深水斜坡堤胸墻波浪力計(jì)算方法研究＊

于定勇，蘇 耀

（中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）

深水斜坡堤胸墻波浪力計(jì)算方法研究＊

于定勇，蘇 耀

（中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）

通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究中國(guó)《海港水文規(guī)范》（JTJ213－98）中斜坡式防波堤頂部胸墻波浪力計(jì)算公式在深水情況下的適用性。試驗(yàn)測(cè)量4種不同水深波浪作用下斜坡堤頂部胸墻的波浪力和作用高度。通過(guò)對(duì)胸墻迎浪面的波浪壓強(qiáng)分布、總水平作用力和波浪作用高度的試驗(yàn)結(jié)果與《海港水文規(guī)范》結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)胸墻迎浪面的實(shí)測(cè)波壓分布不同于規(guī)范采用的均勻分布；規(guī)范計(jì)算得到的總水平力和波浪作用高度均小于實(shí)測(cè)值。本文改進(jìn)規(guī)范中斜坡堤胸墻波浪力計(jì)算方法，使其更適用于深水堤頂部胸墻受力計(jì)算。

深水；斜坡堤；胸墻；波浪力

防波堤是海岸工程中的1種重要水工建筑物，傳統(tǒng)的防波堤型式有斜坡式、直立式和混合式。斜坡堤是防波堤常用型式之一，具有反射波浪弱，對(duì)地基承載力要求較低等優(yōu)點(diǎn)。隨著港口建設(shè)向深水發(fā)展，已出現(xiàn)水深超過(guò)20m防波堤。如日本的大船渡港防波堤，水深為38m；下田港防波堤，水深為42m；釜石港防波堤，水深達(dá)到了63m。葡萄牙錫尼斯港曾建造了最大水深50m、長(zhǎng)2km的斜坡堤；我國(guó)海南某港、上海洋山港導(dǎo)流堤水深都超過(guò)30m；岱山連島堤水深達(dá)到50m。為減輕波浪越浪，通常會(huì)在斜坡堤上設(shè)置直立式胸墻。但防波堤常因胸墻基底淘空、胸墻移位失穩(wěn)而造成破壞［1－2］。因此如何準(zhǔn)確的計(jì)算作用于胸墻上的波浪力是保證防波堤結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)。

目前我國(guó)《海港水文規(guī)范》［3－4］中計(jì)算斜坡堤頂部胸墻波浪力的方法采用了河海大學(xué)研究成果：即將入射波浪在胸墻迎浪面上產(chǎn)生的壓強(qiáng)按沿高度均勻分布處理，在確定平均壓強(qiáng)珚p和波浪作用高度d1＋Z后由公式P＝珚p（d1＋Z）計(jì)算得到胸墻受到的總水平波浪力。但是波浪產(chǎn)生的壓強(qiáng)沿胸墻迎浪面均勻分布的處理并不符合實(shí)際情況，琚烈紅［5］通過(guò)物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直立式胸墻迎浪面上的波浪壓強(qiáng)極大值附近的一定范圍內(nèi)，波浪壓強(qiáng)值變化較小，在這個(gè)范圍外，是波浪破碎后上涌對(duì)胸墻形成的壓強(qiáng)，隨著高度的增加而減小。王穎［6］通過(guò)物理模型試驗(yàn)測(cè)得了胸墻前無(wú)掩護(hù)情況下的波浪力，并與《海港水文規(guī)范》中的方法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示實(shí)測(cè)的波浪力遠(yuǎn)大于規(guī)范的計(jì)算值?！逗８鬯囊?guī)范》中的計(jì)算方法僅適用于胸墻前無(wú)掩護(hù)的情況。柳玉良等［7］對(duì)比了水深較大、在墻前有（無(wú)）掩護(hù)的情況下物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與上述方法計(jì)算水平力的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)防波堤胸墻在半掩護(hù)、全掩護(hù)情況下，水平力實(shí)測(cè)值與規(guī)范計(jì)算值的差異超過(guò)20%。

