成本的优化和比较）；第三阶段：沙滩弧型比选优化、稳定可选砾径分析；第四阶段：沙砾冲淤平衡分析、最小稳定砾径确定；第五阶段：沙滩断面坡度对滩面冲淤变形的影响分析；第六阶段 优化尚可进一步优化的部分，最终形成最合理的初步设计方案，并深化成施工图。
4、设计成果能解决的基本问题
通过以上步骤地研究与设计，设计单位最终将提交一份成果报告给我们，这份成果报告主要能帮我们集团解决如下问题：确定人工沙滩稳定砾径级别；.确定沙滩前水域消浪型式；确定沙滩护补标准和与之相应的波浪重现期；确定人工沙滩平面线型；确定重点区域的沙滩横断面和纵断面；完成沙滩的竖向设计和土石沙方计算；确定构造做法并绘制节点构造大样；提出施工流程建议和其他注意事项；提出人工沙滩的后期维护与管理建议；提出建设成本和维护成本预算（含分项成本）；绘制出沙滩设计初步设计及施工图。最后开发建设单位就可以拿着最终的施工图进行施工了。
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- 合理计算极端设计潮位是制订海岸防护标准的重要内容之一。传统的单因素极端设计水位计算方法，往往忽略了多种致灾因素的联合作用。现有的天文潮与风暴潮增水的组合方法，未能把天文潮与风暴潮增水当作相关的事件来考虑;而联合概率法，也未能分别选取各自最适合的边缘分布类型进行概率组合计算。二维联合概率模型的研究是海洋工程设计标准研究中的难点。本文以长期观测资料为基础，借鉴二维正态分布的研究成果，运用了正态分布等价转换的思想实现了具有不同边缘分布的二维变量的联合概率等价计算。考虑风暴增水与天文潮之间的相关性，分析工程所在海域风暴增水与天文潮特征，选取各自最适合的边缘分布进行联合概率计算，根据概率与概率密度相等的近似假定，提出了等效二维分布，并依此确定极端设计潮位。通过采用不同边缘分布，组合得到具体的二维分布模型，根据统计分析，给出海岸工程设计所需要的极端水位，供设计部门选用。
本论文转载于论文天下：http://www.lunwentianxia.com/product.sf.3351992.1/
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- 防洪设计水位推算新模型
王莉萍 代伟 齐莹
【摘要】：传统的单因素极值水位设计方法只考虑极值水位的变化,忽略了台风的影响,并且人为选定分布类型对结果产生干扰。考虑台风影响下的水位,结合复合极值理论和最大熵原则,通过求解条件变分方程,提出了一种新型的具有多个待定参量的复合熵函数模型。该模型在河口城市防洪设计中充分尊重实测数据,密度函数形式完全由数据确定,避免了人为假设服从某种分布的先验性,在抽样、方法和统计上优于以往传统方法。
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- 3、人工沙滩的设计流程
通过阅读大量的关于滨海人工沙滩研究与设计的专业性文献，我发现要做好滨海人工沙滩研究与设计需经过如下六个设计阶段：
第一阶段：工程对自身及周边水域潮流的影响分析；
第二阶段：平面布置方案中消浪型式的比选优化（含成本的优化和比较）；
第三阶段：沙滩弧型比选优化、稳定可选砾径分析；
第四阶段：沙砾冲淤平衡分析、最小稳定砾径确定；
第五阶段：沙滩断面坡度对滩面冲淤变形的影响分析；
第六阶段 :优化尚可进一步优化的部分，最终形成最合理的初步设计方案，并深化成施工图。
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- 考虑风险率模式下的洪潮组合设计方法
防洪（潮）计算中，洪潮组合若以洪为主时，一般选取设计标准洪水与多年平均潮位相组合，当以潮为主时，一般选取设计标准的潮位与多年平均洪水相组合．实际上，按不同的设计标准设计潮位时，河道上游可能发生各种频率的洪水，按不同的设计标准设计洪水时，河道下游也可能发生各种频率的潮位，所以，组合多年平均潮位或多年平均洪水存在一定的风险．为此，构建了洪潮组合风险计算模型，并依据洪潮组合风险提出了洪潮组合设计方法．考虑到各地水文特征的差异性，以深圳市为特例对这种方法进行了分析，为洪潮遭遇组合的合理选取提供科学依据．
