不規(guī)則波作用下斜坡堤越浪量試驗(yàn)研究

周 雅，林登榮，李慶銀，陳國(guó)平，嚴(yán)士常

（1.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.溫州甌飛圍墾管理委員會(huì)，溫州325000；3.黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局，濟(jì)南250100）

不規(guī)則波作用下斜坡堤越浪量試驗(yàn)研究

周 雅1，林登榮2，李慶銀3，陳國(guó)平1，嚴(yán)士常1

（1.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.溫州甌飛圍墾管理委員會(huì)，溫州325000；3.黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局，濟(jì)南250100）

考慮允許部分越浪對(duì)海堤設(shè)計(jì)十分重要。通過(guò)具體工程波浪斷面物理模型試驗(yàn)，研究了不同波要素和斷面尺度對(duì)斜坡堤越浪量的影響，比較了隨機(jī)、規(guī)則兩種扭王字塊體擺放型式的消浪效果。結(jié)果表明：堤頂超高對(duì)越浪量的影響最大，隨著相對(duì)堤頂超高的增大，越浪量呈指數(shù)形式遞減。肩臺(tái)及平臺(tái)寬度和波陡對(duì)越浪量也有影響，相對(duì)肩臺(tái)及平臺(tái)寬度越大，越浪量越小；波陡越大，越浪量越小。護(hù)面層空隙率相同的不同扭王字塊體擺放型式下，斜坡堤越浪量基本相同。典型越浪量公式計(jì)算值與文章試驗(yàn)值相比都偏小，陳國(guó)平公式計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

不規(guī)則波；斜坡堤；平均越浪量

波浪作用在海堤上上爬越過(guò)堤頂會(huì)產(chǎn)生越浪，單位時(shí)間單位堤寬上越過(guò)的平均水量稱為平均越浪量。理論上講，只要堤頂足夠高，越浪是可以避免的。但一方面，海堤按照完全不允許越浪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造往往不經(jīng)濟(jì)；同時(shí)，由于當(dāng)?shù)氐鼗幚項(xiàng)l件不具備或雖經(jīng)處理仍達(dá)不到地基承載力要求時(shí)，堤身高度會(huì)受到限制；另一方面，由于設(shè)計(jì)水位及波浪要素的不確定性，特別是在風(fēng)暴潮作用下，越浪量會(huì)大大增加，對(duì)海堤造成破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重后果［1］。因此考慮允許部分越浪對(duì)海堤設(shè)計(jì)十分重要。

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)越浪量進(jìn)行了大量研究：1955～1958年T.Saville［2-3］進(jìn)行了規(guī)則波作用下斜坡堤越浪量物模試驗(yàn)；1965年Yuichi Iwagaki［4］研究了水深和波高對(duì)越浪量的影響；1980～1991年Owen［5-7］針對(duì)簡(jiǎn)單斜坡堤和帶肩臺(tái)的斜坡堤進(jìn)行了較為系統(tǒng)的越浪量試驗(yàn)并給出了不規(guī)則波平均越浪量計(jì)算公式。國(guó)內(nèi)學(xué)者中2005年陳國(guó)平［8］通過(guò)具體工程越浪試驗(yàn)提出斜坡上越浪量不僅與護(hù)面類型有關(guān)，還與護(hù)面消浪結(jié)構(gòu)所處位置有關(guān)；2006年范紅霞［1］采用最普通的典型斷面進(jìn)行系列物模試驗(yàn)，分析了影響越浪量的各種參數(shù)，建立了適用于我國(guó)海堤結(jié)構(gòu)型式的平均越浪量計(jì)算公式，并結(jié)合收集到的試驗(yàn)資料提出對(duì)具體工程進(jìn)行計(jì)算時(shí)的應(yīng)用建議；2010年陳國(guó)平［9］采用波浪爬高和堤頂超高兩個(gè)主要因子研究了海堤越浪量的變化規(guī)律，并根據(jù)越浪量對(duì)堤后不同防護(hù)情況下的沖刷破壞情況提出了允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)；2014年常江［10］探討了斜坡堤堤頂寬度對(duì)越浪量的影響機(jī)理，分析并給出了堤頂寬度對(duì)越浪量衰減系數(shù)的影響關(guān)系式。從前人研究成果中可以看出，斜坡堤越浪過(guò)程十分復(fù)雜，影響因素眾多，各家公式、各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都有自己的適用范圍和局限性，公式計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值存在較大差異，因此繼續(xù)開(kāi)展斜坡堤越浪量問(wèn)題研究十分必要。本文基于前人結(jié)論通過(guò)具體工程波浪斷面物理模型試驗(yàn)對(duì)斜坡堤越浪量做了進(jìn)一步研究。

