超標(biāo)準(zhǔn)潮波作用下越浪量及越浪流特性研究

安蒙華，蔣勤

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032；2.河海大學(xué)，江蘇南京210029）

超標(biāo)準(zhǔn)潮波作用下越浪量及越浪流特性研究

安蒙華1，蔣勤2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032；2.河海大學(xué)，江蘇南京210029）

為探求臺風(fēng)等引起的超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮過境時海堤的破壞機理，通過物理模型試驗對超標(biāo)準(zhǔn)水動力條件下帶胸墻斜坡堤的越浪量及越浪流特性進行了研究?；谝?guī)則波的試驗數(shù)據(jù)，建立了相對堤頂超高、相對墻頂超高以及相對胸墻高度與越浪量之間的經(jīng)驗關(guān)系公式。同時提出了在研究堤頂前端水舌厚度與越浪量關(guān)系時應(yīng)采用的無因次參數(shù)形式以及在研究越浪流堤頂沿程變化時應(yīng)采用的相對位置參數(shù)。

超標(biāo)準(zhǔn)潮位；超標(biāo)準(zhǔn)波高；斜坡式海堤；胸墻；越浪量；越浪流

0 引言

我國地處太平洋西岸，由于受到形成于西北太平洋的熱帶風(fēng)暴的影響，夏季東南沿海經(jīng)常發(fā)生風(fēng)暴潮災(zāi)害。海堤作為海岸防護的工程設(shè)施，是抵御風(fēng)暴災(zāi)害的重要屏障。近年來，東南沿海地區(qū)發(fā)生了多次超過海堤原有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)暴潮災(zāi)害，使得海堤因波浪越頂而破壞，甚至潰決。但要保證海堤不發(fā)生越浪是不現(xiàn)實的，在綜合考慮安全性及經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，很多國家包括我國東南沿海的部分省份都采用了允許部分越浪的海堤設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。對于這一類海堤，平均越浪量就成為衡量其安全性的一個重要設(shè)計指標(biāo)。

自20世紀(jì)初，國內(nèi)外學(xué)者對海堤越浪量課題開展了深入的研究。譬如，T.Saville[1]、合田良實[2]、Owen[3]、Van Der Meer[4-5]等先后對海堤的越浪量問題進行了大量的試驗研究和分析工作。特別是Van Der Meer提出的越浪量計算公式，被列入許多歐洲國家的海堤設(shè)計規(guī)范。在我國也有大量針對斜坡堤越浪的研究報告及相關(guān)的經(jīng)驗公式。虞克等[6]（1992）、賀朝敖等[7]（1995）、周益人[8]（2007）、陳國平[9]（2010）都各自提出了斜坡堤平均越浪量計算公式。隨著對海堤越浪問題研究的不斷深入，學(xué)者們開始關(guān)注越浪流水動力特性及其對海堤安全穩(wěn)定性的影響。Holger Schüttrumpf[10]（2001）及Van-Gent[11]（2002）、代英男[12]（2011）、朱偉娜[13]（2012）相繼對越浪流進行了研究，探討了越浪流及相關(guān)參數(shù)的計算方法。

盡管目前已經(jīng)有許多關(guān)于越浪量及越浪流的試驗成果及相應(yīng)的經(jīng)驗計算公式，但這些計算公式適用的海況及海堤的結(jié)構(gòu)形式不同，幾乎每個經(jīng)驗公式都存在適用性的限制。目前針對風(fēng)暴過境時產(chǎn)生的超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的水動力條件對斜坡式海堤影響的研究尚不成熟。因此本文通過物理模型試驗方法，針對超標(biāo)準(zhǔn)潮位及波浪條件，對帶胸墻斜坡堤的越浪量及越浪流的變化特性進行了研究，基于規(guī)則波的試驗結(jié)果，提出了越浪量值與胸墻相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗公式，并對堤頂前端的水舌厚度及其在堤頂?shù)难爻套兓匦赃M行了分析。本研究提出的分析方法對把握臺風(fēng)對海堤的破壞機理，評估超標(biāo)準(zhǔn)潮位和波高條件下斜坡式海堤越浪量及越浪流特性都具有一定的參考意義和實用價值。

1 模型試驗

本次試驗選取了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇的海堤斷面。試驗采用規(guī)則波。選取的潮位和波浪條件分別為30 a，50 a，100 a及200 a一遇，并進行潮位和波浪的不同組合，試驗工況均屬于超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的水動力條件。

