臺風(fēng)過程下復(fù)式海堤越浪量計算方法研究

陳韜霄，鄭國誕，邵 杰，胡金春，陳 剛，董偉良

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

臺風(fēng)作用時，隨著堤前水位抬高和風(fēng)浪的增大，波浪作用于海堤迎潮面，或沿坡面上爬，或發(fā)生破碎擊打坡面，波浪沿著海堤迎潮面上爬超過堤頂則會出現(xiàn)明顯的越浪現(xiàn)象，水體飛濺于堤頂和內(nèi)坡面。越浪量的大小與堤前波浪要素、堤頂出水高度、海堤的幾何外形、護(hù)面的糙滲特性等有關(guān)。若臺風(fēng)登陸時遭遇天文高潮，海堤越浪量將迅速增大，對海堤安全造成威脅，因此研究計算臺風(fēng)過程下復(fù)式海堤越浪量的方法，結(jié)合臺風(fēng)浪與風(fēng)暴潮實(shí)時預(yù)報情況，為臺汛期間的高效避災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

目前最常見的海堤結(jié)構(gòu)形式為斜坡式海堤、直立式海堤以及混合式海堤，遭受臺風(fēng)較嚴(yán)重的浙江省溫臺地區(qū)新建的堤防均以復(fù)式斜坡式海堤（簡稱“復(fù)式海堤”）為主。從20世紀(jì)初開始，國內(nèi)外學(xué)者對海堤越浪量問題進(jìn)行了大量的研究工作。Owen（1980 — 1991年）對單坡及復(fù)坡海堤越浪量進(jìn)行了系統(tǒng)研究[2-4]；周家寶（1990年）等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出的海堤平均越浪量的計算公式被JTJ 213 —1998《海港水文規(guī)范》所采用[5-7]；陳國平（2010年）開展不規(guī)則波作用下的海堤越浪量試驗(yàn)研究，分析越浪量的各影響因素，并提出不規(guī)則波越浪量的計算公式[8]。邵杰（2018年）在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入海堤越浪量折減系數(shù)的概念，擬合帶擋浪墻的復(fù)式海堤越浪量計算公式[9]。以下為國內(nèi)目前常用的一些越浪量計算公式：

（1）《港口與航道水文規(guī)范》[7]中給出斜坡堤有無防浪墻的越浪量計算公式：

堤防有防浪墻時：

式中：Q為單位時間單位堤寬的越浪量（m3/（m · s））；Hc胸墻墻頂在靜水面以上的高度（m）；H1/3為有效波波高（m）；b1為胸墻前肩寬（m）；B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)；TP為譜峰周期；m為斜坡坡度系數(shù)。

（2）陳國平（2010年）[8]開展不規(guī)則波作用下的海堤越浪量試驗(yàn)研究，分析越浪量的各影響因素，并通過置信度95%擬合提出不規(guī)則波越浪量的計算公式：

式中：Q為平均越浪量（m3/（m · s））；RS為累積率13%的波浪爬高（m）；HC為防浪墻頂超高（m），當(dāng)無防浪墻時，HC=RC；P為防浪墻高度（m），對于堤頂未設(shè)置防浪墻斜坡斷面，P= 0。

（3）邵杰（2018年）[9]首先開展單斜坡堤越浪量試驗(yàn)，擬合出單斜坡海堤越浪量計算公式，在此基礎(chǔ)上引入海堤越浪量折減系數(shù)的概念，最終得到帶擋浪墻的復(fù)式海堤越浪量計算公式：

式中：q為平均越浪量（m3/（m · s））；dh為平臺上水深（m）；Hs為有效波高（m）；B為平臺寬度（m）；m為海堤坡度；HC為防浪墻堤超高（m）。

工程越浪量計算應(yīng)用以上國內(nèi)較常見的越浪量計算方法中，式（2）與式（3）可以通過波浪爬高計算復(fù)式斜坡堤的越浪量，其它多為針對單一斜坡式，且在臺風(fēng)過程中海堤較大越浪量計算的適用性還未可知。很多重要工程考慮到經(jīng)驗(yàn)公式計算的缺陷，需進(jìn)行物理模型試驗(yàn)得到越浪量。本文擬通過臺風(fēng)浪過程中海堤越浪量的模型試驗(yàn)成果，探討現(xiàn)有復(fù)式海堤越浪量計算公式的適用情況，在試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，得到一種計算臺風(fēng)過程中復(fù)式海堤越浪量的方法。

2 斷面模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)斷面

選取復(fù)式海堤開展越浪量試驗(yàn)。復(fù)式海堤在上海、浙江、福建等省市得到廣泛應(yīng)用，具有良好的代表性，概化斷面見圖1。迎水面為1:3的復(fù)式斜坡，高潮位附近設(shè)消浪平臺，堤頂設(shè)1.00 m高擋浪墻，內(nèi)坡坡度1:2，防浪墻頂高程參考浙江平陽沿海，設(shè)為8.40 m。

圖1 試驗(yàn)概化斷面圖

2.2 水文條件

設(shè)計臺風(fēng)路徑取浙閩交界處登陸的0608#“桑美”臺風(fēng)實(shí)際路徑，登陸氣壓915 hPa，利用風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪數(shù)模計算得到堤前潮位、波浪過程。試驗(yàn)采用梯級逼近近似潮位與波浪過程，試驗(yàn)組次見表1。不規(guī)則波模擬采用常用的JONSWAP波譜作為目標(biāo)譜。