1試驗(yàn)概況

1.1設(shè)計(jì)斷面和工況

工程設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。迎浪面堤腳為-7.6 m，堤腳采用挖入置換拋石棱體保護(hù)，棱體底高程為-10.43 m，迎浪面設(shè)置1：1.5斜坡，斜坡上采用20 t扭王字塊體護(hù)面，6.2 m高程處設(shè)置肩臺(tái)，肩臺(tái)上采用20 t扭王字塊體護(hù)面，起到掩護(hù)擋浪墻的作用，扭王字塊體寬度為5.9 m，頂高程為8.87 m，堤頂設(shè)置直立式擋浪墻，擋浪墻頂高程為9.3 m。斷面二與斷面一相比，堤身結(jié)構(gòu)型式不變，相對(duì)位置后移了100 m，肩臺(tái)高程降為2.63 m，肩臺(tái)上扭王字塊體頂高程降為5.3 m，堤頂設(shè)置直立式帶挑檐擋浪墻，擋浪墻頂高程降為8.5 m。斷面三與斷面一相比主要區(qū)別在于平臺(tái)高程降為2.63 m，扭王字塊體頂高程降為5.3 m，平臺(tái)后接一個(gè)1：1.5斜坡，6.33 m高程處設(shè)置肩臺(tái)，肩臺(tái)上扭王字塊體頂高程為9 m，擋浪墻頂高程為9.5 m。工程設(shè)計(jì)斷面四迎浪面堤腳棱體底高程為-8 m，迎浪面設(shè)置1：2.5斜坡，斜坡基礎(chǔ)為礫石混砂，上面鋪設(shè)土工布，再施工墊層塊石及護(hù)面結(jié)構(gòu)。斜坡上采用1 t扭王字塊體護(hù)面，扭王字塊體隨機(jī)擺放，肩臺(tái)上扭王字塊體寬度為2.55 m，頂高程為5.28 m，擋浪墻頂高程也為5.28 m。斷面五與斷面四相比主要區(qū)別在于-8 m平臺(tái)前接一個(gè)1：2.5的斜坡，-8.0 m平臺(tái)以下，采用0.6 m×0.6 m×0.4 m混凝土塊體護(hù)面，隨機(jī)安放2層，迎浪面堤腳棱體底高程為-15.65 m。

圖1 設(shè)計(jì)斷面Fig.1 Test section

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在河海大學(xué)風(fēng)浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)80 m、寬1.0 m、高1.5 m。水槽縱向分為兩部分，寬度都為0.5 m，一部分鋪設(shè)試驗(yàn)斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。

試驗(yàn)不規(guī)則波波譜為JONSWAP譜，譜峰升高因子g取3.3，波高及水舌厚度采用電容式波高儀和DJ800多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集，越浪量采用集水稱重法量測(cè)。模型按正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)合波要素、試驗(yàn)斷面及設(shè)備性能等因素，確定斷面一～三模型長(zhǎng)度比尺為λ=35，斷面四、五模型長(zhǎng)度比尺為λ=20。本文試驗(yàn)具體工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)組合Tab.1 Schemes of test

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)前人研究成果及試驗(yàn)觀察，本文重點(diǎn)分析有效波高Hs、平均周期T，堤頂超高Rc、設(shè)置的肩臺(tái)及平臺(tái)寬度l和扭王擺放型式（通過(guò)坡面糙滲系數(shù)γf來(lái)表示）對(duì)斜坡堤越浪量的影響。綜合考慮這些因素并運(yùn)用π定理得到越浪量的無(wú)因次表達(dá)式