1.1 儀器設(shè)備

物理模型試驗水槽長80 m、寬1.0 m、高1.5 m。其中一端安裝由計算機自動控制的不規(guī)則造波機，生成所需要模擬的波浪要素，另一端設(shè)置消波系統(tǒng)。試驗時將水槽分割為寬0.5 m的兩部分，一部分鋪設(shè)試驗斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。

平均越浪量的測量采用圖1所示的接水裝置，其中導(dǎo)水槽寬10 cm。

圖1 越浪量測量方法示意圖Fig.1Metering method of overtopping rate

越浪流的測定采用電容式浪高儀及DJ800波浪采集系統(tǒng)，采樣頻率取100 Hz，采樣時長取60 s。

在設(shè)置波高儀時，首先在光滑平板上挖出與波高儀底部絕緣體相同尺寸的空隙，再將波高儀置入其中，以消除波高儀震動對波高數(shù)據(jù)測量精度的影響。

1.2 試驗方法

本試驗采用正態(tài)模型，模型幾何比尺取1∶15，根據(jù)Froude數(shù)相似率，各物理量模型比尺如下：

此外，采用規(guī)則波造波，每組試驗的持續(xù)造波時間為120 s，并重復(fù)3次。越浪量取3次量測結(jié)果的平均值。

1.3 試驗斷面

試驗斷面如圖2所示，試驗中取斷面前坡坡度為1∶2.5，后坡坡度為1∶2，堤頂高度為46 cm（原型6.9 m），堤頂寬度為53.3 cm（原型8 m）。采用4種不同的堤前水深，在34.9～41.7 cm之間（原型5.24～6.25 m），直立式胸墻選取3種不同的高度，在3.3～10 cm之間（原型0.5～1.5 m）。

圖2 試驗斷面圖Fig.2Dike profile of experiment

模型制作過程中要保證其重量和幾何相似，重量誤差控制在3%以內(nèi)，幾何誤差控制在1%以內(nèi)。

1.4 試驗組次

不同的潮位和規(guī)則波組合如表1所示，分別對胸墻高度P為0 cm、3.3 cm、6.7 cm、10 cm（原型0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m）的4種海堤斷面進行了64組工況的越浪量試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 越浪量

影響斜坡堤越浪量的因素包括水動力要素和海堤結(jié)構(gòu)形式，即：

式中：H為堤前波高；T為波周期；Hc為胸墻頂?shù)届o水面的距離；Rc為堤頂?shù)届o水面的距離；P為胸墻高度；B為堤頂寬度；d為堤前水深；m為前坡坡度；mb為堤前底坡；k△為糙滲系數(shù)。

表1 海堤越浪量試驗各工況中潮位波浪條件Table 1Tide and wave conditions for overtopping rate experiment in different conditions

為考察胸墻高度對越浪量的影響，本次試驗中取B=8 m，m=2.5，mb=+∞，k△=1，并取H/L=0.49為固定值，保持各試驗工況下的波陡基本相同。鑒于Hc=Rc+P，將堤前波高H作為基本變量，可建立如式（2）所示的海堤越浪量Q與相對墻頂超高Hc/H，相對堤頂超高Rc/H及相對胸墻高度P/H之間的定量關(guān)系，進而考察這3個無因次變量對海堤越浪量的影響。

式中：Rc/H為堤頂相對高度；Hc/H為墻頂相對高度；P/H為胸墻相對高度。

2.1.1 越浪量與墻頂超高的關(guān)系

賀朝敖[7]（1995）基于水力學(xué)中流量系數(shù)的概念，將相對墻頂超高Hc/H作為基本變量，利用最小二乘法原理對試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，建立了海堤越浪量與各影響參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式，指出流量系數(shù)2πQ/HL與Hc/H具有指數(shù)關(guān)系。

參照賀朝敖[7]的方法，本研究以相對墻頂超高Hc/H和相對越浪量Q/（gH3）0.5作為基本變量，對試驗數(shù)據(jù)進行整理，得到圖3所示的關(guān)系曲線。

圖3 相對越浪量Q/(gH3)0.5與Hc/H之間的關(guān)系Fig.3Relation between dimensionless overtopping rate Q/(gH3)0.5and Hc/H

相對越浪量與相對堤頂超高間具有明顯的指數(shù)關(guān)系。在Hc/H=0.3～2.0之間，越浪量隨堤頂超高以指數(shù)關(guān)系減少，這與賀朝敖[7]（1995）對一般外海潮波條件下越浪量與堤頂超高間的研究結(jié)論相吻合。

