不同型式斜坡堤弧形胸墻波浪壓力的試驗研究

李雪艷，王慶，范慶來，王崗

（1.魯東大學 海岸研究所，山東 煙臺 264025；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

不同型式斜坡堤弧形胸墻波浪壓力的試驗研究

李雪艷1，王慶1，范慶來1，王崗2

（1.魯東大學 海岸研究所，山東 煙臺 264025；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

本研究設計前仰式、深弧式和后仰式3種弧形胸墻以及直立式胸墻進行物理模型試驗，通過安裝在胸墻迎浪面上的壓力傳感器測量所受波浪壓力，討論不同型式斜坡堤弧形胸墻迎浪面所受波浪壓力的分布規(guī)律及其影響因素。試驗結果表明：弧形胸墻迎浪面所受波浪壓力隨著測點高程的增大呈現(xiàn)振蕩減小的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在弧頂處。隨著入射波周期的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢。相同波浪要素條件下，斜坡堤弧形胸墻波浪壓力大于直立式胸墻波浪壓力；而在斜坡堤弧形胸墻中，后仰式胸墻波浪壓力較前仰式和深弧式的大。

弧形胸墻；波浪壓力；斜坡堤；試驗研究

斜坡堤作為防波堤的一種主要結構型式，具有對波浪反射弱、對地基不均勻沉降不敏感、施工較簡單等優(yōu)點，在海岸及近海工程中得到廣泛的應用（張金牛等，2014；Jensen et al，2014）。防波堤除了具有防御波浪侵襲（劉必勁等，2015；楊家軒等，2015）、維護港內(nèi)水域平穩(wěn)的基本作用外，堤頂用作通道或堤內(nèi)兼作碼頭的情況下，通常在堤頂設置胸墻。胸墻的穩(wěn)定性直接影響著其后方掩護水域以及工程設施的安全，因此研究胸墻所受波浪壓力，分析不同結構型式胸墻受力的特點具有重要意義。

國內(nèi)外學者對胸墻結構開展了大量的研究工作，主要集中于直立式胸墻的作用力和越浪量（張九山等，2006；曾婧揚等，2013；張金牛等，2014；Tuan et al，2010，2013，2014；N?rgaard et al，2013），并提出了帶有直立式胸墻斜坡堤波浪力和越浪量的計算方法（李昌良等，2008；周勤俊等，2005；郭立棟等，2014）。而針對其他結構型式胸墻的研究還不多見。雖有學者針對弧形胸墻受力和越浪做過相關研究（Anand et al，2010；李玉龍等；2010；王穎 等，2007；李雪艷 等，2013），但大部分是針對單一直立堤或斜坡堤的弧形胸墻開展。本文將以4種不同結構型式的胸墻為對象，探討其迎浪面所受波浪壓力的分布規(guī)律和影響因素，為工程設計提供理論依據(jù)。

1 試驗設計

試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室溢油水槽中進行，水槽尺寸為23 m×0.8 m× 0.8 m，造波周期為0.5～3.0 s。胸墻測點的波浪壓強采用天津水運科學研究所生產(chǎn)的SG-2000型多點壓力測量系統(tǒng)進行測量，壓力傳感器的自振頻率為500 Hz，采樣間隔為0.003 s。斜坡堤胸墻放置在水槽的末端，距消能網(wǎng)約1 m處（圖1）。

圖1 弧形胸墻斷面布置示意圖

本文共設計前仰式、深弧式和后仰式3種弧形胸墻結構（圖2），進行相關的物理模型試驗。作為對比，同時考慮了直立式胸墻。胸墻結構采用有機玻璃制作，圓弧部分的高度為12 cm，圓弧上部距離胸墻頂1 cm。前仰式、深弧式和后仰式胸墻的圓弧半徑分別為11 cm，7 cm和8 cm；圓心到胸墻圓弧起點的垂直距離分別為4 cm，6 cm和7 cm（圖2）。斜坡堤堤身高40 cm，寬80 cm，采用石子砌筑。選定斜坡坡度為1.75，護面采用重約0.5kg的扭王字塊體規(guī)則排列，保證波浪作用時斜坡不受損壞；護面塊體下方為9～14 g的塊石（圖3）。壓力傳感器間隔布置于胸墻迎浪面中心線兩側，其邊緣距離中心線0.5 cm，自下而上進行編號（圖3），具體坐標值列于表1。