表1 試驗(yàn)水文條件表

2.3 海堤越浪量測定

根據(jù)風(fēng)暴潮位過程 — 波浪組合對海堤斷面開展臺風(fēng)浪越浪量試驗(yàn)，并在較高潮位時進(jìn)行適當(dāng)加密，越浪量數(shù)值均為假設(shè)斷面防浪墻和堤頂不發(fā)生破壞時的測量值，對每個工況組合試驗(yàn)均重復(fù)測量3次，以減小偶然因素的影響，測得海堤越浪量結(jié)果見圖2 ～ 3。

從圖2 ～ 3中可以看出，與潮浪過程相對應(yīng)，越浪量也經(jīng)歷了從小到大的過程，低潮、中潮位時刻，海堤斷面幾乎沒有越浪現(xiàn)象，隨著潮位的增加（潮位達(dá)4.55 m時），海堤斷面開始出現(xiàn)明顯越浪量，此后時刻的海堤斷面越浪量迅速增加，最高潮位前1.0 h（假定時刻16:20），海堤斷面越浪量為0.138 m3/（m · s），最高潮位前0.5 h，斷面越浪量達(dá)到0.837 m3/（m · s），此時對應(yīng)潮位為7.39 m，尚低于擋浪墻頂高程約1.00 m。此外最高潮位前1.0 h，每隔5 min，后一時刻的越浪量即可達(dá)到前一時刻的1.2 ～ 2.0倍。試驗(yàn)表明，臺風(fēng)浪過程下隨著潮位的增加，海堤越浪量將迅速增大，威脅海堤安全。

圖2 越浪量試驗(yàn)結(jié)果圖

圖3 越浪量、潮位、波高相互關(guān)系圖

3 越浪量公式

3.1 公式計算值與試驗(yàn)值比較

通過現(xiàn)行常用越浪量公式計算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較（見圖4），可見前文2種越浪量計算方法對于小越浪量適用情況都較好，但是對于大越浪量的計算適用性并不理想。

在越浪量為0.050 ～ 0.200 m3/（m · s），式（3）計算值平均差為20.1%，式（2）計算值平均差為47.1%，計算精度相對較高；隨著水位抬高，海堤越浪量逐漸增大，越浪量在0.200 ～ 0.830 m3/（m · s）范圍內(nèi)，式（2）計算值平均差為48.9%，式（3）計算值平均差為56.5%，計算結(jié)果與試驗(yàn)值相差均較大。由此可見，當(dāng)海堤越浪量超過0.200 m3/（m · s）時，式（2）與式（3）的適用性均相對較差。

圖4 海堤潰堤越浪量試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果對比圖

3.2 越浪量公式推求

考慮到各越浪量公式的計算結(jié)果，在不同越浪量區(qū)間的表現(xiàn)形式不一樣，式（3）在小越浪量的計算中表現(xiàn)誤差較小，但在大越浪量的計算中適用性相對較差。本次研究在式（3）基礎(chǔ)上，擬合得到一種計算臺風(fēng)過程中復(fù)式海堤越浪量的公式。

平臺上相對水深dh / Hs往往與越浪量或波浪爬高的折減系數(shù)較為密切，將式（3）中Q試驗(yàn)/ Q公式與相對水深dh / Hs之間做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.98，越浪量試驗(yàn)值與計算值之比與相對水深的變化存在著非常好的相關(guān)性（見圖5）。

圖5 越浪量公式計算與試驗(yàn)值之比與相對水深關(guān)系圖

因此，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，通過相對水深這一因子對計算越浪量公式進(jìn)行推求，擬合系數(shù)KT，使其計算結(jié)果更加接近試驗(yàn)值，擬合公式結(jié)果如下：

將擬合后的公式越浪量計算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，對比結(jié)果見圖5 ～ 6。經(jīng)擬合后的越浪量公式計算值與試驗(yàn)值明顯較之前接近，越浪量在0.015 ～ 0.837 m3/（m · s）區(qū)間內(nèi)公式計算值與實(shí)驗(yàn)值的總體平均誤差絕對值為5.7%，其中當(dāng)實(shí)測越浪量處于0.003 ～ 0.036 m3/（m · s）區(qū)間內(nèi)，平均誤差約為22.6%；當(dāng)實(shí)測越浪量處于0.052 ～ 0.209 m3/（m · s）區(qū)間時，平均誤差約為3.7%；在越浪量高于0.209 m3/（m · s）時，平均誤差約為5.2%。

圖5 擬合公式計算值與試驗(yàn)值比較圖

圖6 擬合公式與試驗(yàn)值誤差隨越浪量實(shí)測值變化圖

在小越浪量的情況下，擬合公式計算值仍存在22.6%的誤差，隨著越浪量的增加，擬合公式計算值誤差減小，海堤大越浪量的情況下，誤差基本在5.7%左右。因此，該公式可用于極端天氣條件下越浪量的估算，具有一定的工程實(shí)用價值，為臺風(fēng)過程中復(fù)式海堤越浪量的評估具有重要意義。

4 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)表明，臺風(fēng)浪模擬過程中，越浪量經(jīng)歷了從小到大的過程，隨著潮位的增加，海堤斷面開始出現(xiàn)明顯越浪量，最高潮位前1 h，每隔5 min，后一時刻的越浪量即可達(dá)到前一時刻的1.2 ～ 2.0倍。

（2）將現(xiàn)行常用越浪量公式計算結(jié)果與試驗(yàn)成果進(jìn)行對比，對于小越浪量情況適用情況都很好，但是對于大越浪量的適用性相對較差。

（3）擬合公式計算結(jié)果與試驗(yàn)成果進(jìn)行對比，隨著越浪量的增加，公式計算值誤差減小，海堤大越浪量的情況下，誤差基本在5.7%左右，可用于極端天氣條件下的越浪量估算，對臺風(fēng)過程中復(fù)式海堤越浪量的評估具有重要意義。