涌浪條件下斜坡式防波堤越浪量的對比分析

鐘 杰，王文飛，沈雨生

(1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024；)

隨著“一帶一路”倡議的提出，我國企業(yè)承建的海外港口項目逐年增多，且大部分海外港口位于以涌浪影響為主的海域。與國內(nèi)防波堤設(shè)計波浪周期通常10 s左右相比，以涌浪影響為主的海域主浪向波浪周期通常在15～20 s，涌浪對防波堤的作用目前還未得到全面認(rèn)識。

斜坡式防波堤是港口工程中防波堤最常采用的結(jié)構(gòu)形式。越浪量一直是斜坡堤設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的問題，其直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全和使用。早在1955—1958年美國T.Saville等[1-2]就進(jìn)行了規(guī)則波在斜坡堤上的越浪量試驗(yàn)。1977年美國海岸研究中心的J.R.Weggle[3]在對Saville的越浪試驗(yàn)資料分析處理后，提出了單坡斜坡堤上的越浪量公式。1980—1991年英國的Owen[4-6]對海堤越浪量進(jìn)行完整而系統(tǒng)的研究，提出了相應(yīng)的計算公式。1992年至今，荷蘭的van der Meer[7-9]對斜坡堤越浪量進(jìn)行了大量的研究工作，提出了計算公式并不斷根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正計算公式。我國從20世紀(jì)60年代開始，進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究，1990年周家寶等通過試驗(yàn)研究提出的海堤平均越浪量計算公式被國內(nèi)規(guī)范JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[10]采用。2010年陳國平和周益人[11]將爬高引入越浪量的計算公式中，大大簡化了越浪量計算公式。近年來，劉堃等[12]和朱嘉玲等[13]還通過波浪斷面試驗(yàn)和局部整體試驗(yàn)研究了斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量。除了通過計算公式計算斜坡堤越浪量外，歐洲學(xué)者還建立了越浪量人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[14]。

由于越浪量影響因素的多樣性、復(fù)雜性以及試驗(yàn)條件等限制，各家公式對較長周期涌浪下斜坡堤越浪量的適用性不明確。本文以某一具體港口防波堤工程為例，對其進(jìn)行了波浪斷面和局部整體試驗(yàn)，研究涌浪作用下斜坡堤(單坡、無擋浪墻)的平均越浪量，并與計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 斜坡堤平均越浪量計算方法

1.1 《港口與航道水文規(guī)范》計算公式

國內(nèi)《港口與航道水文規(guī)范》(簡稱國內(nèi)規(guī)范公式)給出了無擋浪墻斜坡堤的越浪量計算公式：

(1)

式中：Q為單位時間單位堤頂寬度的平均越浪量(m3·m-1·s-1)；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，與護(hù)面結(jié)構(gòu)形式有關(guān)；H為堤腳處入射波浪的有效波高(m)；Tp為堤腳處入射波浪的譜峰周期(s)；Hc為靜水位至堤頂?shù)拇怪备叨?m)；m為前坡坡度的余切值；d為堤腳處水深(m)；A為與m有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

1.2EurOtop(2018)計算公式

EurOtop(2018)[15]是歐洲學(xué)者聯(lián)合編寫的專門用于解決海岸防護(hù)建筑物越浪量問題的手冊。該手冊的最新版本(第二版)于2018年發(fā)布，相比于第一版EurOtop(2007)，第二版EurOtop(2018)對計算公式進(jìn)行了修正。

對于單坡斜坡式防波堤的平均越浪量，EurOtop(2018)采用了van der Meer的研究成果，計算公式如下(簡稱EurOtop公式)：

(2)

式中：q為單位時間單位堤頂寬度的越浪量(L·m-1·s-1)；Hm0為堤腳處入射波浪的有效波高(m)；Rc為靜水位至堤頂?shù)拇怪备叨?m)；γf為護(hù)面形式影響系數(shù)；γβ為波浪斜向入射系數(shù)，γβ=1-0.006 3|β|，β為波向線與建筑物法線方向的夾角(°)。

可見，EurOtop(2018)中單坡斜坡堤的平均越浪量計算公式不考慮坡度(這主要是由于斜坡堤坡度一般為1:1.5或者1:43)和波浪周期的影響(這是由于該公式的平均越浪量已按最大值控制)。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(Artificial Neural Network，即ANN方法)