2.1堤頂超高對(duì)斜坡堤越浪量的影響

堤頂超高是指堤頂高程與靜水位之間的垂直高度差。圖2為相對(duì)堤頂超高Rc/Hs與無(wú)因次越浪量之間的關(guān)系。從圖中可以看出，堤頂超高對(duì)越浪量影響顯著隨Rc/Hs的增加呈指數(shù)形式遞減。這是因?yàn)樵诓ɡ伺c建筑物相互作用的過(guò)程中，波浪的能量一部分被反射波帶走，一部分被底摩阻消耗，還有一部分產(chǎn)生爬高轉(zhuǎn)化為勢(shì)能［11］。當(dāng)Rc/Hs較小時(shí)，隨著堤頂超高的增加，波浪爬高距離加長(zhǎng)，波浪能中被護(hù)面塊體消耗和轉(zhuǎn)化為勢(shì)能的能量增加，導(dǎo)致越浪量急劇減??；當(dāng)Rc/Hs較大時(shí)，斜坡堤越浪量已經(jīng)很小，但由于不規(guī)則波的隨機(jī)性，在一個(gè)不規(guī)則波波列中偶爾仍會(huì)有一個(gè)或幾個(gè)大波產(chǎn)生越浪，因此越浪量隨堤頂超高增大緩慢減小。

2.2肩臺(tái)及平臺(tái)寬度對(duì)斜坡堤越浪量的影響

圖2 堤頂超高對(duì)越浪量的影響Fig.2 The influence of superelevation of seawall top to wave overtopping

海堤設(shè)計(jì)中通常在迎浪面斜坡上設(shè)置肩臺(tái)和平臺(tái)，二者既可供施工使用，又有消浪效果。根據(jù)海岸動(dòng)力學(xué)［12］理論，波浪能量主要集中在表層水體內(nèi)。因此，本文斷面二單坡肩臺(tái)和斷面三復(fù)坡平臺(tái)都設(shè)在設(shè)計(jì)水位上下半倍波高范圍內(nèi)以達(dá)到最好的消浪效果，減小波浪的爬高和越浪。圖3為相對(duì)肩臺(tái)及平臺(tái)寬度l/Hs與無(wú)因次越浪量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著肩臺(tái)及平臺(tái)寬度的增加，消浪距離變長(zhǎng)，波浪能量耗散增加隨著l/Hs的增大出現(xiàn)明顯減小。

圖3 肩臺(tái)及平臺(tái)寬度對(duì)越浪量的影響Fig.3 The influence of the width of shoulder platform and platform to wave overtopping

2.3波陡對(duì)斜坡堤越浪量的影響

波高和波長(zhǎng)之比稱為波陡。圖4為波陡Hs/L與無(wú)因次越浪量之間的關(guān)系，圖中給出了斷面四在坡度m=1.5和m=2.5兩種工況下隨Hs/L的變化曲線。從圖中可以看出，兩種坡度下都隨Hs/L的增大而減小，且m=2.5時(shí)的越浪量小于m=1.5時(shí)的越浪量。

圖4 波陡對(duì)越浪量的影響Fig.4 The influence of wave steepness to wave overtopping

圖5 擺放效果圖Fig.5 Displacement results

波浪自深水向岸邊傳播時(shí)，波長(zhǎng)漸短，波高隨水深減小開(kāi)始時(shí)略有減小，但當(dāng)傳播到一定淺水后，波高迅速增大，波浪因波陡達(dá)到極限失去穩(wěn)定而產(chǎn)生破碎［12］。試驗(yàn)中可以觀察到，本文不同波要素條件下，波浪在斜坡上基本都呈卷破波波態(tài)，波浪已嚴(yán)重破碎，隨著波陡的增大波浪破碎加劇，因此越浪量隨波陡的增大而減小。m=2.5的斜坡與m=1.5的斜坡相比，越浪過(guò)程中波浪爬高距離更長(zhǎng)，能量耗散更多，因此越浪也更小。

2.4扭王字塊體擺放型式

本文對(duì)斷面五進(jìn)行了扭王字塊體擺放型式對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)中兩種工況+1.15 m高程以下到-8 m平臺(tái)扭王字塊體均為隨機(jī)擺放，+1.15 m高程以上到擋浪墻前扭王字塊體分別按隨機(jī)和規(guī)則兩種擺放型式進(jìn)行擺放。扭王字塊體的擺放型式按照The Rock Manual［13］的相關(guān)規(guī)定，換算到原型后，模型中隨機(jī)擺放型式的扭王字塊密度為113塊/100 m2，規(guī)則擺放型式的扭王字塊密度為115塊/100 m2，擺放效果見(jiàn)圖5。

表2為不同扭王字塊體擺放型式下的越浪量試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出，不同潮位、波要素條件下，兩種擺放型式的斜坡堤越浪量基本相同。

表2 不同扭王字塊體擺放型式下的越浪量試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of wave overtopping in different displacement of accordpod