西班牙的Francisco L.Martin［8］等人在一系列試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上，于1999年提出了1種計(jì)算斜坡堤頂部胸墻波浪遠(yuǎn)破波壓力的方法。他認(rèn)為，當(dāng)波浪在護(hù)面斜坡上破碎后，沖擊到胸墻上的波浪壓強(qiáng)可以分為動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)pd和反射壓強(qiáng)pr。pd和pr都與入射波浪爬高形成的水舌呈線性關(guān)系。這個(gè)計(jì)算斜坡堤胸墻波壓力的方法把波浪力和胸墻前肩臺(tái)的寬度，護(hù)面塊體的種類(lèi)等各種因素聯(lián)系了起來(lái)，考慮的因素比較全面。但是Francisco L.Martin等人只對(duì)利用平行六面體塊體掩護(hù)的情況進(jìn)行了研究，對(duì)于其他型式的護(hù)面塊體的估算方法，還需要進(jìn)一步探討。

目前，我國(guó)的深水防波堤工程不多，對(duì)于在大水深中建設(shè)防波堤的經(jīng)驗(yàn)較少。王美茹［1］在探討深水防波堤設(shè)計(jì)方法時(shí)也強(qiáng)調(diào)目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)深水堤設(shè)計(jì)原則和方法的研究成果還不多。在波浪作用下深水堤與一般防波堤（相對(duì)水淺）相比，作用性質(zhì)、機(jī)理雖然沒(méi)變，但深水堤無(wú)論斜坡式、直立式還是混合式，其斷面型式、尺度和構(gòu)造要求等方面多與一般防波堤有所差別。這些差別或作用規(guī)律及《海港水文規(guī)范》方法在深水中的適用性仍有待進(jìn)一步研究。

本文在物理模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)胸墻迎浪面的壓強(qiáng)分布、總水平力大小、和波浪作用高度測(cè)量結(jié)果，對(duì)比分析了其與《海港水文規(guī)范》方法計(jì)算結(jié)果的差異及產(chǎn)生的原因，探討了規(guī)范方法在深水情況下的改進(jìn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在海軍工程設(shè)計(jì)研究院港灣工程綜合試驗(yàn)研究中心進(jìn)行，水槽長(zhǎng)81.0m，寬1.4m，高2.6m。水槽一端安裝有低慣量直流電機(jī)式不規(guī)則造波機(jī)，造波機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，可模擬正弦波和橢圓余弦波、國(guó)內(nèi)外常用的頻譜以及各種自定義譜，能夠滿足本次試驗(yàn)使用要求，設(shè)備可產(chǎn)生的波高范圍為3～50cm，波周期變化范圍為0.5～5.0s。水槽另一端安裝有消能設(shè)施，其反射率小于5%。水槽寬度方向上分2格，分別為0.8和0.6m，寬度0.6m的一格放置防波堤模型，另一格用于消能以減小波浪的反射作用。試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)的波浪測(cè)試系統(tǒng)DS－30型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該軟件運(yùn)行于WinXP操作系統(tǒng)下，具有使用簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集速度快、精度高、溫度自動(dòng)修正、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

《海港水文規(guī)范》（JTJ213－98）中關(guān)于斜坡堤頂部胸墻上的波浪作用力的計(jì)算公式，適用于胸墻前無(wú)塊體掩護(hù)的情況，因此，為了研究規(guī)范公式的適用性，試驗(yàn)中胸墻前也沒(méi)有放置掩護(hù)塊體。

試驗(yàn)采用規(guī)則波進(jìn)行，試驗(yàn)水深包括4種：25、30、36和42m，入射波高包括3種：6、6.5和7m，入射波浪周期均為8s。

試驗(yàn)在胸墻迎浪面上設(shè)置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，底部設(shè)置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 胸墻上壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）Fig.1 Position of pressure measuring gauges（Unit：cm）

1.3 測(cè)量方法

波浪力的測(cè)量使用DS－30型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、測(cè)力探頭和數(shù)據(jù)采集箱所構(gòu)成。斜坡堤上胸墻各點(diǎn)所受的波浪力由測(cè)力探頭直接測(cè)得，測(cè)力探頭安放在胸墻內(nèi)部，并且使其與胸墻的表面相平。

通過(guò)在胸墻側(cè)面放置鋼尺，并利用攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)過(guò)程的方法得到胸墻迎浪面上波浪的作用高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 胸墻上波浪壓強(qiáng)分布比較

圖2～5給出了入射波高為7m，波浪周期8s時(shí)，4種不同的水深時(shí)《海港水文規(guī)范》方法計(jì)算得到的壓強(qiáng)分布與實(shí)測(cè)的壓強(qiáng)分布。

圖2 水深25m時(shí)胸墻迎浪面波壓強(qiáng)分布比較（單位：kPa）Fig.2 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

圖3 水深30m時(shí)胸墻迎浪面波壓力分布實(shí)測(cè)值和計(jì)算值（單位：kPa）Fig.3 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