2.1.2 越浪量與堤頂超高的關(guān)系

對于相對堤頂超高Rc/H和相對越浪量Q/（gH3）0.5，試驗數(shù)據(jù)顯示兩者并沒有特定的相關(guān)關(guān)系，數(shù)據(jù)較散亂。如圖4所示。

通過擬合分析，得到置信度為95%的超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮條件下相對越浪量Q/（gH3）0.5與相對墻頂超高Hc/H的經(jīng)驗關(guān)系公式如下：

圖4 相對越浪量Q/(gH3)0.5與Rc/H之間的關(guān)系Fig.4Relation between dimensionless overtopping rate Q/(gH3)0.5與Rc/H

2.1.3 越浪量與胸墻高度的關(guān)系

周益人[9]（2008）基于物理模型試驗指出胸墻高度P對堤頂越浪量具有重要影響，并提出了考慮胸墻高度的斜坡式海堤越浪量計算公式。參照其方法，本節(jié)以相對胸墻高度P/H和相對越浪量Q/（gH3）0.5為基本參數(shù)，對胸墻高度P>0工況的試驗數(shù)據(jù)進行整理。通過擬合分析，發(fā)現(xiàn)二者間具有指數(shù)關(guān)系，其經(jīng)驗關(guān)系式為：

從圖5可見，在P/H=0.2～0.95之間，盡管試驗值的分布相對分散，但是相對越浪量值隨相對胸墻高度的變化的總體趨勢與擬合得到的指數(shù)曲線一致，表明當(dāng)相對胸墻高度增加時，相對越浪量值隨之成指數(shù)關(guān)系減少。

圖5 相對越浪量Q/(gH3)0.5與P/H之間的關(guān)系Fig.5Relation between dimensionless overtopping rate Q/(gH3)0.5and P/H

2.2 堤頂越浪流

當(dāng)發(fā)生越浪時，無胸墻結(jié)構(gòu)的斜坡式海堤，會形成連續(xù)的堤頂越浪流。這一水體會引起堤體的滲透及侵蝕，是造成海堤破壞的主要原因之一。在實際海堤設(shè)計中，不僅要評估海堤越浪量大小，還要對堤頂越浪流等因素進行定性及定量分析。本節(jié)針對超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮作用下，堤頂越浪流水舌厚度與越浪量之間的關(guān)系及其沿程變化特性進行研究。

2.2.1 堤頂前端水舌厚度與越浪量的關(guān)系

Schüttrumpf及Van Gent以堤頂前端水舌厚度hc（xc=0）作為主要參數(shù)，分別給出了堤頂越浪流的流速及水舌厚度的計算公式。再利用堤頂末端流速與水舌厚度的乘積來計算堤頂越浪量。參照Schüttrumpf及Van Gent的方法，本節(jié)對堤頂前端水舌厚度與越浪量之間的關(guān)系進行了研究。

試驗結(jié)果表明，相對越浪量Q/（gH3）0.5與以波高為基本參數(shù)描述的相對堤頂水舌厚度hc/H之間雖具有一定的線性關(guān)系，但是試驗數(shù)據(jù)的分布相對散亂。而相對越浪量與以堤頂超高為基本參數(shù)描述的相對堤頂水舌厚度hc/Rc具有良好的指數(shù)關(guān)系。本次擬合區(qū)間為hc/Rc=0.03～0.09，結(jié)果如圖6所示。

圖6 相對水舌厚度hc(xc=0)/Rc與Q/(gH3)0.5的關(guān)系圖Fig.6Relation between dimensionless overtopping flowthichness hc(xc=0)/Rcand Q/(gH3)0.5

以堤前波高H和堤頂相對超高Rc為基本參數(shù)描述的相對水舌厚度，后者較前者與相對越浪量之間的關(guān)系更加明顯。建議在對堤頂水舌厚度與越浪量關(guān)系的研究中采用hc（xc=0）/Rc的形式描述相對水舌厚度。

2.2.2 堤頂水舌厚度沿堤頂位置xc/B的變化趨勢

Schüttrumpf指出堤頂相對水舌厚度hc（xc）/ hc（xc=0）只與計算點在堤頂?shù)南鄬ξ恢脁c/B有關(guān)。并以超出靜水面的波浪虛擬爬高值作為計算堤頂越浪流水舌厚度的邊界條件，計算越浪水體在堤頂?shù)乃嗪穸取?/p>

