晉江濱海新區(qū)護岸越浪量試驗

陳佳琪， 陳國平 ， 高晨晨， 嚴士常

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京210098)

越浪量是指波浪越過沿海建筑物(海堤或護岸等)的水量，通常以平均越浪量表示。越浪量的大小直接關系到堤體和堤后結構的穩(wěn)定安全。目前國內外對越浪量的研究主要集中在直立式海堤和斜坡式海堤兩方面。在對直立式海堤堤頂平均越浪量的研究方面，合田良實方法被廣泛采用［1］。該方法根據不規(guī)則波模型試驗及越浪計算成果繪制了越浪量推算表，通過查表可得不同情況下直立式海堤堤頂越浪量。在對斜坡式海堤堤頂平均越浪量的研究方面，Van der Meer［2］研究了前坡平均坡度、堤前地形及水深變化、平臺寬度及高程、波浪斜向入射角等對越浪量的影響，其越浪量計算公式被歐洲許多國家推薦使用。我國《海港水文規(guī)范》［3］詳細列舉了斜坡堤有無胸墻時，護面結構型式、建筑物前水深、坡度及有效波高等波要素對越浪量的影響。陳國平等［4-5］，以波浪爬高、墻頂超高為2 個主要影響因子，綜合考慮擋浪墻墻頂超高、波要素、平臺結構型式對越浪的影響，大大簡化了越浪量計算公式。

影響越浪量的因素很多［6-12］，主要有海堤的結構型式、海堤堤腳處水深、堤前入射波要素等。其中波向角(θ)為堤前入射波要素中的主要影響因素。在θ 對越浪量的影響研究方面，Owen［13-14］認為光滑斜坡堤上單向波的越浪量在θ ＜30° 時基本不變或可能出現(xiàn)比正向入射時更大的值即所謂“小角度斜向增加”。Franco L［15］考察了單向波中θ 對越浪量的影響，指出θ ＜50°時，隨著θ 的增大，越浪量明顯減小;θ ≥50° 時，隨著θ 的增大，越浪量基本不變。Franco L［16］還指出在多向波的情況下，θ 對越浪量的影響有著非常大的不同。θ ＜20° 時，隨著θ 的增加越浪量基本不變化;θ ≥20° 時，隨著θ 的增大越浪量逐漸減小。

由于影響越浪因素的復雜性及各研究者所選取的海堤斷面結構型式不同，每個經驗公式都有其使用條件。并且關于θ 對越浪量的影響研究資料較少。因此繼續(xù)開展越浪量問題的研究仍然很有必要。

1 物理模型簡介

晉江濱海新區(qū)填海造地工程陸域形成范圍總面積約為42.14 km2，建設外側護岸長17.62 km、內側護岸長45.31 km，外側護岸呈緩S 狀曲線分布，外側護岸東段、中段、西段不同區(qū)段所承受的控制浪向亦不同。尤其是K2～K3段，結構設計采用SSE 向波浪，入射波向與堤軸線幾乎平行。

試驗在河海大學多向不規(guī)則波港池中進行。水槽長60.0 m，寬40.0 m，高1.2 m，港池一端安裝不規(guī)則造波機，另一端設置消波系統(tǒng)，港池四周設置消浪格柵。試驗采用不規(guī)則波，波譜為Jonswap 譜。

晉江濱海新區(qū)護岸結構如圖1 所示。

圖1 晉江濱海新區(qū)護岸結構示意Fig.1 Diagram of Jinjiang Binhai coast revetment structure

由圖1 可以看出，試驗中采用復合式斷面，護岸采用袋裝沙作為堤心，堤頂高程為6.25 m，鋪設0.55 m 厚路面，后坡采用0.40 m 厚的干砌塊石護面。直立式防浪墻頂高程為7.00 m，防浪墻前隨機擺放2 排3T 扭王塊體，呈全掩護形式。在3.95 m 高程處設置長度為10.00 m 的二級平臺，平臺上下坡坡度均為1 ∶2，采用隨機擺放3T 扭王塊體護面，兩層單個質量200 ～300 kg 的塊石作為墊層，在0.06 m高程處采用單個質量300 ～500 kg 的塊石作為壓腳塊石，－ 1.39 m 高程處也采用單個質量200 ～300 kg 的塊石護底，長度為6.80 m。試驗波浪要素見表1。