圖4 水深36m時(shí)胸墻迎浪面波壓力分布實(shí)測(cè)值和計(jì)算值（單位：kPa）Fig.4 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

圖5 水深42m時(shí)胸墻迎浪面波壓力分布實(shí)測(cè)值和計(jì)算值（單位：kPa）Fig.5 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

表1 胸墻迎浪面波浪力作用高度及總水平波壓力Table 1 Comparison of measured and calculated Fx

《海港水文規(guī)范》在計(jì)算斜坡堤上胸墻迎浪面所受到的波壓力時(shí)假設(shè)其沿胸墻高度是均勻分布的，但是由圖2～5的實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)斜坡堤上胸墻迎浪面所受到的波壓力并非均勻分布。胸墻在靜水位附近有一個(gè)波浪作用的主要區(qū)域，該區(qū)域受到入射波浪的直接沖擊，因此產(chǎn)生的波浪作用力較大，且變化較小。該波浪作用主要區(qū)域的范圍，規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同，在這個(gè)區(qū)間，規(guī)范計(jì)算的平均壓強(qiáng)值珚p與實(shí)測(cè)值相差較小。

在該主要作用區(qū)域以上，還有一個(gè)波浪力的衰減區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里，波浪力會(huì)隨著高度的增加而明顯減小。這是因?yàn)?，在這個(gè)波浪力的衰減區(qū)域，雖然胸墻也受到入射波浪的作用，但是波浪力是由波浪沖擊胸墻后爬升，以及波浪的濺射所形成的，所以波浪力較小，而且隨著高度的增加而減小。由表1亦可見(jiàn)胸墻迎浪面的波浪作用高度的實(shí)測(cè)值與規(guī)范計(jì)算結(jié)果差異較大。

2.2 胸墻上總水平波壓力比較

從表2、3、4可知隨著水深的增加，胸墻迎浪面上受到的水平波壓力Fx在不斷增加，這種波浪力隨著水深增加而增大的趨勢(shì)與《海港水文規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果一致。

但是，入射波高和堤前水深相同時(shí)，胸墻受到的水平波壓力Fx的計(jì)算結(jié)果小于實(shí)測(cè)結(jié)果，兩者的差值又隨著入射波高的增加而增大。當(dāng)入射波高為6m時(shí)，差值在10%～20%；入射波高為6.5m時(shí)，差值在20%～30%；入射波高為7m時(shí)，差值在30%～40%。

表2 H＝6m，T＝8s時(shí)水平波壓力Fx比較Table 2 Comparison of measured and calculated Fx（H＝6m，T＝8s）

表3 H＝6.5m，T＝8s時(shí)水平波壓力Fx比較Table 3 Comparison of measured and calculated Fx（H＝6.5m，T＝8s）

表4 H＝7m，T＝8s時(shí)水平波壓力Fx比較Table 4 Comparison of measured and calculated Fx（H＝7m，T＝8s）

在波浪的主要作用區(qū)域，規(guī)范計(jì)算的平均壓強(qiáng)值與實(shí)測(cè)值差異不大，總水平波壓力的規(guī)范計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果差異較大的原因是規(guī)范相關(guān)公式計(jì)算得到的入射波浪在胸墻迎浪面上的作用高度偏小。

3 對(duì)《海港水文規(guī)范》方法的改進(jìn)

本文依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)《海港水文規(guī)范》方法進(jìn)行了改進(jìn)：

將入射波浪在斜坡堤胸墻上的作用力計(jì)算分成2部分（見(jiàn)圖6）。

第1部分是波浪作用的主要區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域入射波浪直接沖擊胸墻，波浪在胸墻迎浪面上產(chǎn)生的壓強(qiáng)值較大，且變化較小。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，壓強(qiáng)的大小和分布與《海港水文規(guī)范》（JTJ213－98）中的方法計(jì)算得到的結(jié)果相同，即從胸墻的底面高程向上d1＋z（d1＋z為波浪作用高度）的范圍內(nèi)，波浪壓強(qiáng)為均勻分布，壓強(qiáng)與《海港水文規(guī)范》（JTJ213－98）中方法計(jì)算得到的平均壓強(qiáng)珚p基本一致。

第2部分是波浪力的衰減區(qū)域，它在波浪作用的主要區(qū)域上方，區(qū)域范圍大小與波浪作用的主要區(qū)域相同，也是d1＋z，壓強(qiáng)分布為三角形分布，壓強(qiáng)由珚p向上線性減小到0。