歐洲學(xué)者建立了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法估算不同類型海岸建筑物越浪量的方法。該方法是基于17 942組試驗(yàn)和實(shí)測結(jié)果建立的。該方法的概念見圖1，在該方法中，輸入層包含15個輸入?yún)?shù)，輸出層包含1個輸出神經(jīng)元，可以是q(越浪量)、Kr(反射系數(shù))或Kt(透射系數(shù))。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的詳細(xì)信息參見文獻(xiàn)[14]。該人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法已形成了在線計算平臺(http：overtopping.ing.unibo.itovertoppingneuronetnet_solve)，在該平臺上輸入相關(guān)參數(shù)后，即可預(yù)測相應(yīng)越浪量，還可以考慮波浪斜向入射(以下簡稱ANN方法)。

圖1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法概念

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 工程概況

本港口工程位于西非的幾內(nèi)亞灣內(nèi)，屬于涌浪影響為主的海灣。擬建設(shè)西防波堤(主防波堤)和東防波堤，均采用斜坡堤。工程總平面布置見圖2。根據(jù)要求，設(shè)計主要采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)。為驗(yàn)證主防波堤的越浪量是否滿足設(shè)計要求，需要開展波浪斷面和局部整體試驗(yàn)進(jìn)行專項研究。

圖2 工程平面布置(單位：m)

本次研究的主防波堤堤身及堤頭段海床底高程主要在-9.0～-8.0 m。

該工程海域波浪傳至主防波堤時主浪向集中在173°N～200°N，最強(qiáng)浪向?yàn)?82°N。主防波堤設(shè)計波浪要素(圖2中波浪計算點(diǎn)處)為：設(shè)計高水位 2.5 m，H=4.7 m，Hm0=4.4 m，TP=12～18 s。主防波堤堤身段斷面見圖3，頂高程為7.00 m，坡度均為3:4，護(hù)面采用3.0 m3X-block 塊體。

圖3 主防波堤堤身段斷面(高程：m；尺寸：mm)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1試驗(yàn)儀器設(shè)備

防波堤波浪斷面試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院波浪水槽中進(jìn)行，水槽長64 m、寬1.8 m、深1.8 m。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)。

防波堤波浪局部整體試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院大波浪水池中進(jìn)行，波浪水池長68 m、寬52 m、深1.2 m，港池的一端配有消浪緩坡，另一端配有多向不規(guī)則波造波機(jī)。

2.2.2模型設(shè)計

防波堤波浪斷面和局部整體試驗(yàn)均采用正態(tài)模型，根據(jù)Froude數(shù)相似律設(shè)計?？紤]到結(jié)構(gòu)物尺度、模型范圍、水深、波浪條件以及試驗(yàn)場地設(shè)備等，本次斷面試驗(yàn)的幾何比尺l為1:30.5，局部整體試驗(yàn)的幾何比尺l為1:46.5。

2.2.3越浪量測量

對于防波堤波浪斷面試驗(yàn)，在水槽內(nèi)、防波堤后設(shè)置接水箱，量測一個波列作用下的越浪水體體積，然后除以一個波列作用時間得到平均單寬越浪量。

防波堤波浪局部整體試驗(yàn)選取182°N和173°N兩個波向波浪進(jìn)行越浪量試驗(yàn)(182°N向波浪與防波堤法線方向夾角β=29°，173°N向波浪與防波堤法線方向夾角β=38°)。防波堤模型在港池內(nèi)的布置見圖4。試驗(yàn)中波浪模擬采用不規(guī)則波，不規(guī)則波波譜采用Jonswap譜(譜峰因子γ取平均值3.3)。堤身段越浪測點(diǎn)布置見圖4(點(diǎn)P1～P3)，在測點(diǎn)位置處防波堤后設(shè)置接水箱測量越浪量。

圖4 局部整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/p>

斷面試驗(yàn)和局部整體試驗(yàn)中每組越浪量試驗(yàn)的采樣時間長度均為約120個波。

2.2.4試驗(yàn)組次

試驗(yàn)包括防波堤波浪斷面及局部整體物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)組次見表1，波浪周期TP為12、15、18 s共3種。

表1 試驗(yàn)組次

3 結(jié)果與分析

3.1 斷面試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果對比

斷面試驗(yàn)中，波高H=4.7 m時不同周期波浪的防波堤越浪狀況見圖5。

圖5 斷面試驗(yàn)中不同周期波浪的防波堤越浪狀況

斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果見表2。

表2 斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果

由斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果對比可見：

1)同一波浪條件下，斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)結(jié)果與各種計算結(jié)果間均存在一定的差異。同一波高條件下，斷面試驗(yàn)結(jié)果表明斜坡堤越浪量隨著波浪周期的增大而增大。這是由于波浪周期越長，波浪波長越長，波浪在斜坡面上的爬高越高，從而堤頂越浪量越大。而國內(nèi)規(guī)范公式計算結(jié)果隨著波浪周期的增大而減小，這說明國內(nèi)規(guī)范公式隨波浪周期的變化規(guī)律存在一定的局限性。