試驗的入射波浪為規(guī)則波，入射波高H分別為6cm、8cm、10cm和12cm，周期T分別為1.0s、1.2s、1.5 s、1.8 s和2.0 s，試驗水深d分別為40 cm和45 cm。每一個胸墻模型不同水深、波高和周期進行組合，共確定40個試驗組次，每個組次至少重復試驗3次。

圖2 胸墻結構示意圖

圖3 胸墻模型照片

表1 不同胸墻壓力測點的坐標值（水槽底部至測點的距離）

2 試驗結果

2.1胸墻波浪壓力歷時曲線

圖4給出了水深d=40 cm，周期T=1.2 s，波高H=12 cm時，前仰式、深弧式、后仰式、和直立式4種不同結構型式胸墻迎浪面上4#測點處波浪壓力歷時曲線。

2.2入射波高對波浪壓力的影響

周期一定（T=1.2 s）條件下，4種結構型式胸墻波浪壓力均隨著入射波高的增大而增大，隨著測點高程的增大呈現(xiàn)不同的變化趨勢（圖5）。不同波高下，水深d=40 cm時，前仰式與深弧式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大振蕩減小。前仰式胸墻波浪壓力極值發(fā)生在1#或2#測點附近，深弧式胸墻波浪壓力極值發(fā)生在3#測點附近。后仰式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先增大后減小，極值發(fā)生在3#測點附近。直立式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大近似線性減小，極值發(fā)生在1#測點附近（圖5）。

不同波高下，水深d=45 cm時，前仰式與深弧式胸墻波浪壓力均隨著測點高程的增大先增大后減小。具體而言，波高H=10cm，12cm作用時，兩種胸墻波浪壓力的振蕩現(xiàn)象較波高H=6 cm，8 cm作用時顯著。此外，前仰式胸墻4#測點以上高程波浪壓力的振蕩現(xiàn)象較其以下顯著，而深弧式胸墻與之相反。兩者波浪壓力極值均發(fā)生在4#測點附近。后仰式胸墻波浪壓力隨測點高程的增大變化不同。具體而言，波高H=6 cm，8 cm作用時，波浪壓力隨著測點高程的增大先緩慢增大后快速減小。波高H=10 cm，12 cm作用時，波浪壓力隨著測點高程的增大呈現(xiàn)增大—減小—增大—減小的變化趨勢。小波高作用時，極值發(fā)生在4#測點附近，而大波高作用時，極值發(fā)生在5#測點附近。直立式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先近似線性增大后近似線性減小，極值發(fā)生在3#測點附近（圖5）。

圖4 不同結構型式胸墻4#測點波浪壓力歷時曲線（d=40 cm，T=1.2 s，H=12 cm）

圖5 不同結構型式胸墻在不同波高下波浪壓力垂向分布實測結果

2.3入射波周期對波浪壓力的影響

波高一定（H=8 cm）條件下，4種結構型式胸墻波浪壓力隨著入射波周期的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢（圖6），主要由于波浪與胸墻之間存在沖擊作用（圖4），不同周期波浪對胸墻的沖擊效果不同。不同周期下，水深d=40 cm時，前仰式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大振蕩減小。周期T=1.0 s，1.2 s時波浪壓力的振蕩現(xiàn)象較周期T=1.5 s，1.8 s，2.0 s時顯著。深弧式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大振蕩減小，尤以周期T=1.0 s，1.2 s時的振蕩現(xiàn)象最為顯著。此外，深弧式胸墻4#測點以下高程波浪壓力的振蕩現(xiàn)象較其以上高程顯著。后仰式胸墻波浪壓力在周期T= 1.0 s，1.2 s時振蕩減小，周期T=1.5 s，1.8 s，2.0 s時近似線性減小。直立式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大近似線性減小（圖6）。

不同周期下，水深d=45 cm時，前仰式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先緩慢增大后快速減小。深弧式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先振蕩增大后振蕩減小，周期T=1.0 s，1.2 s時波浪壓力較T=1.5 s，1.8 s，2.0 s時的振蕩現(xiàn)象更為顯著，且深弧式胸墻4#測點以下高程波浪壓力的振蕩現(xiàn)象較其以上高程顯著。后仰式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大呈現(xiàn)增大—減小—增大—減小的變化趨勢。直立式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先近似線性增大后近似線性減小（圖6）。

2.4胸墻結構型式對波浪壓力的影響

不同波浪要素條件下，不同結構型式胸墻迎浪面所受波浪壓力呈現(xiàn)不同的分布特性，且胸墻所受波浪壓力大小也存在顯著差異?；⌒涡貕Σɡ藟毫γ黠@大于直立式胸墻波浪壓力。在弧形胸墻結構中，前仰式胸墻波浪壓力最小，后仰式胸墻波浪壓力最大，深弧式胸墻波浪壓力居中（圖7）。