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- 人工岛岸滩稳定性研究
胡殿才
【摘要】： 近年来,我国围海造地迅速发展,但传统顺岸式填海方式不利于我国宝贵的海洋滩涂资源的科学、协调、可持续利用,对海洋生态环境的不利影响已越来越引起人们的重视。科学适度用海是未来围海造地发展的方向,必须严格控制顺岸式填海方式,人工岛将成为未来向海洋要地的主要方式。 与传统的依托现有海岸向海推进的围涂造地方式相比,人工岛建设需更加重视海洋水文、海洋动力变化、人工岛与海洋环境的相互影响、海岸地貌演变等多因素。 本文首先调研人工岛现状及发展趋势,了解当前岸滩演变分析预测方法,在此基础上,以具代表性的某在建人工岛为实例,通过海岸地貌、潮流数值模拟、物理模型试验等技术手段阐述人工岛岸滩稳定性的分析方法,得出分析结论,为人工岛设计提供依据。 某人工岛用于滩海石油勘探与开发,海洋环境保护要求严格,工程海域属粉砂质海床,浅滩、深槽、沙脊交错分布,海域地形条件复杂,岸滩稳定存在变化的可能性,而且对曹妃甸深槽的影响也必须重视。因此,必须合理进行平面布置,充分利用现有地形水文条件,注重生态和环境的保护,尽量减少对海域、潮流的影响,达到最优。 本文在分析前已有资料的基础上,对工程海域海洋动力地貌及岸滩稳定性进行初步分析,从宏观上掌握工程区域海洋动力地貌基本特征、冲淤变化、泥沙运动规律、自然状况下岸滩稳定性,并预测工程建设后可能引起的变化。 建立工程区潮流计算数学模型,计算工程建设前后对周边流场及局部流场的影响。模型基本方程为任意曲线坐标系下二维潮流运动基本方程,采用有限差分法,计算网格为交错网格,运用DSI法(Double-Sweep-Implicit Method)求解。对计算区域内滩地干湿过程,采用水位判别法处理,较好地模拟复杂滩地的干湿过程。 开展物理模型试验研究,通过现场资料分析、定床潮流物模试验、波浪潮流整体动床物模试验、波浪动床物模试验等多种研究方法和试验手段,研究人工岛的稳定性。 本文研究成果为工程设计提供了科学依据,特别是对人工岛平面布置、护岛潜堤长度及张角、登陆点前沿水流变化等方面进行了验证,并提出了优化方案。 与一般人工岛采用1～2种研究手段相比,本文采用了海岸地貌演变、数学模型试验、物理模型试验等当前岸滩演变研究领域较先进的的技术手段,各研究方法独立进行、交叉运用、相互佐证,研究结论更加可靠。 由于模型场地的限制以及选沙的需要,整体物理模型往往需要做成变态,但为满足波浪相似条件,模型应做成正态。为解决这一矛盾,本文在定床潮流物模试验、波浪潮流整体动床物模试验时,根据试验内容的不同采用不同的模型比尺,较好地模拟了现场水流、波浪对人工岛岸滩稳定性影响。 本文研究成果已成功应用于某人工岛建设,所采用的研究方法可供类似人工岛工程建设时借鉴。
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- 海洋环境条件联合设计标准
刘德辅 施建刚 王锋
【摘要】：随着海洋开发事业的进展，海洋环境设计标准的选定，已成为决定工程结构安全、造价及合理形式的最主要因素之一。基于海洋环境条件的复杂性、多变性及随机性，惯用的海洋工程设计标准无法考虑多种环境条件联合出现的概率，往往过高地估计环境条件设计标准，造成不必要的浪费。本文以实测和后报资料为基础，按照多维联合概率理论，应用随机模拟技术，研究了作用在海洋工程结构物上的风、浪、流联合荷载及相应的联合概率水平问题，提出了可供工程实践采用的环境荷载联合设计标准。