2)EurOtop公式越浪量計算結(jié)果不考慮波浪周期的影響，與斷面試驗(yàn)結(jié)果相比，在波浪周期為Tp=12～15 s時，EurOtop公式越浪量計算結(jié)果與斷面試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在波浪周期較長時(Tp=18 s)，EurOtop公式越浪量計算結(jié)果小于斷面試驗(yàn)結(jié)果。

3)ANN方法越浪量計算結(jié)果隨著波浪周期的增大而增大，這與斷面試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，在波浪周期為Tp=12～15 s時，ANN方法越浪量計算結(jié)果與斷面試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在波浪周期較長(Tp=18 s)時，ANN方法越浪量計算結(jié)果大于斷面試驗(yàn)結(jié)果?？傮w上，正向波浪作用下，ANN方法越浪量計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度明顯好于國內(nèi)規(guī)范公式和EurOtop公式計算結(jié)果。

3.2 斷面試驗(yàn)與局部整體試驗(yàn)結(jié)果對比

局部整體試驗(yàn)中不同周期波浪的防波堤越浪狀況見圖6。斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)與局部整體試驗(yàn)結(jié)果對比見表4。

注：波向：182°N，波高：H13=4.7 m。

表4 斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)與局部整體試驗(yàn)結(jié)果對比

由斜坡堤越浪量斷面試驗(yàn)與局部整體試驗(yàn)結(jié)果對比可見，與斷面試驗(yàn)中正向浪作用情況類似，局部整體試驗(yàn)中斜向浪作用下，斜坡堤越浪量也隨著波浪入射周期的增大而增大。斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤軸線方向沿程存在變化，沿著波浪入射方向，越浪量有沿程遞減的趨勢，但是均小于正向波浪作用下的越浪量，且斜向角度越大，越浪量整體越小。

3.3 局部整體試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果對比

EurOtop公式和ANN方法可考慮斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量，國內(nèi)規(guī)范公式不可以考慮斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量。斜坡堤越浪量局部整體試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果對比見圖7。

圖7 斜坡堤越浪量局部整體試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果對比

由斜坡堤越浪量局部整體試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果對比可見：

1)局部整體試驗(yàn)中斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤軸線方向沿程存在變化，堤身段越浪量較大位置處(P1點(diǎn))的單點(diǎn)平均越浪量均大于EurOtop公式和ANN方法計算的越浪量結(jié)果。

2)斜向波浪作用下，EurOtop公式計算的斜坡堤越浪量結(jié)果在試驗(yàn)波浪周期范圍內(nèi)均小于局部整體試驗(yàn)中的堤身段平均越浪量(P1～P3共3個測點(diǎn)平均值)，尤其在波浪周期較長的情況下?？梢?，EurOtop公式中，對斜向浪作用下斜坡堤越浪量相比正向浪時的折減偏多。

3)在波浪周期較小(Tp=12 s)時ANN方法計算的斜坡堤越浪量結(jié)果小于局部整體試驗(yàn)中的堤身段平均越浪量；在波浪周期較長(Tp=18 s)時ANN方法計算的斜坡堤越浪量結(jié)果與局部整體試驗(yàn)中的堤身段平均越浪量吻合較好?？傮w上，斜向波浪作用下，ANN方法越浪量計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度明顯好于EurOtop公式計算結(jié)果。

4 結(jié)語

1)斷面試驗(yàn)和局部整體試驗(yàn)結(jié)果表明斜坡堤越浪量隨著波浪周期的增大而增大，而國內(nèi)規(guī)范公式計算結(jié)果隨著波浪周期的增大而減小。EurOtop公式越浪量計算結(jié)果不考慮波浪周期的影響，ANN方法越浪量計算結(jié)果也隨著波浪周期的增大而增大。

2)局部整體試驗(yàn)中斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤軸線方向沿程存在變化，局部整體試驗(yàn)中防波堤堤身段越浪量(包括堤身段越浪量較大位置處的單點(diǎn)平均越浪量和3個測點(diǎn)的平均越浪量)總體上大于EurOtop公式和ANN方法計算的斜向浪越浪量結(jié)果。EurOtop公式中，對斜向浪作用下斜坡堤越浪量相比正向浪時的折減偏多。

3)總體上，正向和斜向波浪作用下，ANN方法越浪量計算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度均明顯好于國內(nèi)規(guī)范公式和EurOtop公式計算結(jié)果。

需要說明的是，本文僅是對單坡、無擋浪墻的斜坡堤在涌浪作用下的越浪量進(jìn)行了對比分析，對于復(fù)坡或者有擋浪墻的斜坡堤，宜針對防波堤具體結(jié)構(gòu)形式通過波浪斷面和整體試驗(yàn)開展進(jìn)一步研究。