具體而言，水深d=40 cm時，弧形胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大波動減小，周期T=1.0 s，波高H=6 cm和周期T=1.5 s，波高H=12 cm情境下的波動現(xiàn)象更為顯著。直立式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大近似線性減?。═=1.0 s，H=6 cm除外）。周期T=1.8 s，波高H=10 cm和周期T=2.0 s，波高H=10 cm兩種情境下，深弧式胸墻波浪壓力較前仰式胸墻波浪壓力略大。水深d=45 cm時，胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先波動增大后減小。在3#測點及以下高程，不同胸墻結構之間波浪壓力大小差別不顯著，但后仰式胸墻波浪壓力仍最大。而3#測點以上高程，不同胸墻結構之間波浪壓力大小差別顯著（圖7）。

圖6 不同結構型式胸墻在不同波周期下波浪壓力垂向分布實測結果

圖7 不同結構型式胸墻波浪壓力垂向分布

不同結構型式胸墻波浪壓力極值發(fā)生的位置隨著水深的增大而抬高。具體而言，前仰式胸墻波浪壓力極值在水深d=40 cm時，發(fā)生在1#或2#測點附近；水深d=45 cm時，發(fā)生在4#測點附近。深弧式胸墻波浪壓力極值在水深d=40 cm時，發(fā)生在3#測點附近；水深d=45 cm時，發(fā)生在4#測點附近。后仰式胸墻波浪壓力極值在水深d=40 cm時，發(fā)生在3#測點附近；水深d=45 cm時，發(fā)生在4#或5#測點附近。直立式胸墻波浪壓力極值在水深d=40 cm時，發(fā)生在1#測點附近；水深d=45 cm時，發(fā)生在3#測點附近（圖7）。

在本次試驗范圍內(nèi)，根據(jù)不同波浪要素條件下，不同結構型式胸墻不同測點波浪壓力的統(tǒng)計分析可以得出，前仰式胸墻波浪壓力是直立式胸墻波浪壓力的1.00～1.88倍；深弧式胸墻波浪壓力是直立式胸墻波浪壓力的1.01～3.51倍；后仰式胸墻波浪壓力是直立式胸墻波浪壓力的1.05～3.95倍（圖7）。

如前所述，不同型式胸墻迎浪面所受波浪壓力的分布規(guī)律差異顯著（圖5～圖7）。直立式胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大呈近似線性變化趨勢，最大波浪壓力發(fā)生在靜水位附近，這與王登婷（2004）結果一致?；⌒涡貕Σɡ藟毫Υ瓜蚍植汲尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大值發(fā)生在弧頂處?；⌒涡貕Σ▔毫^直立式大原因在于圓弧面有聚能作用。在3種弧形胸墻中，后仰式胸墻的圓弧向后傾斜，能夠引導更多的水體爬上胸墻，在水體方向發(fā)生改變時對胸墻的反推力也較大，致使后仰式胸墻波浪壓力較前仰式和深弧式大。而前仰式胸墻的圓弧較深弧式和后仰式胸墻略向前傾，迎浪面所受波浪壓力最小。

3 結論

本次試驗范圍內(nèi)，不同結構型式胸墻物理模型試驗共得到以下幾點結論：

（1）弧形胸墻迎浪面波浪壓力的分布規(guī)律與直立墻顯著不同?？傮w上來看，弧形胸墻波浪壓力隨著測點高程的增大先增大后減小，極值發(fā)生在弧頂處。直立墻波浪壓力隨著測點高程的增大近似線性減小，極值發(fā)生在靜水位附近。

（2）入射波波高和周期對胸墻波浪壓力影響均顯著。不同結構型式胸墻波浪壓力隨著入射波高的增大而增大，隨著波周期的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢。

（3）胸墻結構型式對其所受波浪壓力影響顯著?；⌒涡貕Σɡ藟毫γ黠@大于直立墻波浪壓力。在弧形胸墻結構中，前仰式胸墻波浪壓力最小，后仰式胸墻波浪壓力最大，深弧式胸墻波浪壓力居中。

致謝：本論文的研究工作曾得到大連理工大學任冰教授、王永學教授、王國玉副教授和高級工程師李廣偉老師等的熱心幫助，在此向上述各位教授表示誠摯地感謝!

Anand K V,Sundar V,Sannasiraj S A,2010.Dynamic pressures on curved front seawall models under random waves.Journal of Hydrodynamics,Ser.B,22(5):538-544.