依據(jù)Schüttrumpf的研究思路，本節(jié)對hc（xc）/ hc（xc=0）隨xc/B的變化規(guī)律進行探討。圖7為在30 a、50 a、100 a、200 a一遇的波浪條件下堤頂相對水舌厚度隨位置的變化規(guī)律。其中不同類型的曲線代表不同重現(xiàn)期的水位條件。圖中的虛線為由Schüttrumpf的理論公式得出的計算結(jié)果。

選用hc/Rc作為基本變量來描述相對水舌厚度與相對越浪量之間的經(jīng)驗關(guān)系公式為：

圖7 不同波浪條件下hc/hc(xc=0)隨xc/B的變化規(guī)律Fig.7Relation between hc/hc(xc=0)and xc/B withdifferent wave conditions

與Schüttrumpf的公式計算值相比，在30 a及50 a一遇的波浪條件下，實測水舌厚度在2號與3號測點存在一定的波動。從4號測點開始接近Schüttrumpf的公式計算值。在100 a一遇的波浪條件下，試驗數(shù)據(jù)大于理論值，但差距較小。從5號測點處開始，貼近理論值。在200 a一遇波浪條件下，試驗值大于理論值，在6號測點處才開始貼近理論值。

2.2.3 堤頂水舌厚度隨xc/L0的變化趨勢

Bosman[14]（2007）在對于堤頂越浪流的研究中引入無因次參數(shù)xc/L0（L0為深水波長）。參照其研究方法，以不同重現(xiàn)期水位分類，得到圖8所示的堤頂相對水舌厚度與xc/L0之間的關(guān)系。其中，不同類型的曲線代表不同重現(xiàn)期的波浪條件。

圖8 不同波浪條件下hc/hc(xc=0)隨xc/L0的變化規(guī)律Fig.8Relation between hc/hc(xc=0)and xc/L0with different wave conditions

由圖8可見，相同水位條件下堤頂中前部水舌厚度的規(guī)律性較之相同波浪條件下的情況要差。但水體在堤頂中后部達到穩(wěn)定后所表現(xiàn)出來的規(guī)律性要明顯優(yōu)于前者。特別是在30 a及50 a一遇的工況下，堤頂中后部的數(shù)據(jù)基本在一條直線上。

綜上所述，研究堤頂前端水體運動對于水舌厚度的影響，宜以xc/B作為相對位置參數(shù)進行考察。而對于研究堤頂中后部水舌厚度的變化趨勢，宜選取xc/L0作為相對位置參數(shù)。

3 結(jié)語

本文采用物理模型試驗方法，針對超標(biāo)準(zhǔn)潮位及波浪條件下帶胸墻斜坡堤的越浪過程進行了研究。通過試驗數(shù)據(jù)分析了斜坡式海堤相對越浪量與相對堤頂超高、相對墻頂超高以及相對胸墻高度之間的相關(guān)關(guān)系。同時，基于無胸墻工況下的越浪流試驗結(jié)果，提出了在研究堤頂前端水舌厚度與越浪量關(guān)系時應(yīng)采用的無因次參數(shù)形式以及在研究越浪流堤頂沿程變化時應(yīng)采用的相對位置參數(shù)。

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Characteristics of overtopping rate and overtopping flow under the effect of superstandard tide and wave

AN Meng-hua1,JIANG Qin2
（1.CCCC Third Harbor Consultant Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

In order to study the destructive mechanism of superstandard storm surge caused by typhoon,we studied the overtopping rate and overtopping flow of the sloped seadike with parapet under superstandard tide and wave through physical experiments.The empirical formulas between the relative crest ultra-height,relative wall-top ultra-height,relative parapet height and the overtopping rate were established based on experimental data of regular waves.In addition,the appropriate dimensionless parameter was proposed for the research on the relation between overtopping flow thickness and overtopping rate. The proper relative position parameter was also defined to study the overtopping flow thickness on the dike crest.

superstandard tide;superstandard wave height;sloped seadike;parapet;overtopping rate;overtopping flow

U656.2；P731.22

A

2095-7874（2017）06-0011-06

10.7640/zggwjs201706003

2016-10-27

2016-12-26

安蒙華（1989—），男，浙江舟山人，碩士，助理工程師，主要從事港口及航道設(shè)計工作。E-mail：anmh@theidi.com