表1 試驗波浪要素Tab.1 Elements of waves

2 試驗結果及分析

2.1 外護岸前沿相對波高分布

波浪點位布置如圖2 所示。在原始地形情況下，取土區(qū)已經開挖，護岸工程未建。分別測量:100 年一遇潮位、100 年一遇波高下，SSE 波向、S 波向以及設計高潮位、100 年一遇波高下，SSE 波向、S 波向組合情況下的波浪要素分布。相對波高(Hc/Hs)分布如圖3 所示。

由圖3 可以看出，SSE 向波浪作用下，K2～K4段沿堤軸線由東向西相對波高逐漸增大。但K1～K2段SSE 向相對波高沿程略有減小趨勢，主要受局部地形及取土區(qū)開挖影響，折射波浪與入射波疊加引起。S 向波浪作用下，沿堤軸線由東向西相對波高逐步增大。

圖2 護岸前沿波浪點位布置Fig.2 Wave height of the measurement location on revetment

圖3 護岸前沿相對波高分布Fig.3 Distribution of the relative wave height on revetment frontier

2.2 波向角對相對越浪量的影響

在100 年一遇潮位及相應SSE 向波浪組合下，分別取西北護岸K1～K2，K2～K3，K3～K4之間堤段為主要研究對象，采用K2，K3，K4點波浪要素作為代表波浪。護岸后方中部各設置8 個集水槽用以收集越浪，集水槽布置如圖4 和圖5 所示。護岸斷面見圖1，護岸前沿相對波高分布見圖3。

圖6、圖7 分別為100 年一遇潮位及相應SSE 波向下，K2～K3，K3～K4堤段護岸前沿θ 與無因次越浪量(Q/(gHs3)0.5)之間的關系。

末次隨訪時，按照Johner-Wruhs評定標準評定臨床療效見表5。優(yōu)良率UTN組85.19%，LCP組81.82%，UEF組67.74%。一期采用鎖定鋼板內固定治療典型病例見圖1。

圖4 K2 ～K3 堤段槽位布置Fig.4 Measuring location for K2 ～K3

圖5 K3 ～K4 堤段槽位布置Fig.5 Measuring location for K3 ～K4

圖6 K2 ～K3 堤段護岸前沿相對越浪量分布Fig.6 Distribution of the relative overtopping on K2 ～K3 revetment frontier

圖7 K3 ～K4 堤段護岸前沿相對越浪量分布Fig.7 Distribution of the relative overtopping on K3 ～K4 revetment frontier

由圖6 可以看出，當防浪墻墻頂超高Hc/Hs＜1.0，20° ≤θ ＜40° 時，由東向西(槽一～槽八)隨著波向角的增大越浪量明顯減小。θ ＞40° 時，由東向西(槽一～槽八)隨著波向角的增大越浪量先增大，后減小，當θ = 50° 左右時，越浪量達最大值。

2.3 波浪斜向入射對越浪量的影響

分別取西北護岸K1～K2，K2～K3，K3～K4之間堤段為主要研究對象，在100 年一遇潮位及波浪正向入射下，實驗段堤軸線與來波方向垂直。護岸后方中部設置3 個集水槽用以收集越浪，集水槽布置見圖4、圖5。護岸斷面見圖1。

K1～K2，K2～K3，K3～K4堤段，在4.63 m 潮經，10.1 s 平均周期，波浪正向入射與斜向入射下越浪量對比結果見表2。

表2 波浪正向入射與斜向入射下越浪量對比Tab.2 Contrast of overtopping between the forward and oblique incident wave

由表2 可以看出，由于波浪斜向入射，波向和堤軸線夾角較小，相當于作用在護岸上的能量流減小，并且斜向入射波浪在平臺上傳播距離加長，相當于平臺加寬，波浪在平臺上破碎，消耗大量的能量。因此與波浪正向入射試驗結果相比，波浪斜向入射時平均越浪量比正向入射時約小一個數(shù)量級，有的甚至小二個數(shù)量級。

2.4 波向角對越浪量的影響

外護岸前沿取土區(qū)開挖，局部地形的改變，會引起波浪折射，波浪傳播時波向發(fā)生改變。根據波浪數(shù)學模型計算結果(見表3)，高水位時，SSE 向波浪往S 偏轉約10°左右。由于受波浪局部整體物理模型模擬范圍的限制，模型中波向偏轉較小。