圖6 修正后的壓強(qiáng)分布圖Fig.6 Wave pressure distribution on the crown wall

表5給出了入射波高為6.5m時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果和規(guī)范方法改進(jìn)前、后計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。由該表可見(jiàn)本文提出的改進(jìn)方法，在考慮了《海港水文規(guī)范》（JTJ213－98）方法中未考慮的波浪力衰減區(qū)域的波浪作用后計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)值更接近。

4 結(jié)論

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)測(cè)量了4種不同水深、3種不同波高，波浪作用下斜坡堤頂部胸墻的波浪力、作用高度，給出了不同情況下波浪作用的分布，對(duì)比分析了其與《海港水文規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果存在的差異及產(chǎn)生的原因，并對(duì)規(guī)范方法進(jìn)行了改進(jìn)。

表5 改進(jìn)前后的計(jì)算結(jié)果對(duì)比（H＝6.5m）Table 5 Comparison of results obtained by code method and modified method

（1）對(duì)比分析結(jié)果表明在水深較大情況下利用現(xiàn)行《海港水文規(guī)范》中相關(guān)公式計(jì)算得到的胸墻迎浪面的壓強(qiáng)分布形式、總水平波浪力大小和波浪的作用高度都與實(shí)測(cè)結(jié)果有差異。

（2）規(guī)范方法將胸墻迎浪面的波浪壓強(qiáng)處理為均勻分布，但試驗(yàn)結(jié)果顯示波壓強(qiáng)在胸墻迎浪面的靜水位附近有一個(gè)波浪的主要作用區(qū)域，在該區(qū)域中波浪力較大，而且變化較小。在其上的區(qū)域波浪力隨著在作用點(diǎn)高度的增加而減小，且衰減較快。

（3）由規(guī)范中公式得到的波浪作用高度小于實(shí)測(cè)值，規(guī)范中的計(jì)算方法沒(méi)有考慮波浪衰減區(qū)域，這導(dǎo)致了計(jì)算得到的總水平波浪力偏小，其差值隨著入射波高的增加而增加。

（4）本文提出了1種計(jì)算斜坡堤胸墻波浪力的改進(jìn)方法，該方法計(jì)算得到的胸墻波浪力比《海港水文規(guī)范》方法得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)值更接近。

［1］ 王美茹.深水防波堤設(shè)計(jì)方法初探［J］.港工技術(shù)，2010，47（3）：1－7.

［2］ 李炎保，吳永強(qiáng)，蔣學(xué)煉.國(guó)內(nèi)外防波堤損壞研究進(jìn)展評(píng)述［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2004，（006）：53－56.

［3］ 交通部，港口工程技術(shù)規(guī)范［S］，JTJ213－87.北京：人民交通出版社，1988.

［4］ 交通部，海港水文規(guī)范［S］，JTJ213－98.北京：人民交通出版社，1998.

［5］ 琚烈紅.典型胸墻的波浪力和越浪量物理模型試驗(yàn)與分析［D］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2004.

［6］ 王穎.弧形防浪墻波浪力的試驗(yàn)研究，［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［7］ 柳玉良，韓炳辰，李玉龍.斜坡式防波堤護(hù)面對(duì)胸墻波浪力的影響［J］.水運(yùn)工程，2010，（8）：36－38.

［8］ Martin F L，Losada M A，Medina R.Wave loads on rubble mound breakwater crown walls［J］.Coastal Engineering，1999，37（2）：149－174.

Study on Calculation Method for Wave Loads on Deep Water Breakwater Crown Wall

YU Ding－Yong，SU Yao
（College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on experimental results，this paper analyzes the suitability of Code method to calculate wave loads in deep water.Wave loads on crown wall of rubble mound breakwater and their action heights are measured for 4different water depths and 3different wave heights.Comparisons are carried out between the measured results and the obtained results by the Code.It is shown that differences exist for the wave pressure distribution，the value of wave loads and their action heights.The measured wave pressure distribution is no longer uniform，the values of wave loads and their heights are larger than the Code's results.A modification of the Code's method is made so as to make the Code's method more suitable for deep water.

deep water；rubble mound breakwater；crown wall；wave loads

P751

A

1672－5174（2012）1－2－136－05

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2008GGB01099）資助

2011－05－03；

2011－07－04

于定勇（1964－），男，博士，教授，主要從事海岸工程水動(dòng)力方面的研究。E－mail：dyyu01＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超