Jensen B,Christensen E D,Sumer B M,2014.Pressure-induced forces and shear stresses on rubble mound breakwater armour layers in regular waves.Coastal Engineering,91:60-75.

N?rgaard J Q H,Andersen T L,Burcharth,H F,2013.Wave loads on rubble mound breakwater crown walls in deep and shallow water wave conditions.Coastal Engineering,80:137-147.

Tuan T Q,2013.Influence of low sea-dike crown-walls on wave overtopping discharge.Coastal Engineering Journal,55(4):1-26.

Tuan T Q,Oumeraci H,2010.A numerical model of wave overtopping on sea-dikes.Coastal Engineering,57(8):757-772.

Tuan T Q,Thin N V,2014.Numerical study of wave overtopping on seadikes with crown-walls.Journal of Hydro-environment Research,8 (4):367-382.

郭立棟，孫大鵬，黃明漢，等，2014.斜坡堤越浪量影響因素的數(shù)值研究.中國港灣建設，198（8）：1-4.

琚烈紅，2006.斜坡堤防浪墻型式合理性試驗研究.水運工程，（5）：1-3.

李昌良，梁丙臣，2008.不規(guī)則波越浪率計算的一個新公式.海洋通報，27（5）：91-99.

李雪艷，范慶來，2013.弧形胸墻結構水動力特性的數(shù)值模擬.哈爾濱工程大學學報，34（11）：1-6.

李玉龍，2010.不同掩護程度弧形胸墻波壓力及越浪量試驗研究.海岸工程，29（2）：17-22.

劉必勁，孫昭晨，2015.波浪產(chǎn)生和運動的二階計算模型.海洋通報，34（1）：7-13.

王登婷，2004.弧形防浪墻的模型試驗.水運工程，（7）：1-5.

王穎，薛雷平，劉樺，2007.弧形胸墻波浪力的試驗研究.水道港口，28（2）：81-85.

楊家軒，李訓強，朱首賢，等，2015.基于水槽實驗的近岸波浪破碎計算研究.海洋通報，34（1）：45-51.

曾婧揚，吳衛(wèi)，劉樺，2013.孤立波斜坡堤堤頂及后坡越浪流數(shù)值分析.力學季刊，34（2）：181-190.

張金牛，吳衛(wèi)，劉樺，等，2014.孤立波作用下斜坡堤越浪量的實驗研究.水動力學研究與進展，A輯，29（6）：656-662.

張九山，吳衛(wèi)，王本龍，等，2006.帶異形塊體海堤越浪的數(shù)值模擬.水動力學研究與進展，A輯，21（5）：572-578.

周勤俊，王本龍，蘭雅梅，等，2005.海堤越浪的數(shù)值模擬.力學季刊，26（4）：629-633.

周益人，陳國平，黃海龍，等，2003.透空式水平板波浪上托力分布.海洋工程，21（4）：41-44.

（本文編輯：袁澤軼）

Experimental research of wave pressures on different sloping breakwater arc crest walls

LI Xue-yan1,WANG Qing1,FAN Qing-lai1,WANG Gang2
（1.Coast Institute,Ludong University,Yantai 264025,China; 2.College of Harbor,Coastal and OffshoreEngineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

This study designs four crest walls,including forward-incline-arc type,upright-arc type,backward-incline-arc type and vertical type to carry out the physical model experiment and discuss the distribution and influence factors of wave pressures based on the pressure measurements on the seaward side of the crest wall.The experimental results show that the wave pressure on the arc crest wall decreases oscillatorily with the increase of the measuring elevation and the maximum occurs at the circular arc roof.The wave pressure firstly increases and then decreases and finally increases again with the increase of wave period.For the same wave condition,the wave pressure on the arc crest wall is bigger than that on the vertical crest wall.And among the arc crest walls,the wave pressure on the backward-incline-arc crest wall is bigger than that on the forward-incline-arc and upright-arc crest walls.

arc crest wall;wave pressure;sloping breakwater;experimental research

P753

A

1001-6932（2016）06-0702-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.013

2015-07-27；

2015-09-21

國家自然科學基金（51209081）；山東省高等學校科技計劃項目（J14LH02）；煙臺市科技發(fā)展計劃項目（2014ZH075）。

李雪艷（1982-），女，博士，講師，主要從事波浪與海洋結構物相互作用研究。電子郵箱：yanzi03@126.com。

王慶，博士，教授。電子郵箱：lxyldu@126.com。