海洋結構物設計水深相關概念

在海洋結構物設計中,水深是最基本的環境要素之一,在一定程度上決定著結構物的分類及相應的設計方法。

海洋結構物所在海域水深一般由工程地質勘察單位提供。水深通常是相對于某個基準面的數值,API RP2 MET(2014)規范取平均海平面(M.S.L, mean sea level)或最低天文潮(LAT, lowest astronomical tide)為基準面。之所以選擇基準面,是由于長周期的潮汐現象會帶來海面水位的升降變化,由此會引起不同時刻測量同一點的水深是不相同的,從而影響海洋工程結構物,特別是近岸結構物的設計。

平均海平面,是在一定時間間隔內對海面觀測潮位高度取的平均值,可看作是消除了海洋各種隨機振動和各種周期性波動后得到的理想海面。平均海平面可通過設置驗潮站,對該處水位進行長期的連續觀測記錄后計算得到。由于平均海平面隨時間和地點會發生變化,無法全球統一,因此各個國家通過選擇適合本國國情的驗潮站,用長期驗潮資料確定一個作為自己國家零高程面的平均海平面。1987年5月起,我國開始采用“1985國家高程基準”作為大地高度的起算面,其平均海平面系以青島驗潮站在1952-1979年期間的驗潮觀測記錄數據作為依據計算確定的黃海平均海平面。

在水深測量或編制海圖時,通常采用低于平均海平面的一個面作為海圖深度基準面。海圖是供航海使用的一種專用地圖,在海圖上比較詳細地標繪注有各種與航海有關的材料,如海岸、港灣的形狀,島嶼、障礙物、礁石、淺灘的位置,助航標志的位置等。海圖水深基準面,即海圖及各種水深資料所載水深的起算面,又叫深度基準面。我國1956年以后采用理論深度基準面,即理論上的最低低潮位作為深度基準面,這樣海圖上標注的一般比實際水深小,實際水深等于海圖水深加潮高,有利于保證船舶航行安全。

天文潮(astronomical tides)是海水受引潮力作用而產生的海洋水體的長周期波動現象。海面一次漲落過程中的最高位置稱高潮,最低位置稱低潮。風暴潮(strom surge)是氣象的產物,并與潮汐變化相互重疊。

我國《海港水文規范(2013》中對海洋工程結構物在正常使用條件下的設計高、低水位取值和非正常條件下的極端高、低水位取值都提出了具體要求。對于潮汐作用較強的海港,設計高水位要求取為高潮累積頻率10%或歷時累積頻率1%的潮位,設計低水位要求取為低潮累積頻率90%或歷時累積頻率98%的潮位,可以利用一年或多年的實測潮位資料進行統計計算。而極端高、低水位則要求利用多年的年最高、最低潮位資料,依照海洋工程結構物的重要程度,通過擬合某一極值理論分布曲線以推算到得多年一遇的最高、最低潮位值。規范中,極端高水位要求采用重現期為50年一遇的高、低潮位,并使用連續20年以上的年最高潮位和年最低潮位實測資料進行計算。

在API RP 2MET中,HAT、LAT對應于我國規范中設計高、低水位;而疊加了風暴潮的Highest still water level和Lowest still water level對應于極端高、低水位。

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