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- 我国科学家开发出“泊松－混合冈贝尔复合极值分布”预测模式
发布日期：2002年09月23日 浏览人数：18
极端海况预测将更准确 本报讯（记者刘英楠）
海洋灾害性天气往往带来毁灭性破坏，因此对极端海况的准确预测，在工程设计标准的制定上就具有极其重要的意义。最近，由青岛海洋大学海洋防灾研究所研究人员刘德辅、温书勤、王利萍等推导出的“泊松－混合冈贝尔复合极值分布”(PGMCD)预测模式，比较现有计算方法，使用更为方便，结果更加可靠。 随着海洋开发的进展，国内外惯用的海洋工程设计标准往往不能同时满足安全性、经济性两个方面的要求。如何充分利用有限实测资料，全面反映环境条件的统计规律？
近年来，多维联合极值分布理论的实际应用成效日渐引起工程界、学术界的广泛重视。目前惯用的年极值法或阈值法无法充分利用资料信息，不能反映不同海区极端海况(如台风、飓风、寒潮大风等)每年出现频次的概率特征；同时其取样也带有一定主观性，不能表达海况的成因内涵。 事实上，风、浪、暴潮等环境要素的极大值经常出现于台风、寒潮等特殊天气,而这些过程对工程所在海区的影响频次是变化的, 前者可构成连续型多维联合概率分布, 后者则可用离散型分布表达。刘德辅等研究人员综合考虑这二者,推导出二维复合极值分布模型的具体形式之一：PGMCD,并将此模型用于我国东海嵊泗海区风速和波高的联合累计概率和百年一遇设计值的推求, 结果显示该模型确实具有使用方便、结果可靠的优点。
这一研究表明，台风在我国沿岸各个海域每年出现频次符合泊松分布，而台风影响下形成的风、浪、潮、流等因素可用某种连续型概率分布表达，据此，刘德辅等推导出一种新型的极值分布理论模式——多维复合极值分布模式。他们以台风影响下的风速和波高联合概率符合混合冈贝尔二维极值分布为例，推导出PGMCD的表达式，用以推求台风影响下百年一遇或50年一遇波高和风速的联合出现值。结果表明：无论对长期资料系列(如20年数据资料)，还是从中选择不同的12年分段计算，本方法计算结果的相对误差都远小于传统方法的计算误差。
专家介绍，PGMCD理论模式的建立，为进一步建立其他形式的二维，乃至三维复合极值分布打下了基础；这将有别于国外正在进行的多维极值分布理论，在成因上更具物理内涵、抽样上更为科学的一个创新。这一模式的应用，可对美国固定式平台设计规范(API)中某些含混不清的规定，提供确定的计算方法和合理的设计标准。
刘德辅表示，PGMCD模式除可在海洋工程中获得广泛应用外，在防洪工程设计中的洪峰、洪量和洪水历时的联合概率分析中也能得到应用；推广这一模式的应用，将给工程设计的安全、经济效益带来重要改进。
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- 海洋平台长期作业于复杂海况之中 ,海洋环境条件设计标准的选取成为决定平台安全、结构型式以及工程造价的关键因素之一。面对诸多自然因素的作用 ,我国现有海洋工程设计规范采用的标准没能考虑多种环境因素联合出现的概率 ,往往过高估计环境设计条件 ,造成投资成本的增加 ,甚至使得部分边际油田难以开采。2 0世纪 80年代以来 ,海洋工程界逐步认可了基金联合概率的设计标准。例如 ,被国际标准化组织( ISO)认可的标准 APIRP2 A- L RFD( 1 995 ) ,在定义极端条件风速、波高和海流荷载时 ,给出以下三种定义 [1] :( 1 )重现期为一百年的波高及“相应的”风速和海流 ;( 2 )风速、波高和流速的任何“合理”组合 ,其结果得到百年一遇的组合平台响应 ,如基底剪力或倾覆力矩 ;( 3)将百年一遇的风速、百年一遇的流速以及百年一遇的波高进行组合。其中 ,定义 3是推算环境要素设计标准的传统方法 ,即单因素设计法 ,它往往过于保守 ;定义 1中的“相应”一词的意义较模糊 ;定义 2中“任何合理组合”使得不同的设计者有不同理解 ,可能得到完全不同的结果。