為了論證波向偏轉對平均越浪量的影響，文中將SSE 向入射波往S 向偏轉11.25°，進行K2～K3之間堤段越浪量試驗。模型布置、試驗方法同K2～K3堤段。

表3 入射波向與模型范圍內各計算點位波向角Tab.3 Wave direction of the calculated point within the model

波入射角對越浪量的影響如圖8 所示。

圖8 波浪入射角對越浪量的影響Fig.8 Effects of the incident wave angle on overtopping

由圖8 可以看出，波向往S 向偏轉11.25°后，波向角減小11.25°。K2～K3堤段越浪量有所增大，最大增加約15%，但沿線增大幅度不同。東南側θ ＜40°，越浪量增加較多;西北側θ ＞40°，越浪量增加較少。

2.5 斷面試驗與局部整體模型試驗對比

取K2～K3之間堤段為主要研究對象，波浪正向入射，試驗段堤軸線與來波方向垂直。取K2～K3之間斷面，斷面形式見圖1。在100 年一遇潮位及Hs= 3.43 m，T = 10.1 s、墻頂高程7.0 m 和7.5 m下，開展局部整體與斷面物理模型試驗。兩次越浪量對比結果見表4。

表4 越浪量對比成果表Tab.4 Comparison of the overtopping calculated by different formulas

由表4 可以看出，受取土區(qū)開挖影響，沿試驗堤軸線由東向西，靠近開挖區(qū)越近的堤段，由于入射波和開挖區(qū)折射波疊加，波高相對較大，越浪量也較大?？傮w上兩類試驗越浪量大致相當。因此，波浪局部整體物理模型試驗，能較好地反映護岸結構波浪的越浪情況。

2.6 斷面越浪量的公式計算與物模試驗成果比較

在海堤、護岸等海岸工程的設計中，目前多以允許越浪量為控制條件確定堤頂高程。針對海岸工程的越浪量問題，國、內外學者根據大量的物理模型試驗研究成果，提出過多種關于海岸工程越浪量的經驗公式。文中分別用具有代表性的《海港水文規(guī)范》［3］、陳國平［4-5］和Van der Meer［17］公式計算斷面在極端高潮位4.63 m，100 年一遇波高Hs=4.07 m，T = 10.1 s;極端高潮位4.63 m，Hs=3.26 m，T = 9.46 s;潮位4.51 m 和Hs= 3.26 m，T =9.46 s 作用下的越浪量，斷面形式見圖1。并與斷面物模試驗結果對比，具體結果見表5。

表5 斜坡堤越浪量的公式計算與物模試驗結果對比Tab.5 Compartson of the overtopping calculated by formulas and physical experiments on oblique

由表5 可以看出，《海港水文規(guī)范》與Van der Meer 計算偏差較大;Van der Meer 采用無防浪墻最大越浪量公式控制，計算結果與無防浪墻高度時相同，與本文試驗值相比，計算值偏大5 倍左右。《海港水文規(guī)范》未考慮復坡式平臺寬度及平臺上水深的影響，其計算結果與斜坡式相同，與文中試驗值相比，計算值偏大3 倍左右。陳國平公式以波浪爬高和墻頂超高為主要因子，其計算結果與試驗值相比偏小，最大偏差在3 倍以內。

3 結 語

1)針對文中研究案例中，在100 年一遇潮位及相應SSE 向波浪作用下，當Hc/Hs＜1.0，40°≥θ ＞20° 時，隨著波向角的增大，越浪量明顯減小;當Hc/Hs＜1.0，θ ＞40° 時，隨著波向角的增大，越浪量先增大后明顯減小。當波向角增大11.25°，最大越浪量增加15% 左右。

2)在100 年一遇潮位下，對比波浪正向與斜向入射時的越浪量。波浪斜向入射時，入射波浪在平臺上傳播距離加長，波浪在平臺上破碎，消耗大量的能量。因此與波浪正向入射試驗結果相比，顯示波浪斜向入射下平均越浪量比正向入射明顯減小。文中計算結果表明波浪斜向入射下的越浪量比正向入射時小約一個數(shù)量級，有的甚至小二個數(shù)量級。

3)通過試驗結果與典型的經驗公式計算結果比較得出，本工程條件下，陳國平公式計算結果與物理模型試驗值相比偏小，《海港水文規(guī)范》與Van der Meer 公式計算結果與物理模型試驗值相比偏大。

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