表3 公式計(jì)算值與物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of the overtopping calculated by formulas and physical experiments

《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》［14］中給出了斜坡堤護(hù)面層人工塊體個(gè)數(shù)公式

此中：N為人工塊體個(gè)數(shù)，個(gè)；A為垂直于厚度的護(hù)面層平均面積，m2；n′為護(hù)面塊體層數(shù)，層；c為塊體形狀系數(shù)；P′為護(hù)面層的空隙率（％），斜坡堤上隨機(jī)安放一層扭王字塊體時(shí)，護(hù)面塊體空隙率為50％；γb為護(hù)面塊體的重度，kN/m3；W為單個(gè)塊體的穩(wěn)定重量，t。

根據(jù)式（2），由前文所述兩種擺放密度可計(jì)算得到斜坡堤上規(guī)則安放一層扭王字塊體時(shí)，護(hù)面塊體空隙率為49％。前人研究表明，護(hù)面塊體對(duì)越浪的影響包括增大糙率和增加滲透水量?jī)蓚€(gè)方面［1］。一方面，兩種擺放型式都是針對(duì)扭王字塊體；另一方面，經(jīng)過(guò)計(jì)算兩種擺放型式護(hù)面層空隙率也基本相同，因此本文兩種扭王擺放型式下越浪量試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3現(xiàn)有越浪量公式計(jì)算比較

本文選取陳國(guó)平公式、《海港水文規(guī)范》公式［15］以及歐洲廣泛認(rèn)可的Van der meer公式［16］對(duì)部分符合條件工況下的越浪量進(jìn)行了計(jì)算，具體結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出，各方法計(jì)算的越浪量隨堤頂超高的變化趨勢(shì)與前述規(guī)律相同，都隨堤頂超高的增大而減小。各家公式計(jì)算值與試驗(yàn)值相比都偏小，陳國(guó)平公式計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。

4結(jié)論

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)不規(guī)則波作用下斜坡堤越浪量與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：對(duì)斜坡堤越浪量影響最大的因素為堤頂超高，無(wú)因次越浪量隨相對(duì)堤頂超高Rc/Hs的增加呈指數(shù)形式遞減。肩臺(tái)及平臺(tái)寬度l，波陡Hs/L，坡面糙滲系數(shù)γf也是重要的影響因子。隨著相對(duì)肩臺(tái)及平臺(tái)寬度l/Hs的增加斜坡堤上消浪距離變長(zhǎng)越浪量減小。隨著波陡Hs/L的增加波浪破碎程度加劇，波浪能量耗散增大，越浪量也呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。護(hù)面不同扭王擺放型式下，護(hù)面層空隙率相同時(shí)，斜坡堤上越浪量也基本相同。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有越浪量公式的計(jì)算比較得出，各家公式計(jì)算值與本文試驗(yàn)值相比都偏小，陳國(guó)平公式計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。

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Experimental research of wave overtopping on sloping dike under irregular waves

ZHOU Ya1,LIN Deng?rong2,LI Qing?yin3,CHEN Guo?ping1,YAN Shi?chang1
(1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Wenzhou Oufei Reclamation Management Committee, Wenzhou 325000,China;3.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau of the Yellow River Water Conservancy Committee,Jinan 250100,China)

Considering allowable part wave overtopping is very important to the design of seawall.The influ?ence of different wave situations and size of seawall on wave overtopping was investigated in this paper,and the wave absorbing effects of the random displacement of accordpod were also compared with the rule one through phys?ical model test of concrete engineering.The results show that:the influence of superelevation of seawall top to wave overtopping is the largest.Wave overtopping decreases at an exponent function with the increase of relative superel?evation of seawall top.Wave steepness and the width of shoulder platform and platform also have certain influence. Wave overtopping decreases with the increase of width of shoulder platform and platform and also decreases with the increase of wave steepness.Under the condition of the same void fraction,wave overtopping on sloping dike is al?most the same in different displacement of accordpod.Overtopping calculated by several formulas is smaller than ex?perimental values.Chen Guo?ping′s results are more accurate.

irregular waves;sloping dike;average wave overtopping

TV 139.2+5

A

1005-8443（2016）04-0331-05

2016-02-01；

2016-03-29

周雅（1992-），男，江蘇省揚(yáng)州人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑物相互作用方向研究。Biography：ZHOU Ya(1992-),male,master student.