涌浪作用下寬肩臺式斜坡堤的試驗研究

桑高亞，何 波，王 敏，馬小舟

（1.大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.中遠海運港口有限公司，上海 200080）

引 言

斜坡堤作為海港工程中使用最廣泛的防波堤結構型式，根據發(fā)展年代可分為三個階段，分別為拋石斜坡堤，由堤心石、墊層和護面塊石或塊體組成的斜坡堤和寬肩臺式斜坡堤[1]。寬肩臺式斜坡堤在國內自20 世紀90 年代后期建成第一座后，20 年間雖有所增加但仍然較少，這導致國內學者對其研究僅停留在總結其特點和探究其穩(wěn)定斷面的層面，較國外的研究不夠深刻。劉子琪等[2]總結了大連北良糧食中轉港寬肩臺式斜坡堤設計方案穩(wěn)定性的試驗研究成果；鄭子龍等[3]對青島造船廠寬肩臺式防波堤在不規(guī)則波作用下的斷面演化和動力平衡斷面的形成進行了試驗研究；繆亞欣[4]以福州港松下港區(qū)防波堤為基礎淺談寬肩臺式斜坡堤的優(yōu)點及其在應用中的局限性；劉志遠等[5]研究并總結了塊石級配對寬肩臺式斜坡堤形成穩(wěn)定斷面的規(guī)律性影響；李姍等[6]對試驗中選用的護面塊石外形及摩擦系數與現場的相似度、采用的塊石級配是否合理、描述最終剖面形態(tài)的方法是否恰當進行了詳細闡述；陳謙等[7]針對某一工程將人工塊體護面斜坡堤與寬肩臺式斜坡堤從穩(wěn)定性及造價等方面進行對比分析，得出一定結論；Alf T?rum 等[8]系統地研究了不同石料密度情況下寬肩臺式斜坡堤的穩(wěn)定性和越浪量，并推導出均質堤的退水方程；Mohammad Reza Shekari 等[9]對不規(guī)則波作用下的肩臺變形進行了試驗研究；Farzad Milanian等[10]描述了寬肩臺式斜坡堤的不同結構參數對波浪爬高的影響。相比之下，國內學者的研究成果的工程背景多集中在國內，且針對涌浪對寬肩臺式斜坡堤的影響研究在國內外均較為有限。因此，對此堤型以國外工程為背景進行多方面研究并總結研究過程中的試驗方法可以使國內學者和相關行業(yè)人員對此堤型的認識更加全面，具有重大意義。

本文以某一工程中典型寬肩臺式斜坡堤為研究對象，應用三維掃描新技術和隨機波浪理論探索涌浪作用下寬肩臺式斜坡堤的穩(wěn)定性、越浪量及其透、反射特征。

1 試驗設計

本文以某一典型的寬肩臺式斜坡堤為研究對象，其斷面如圖1 所示。

圖1 寬肩臺式斜坡堤斷面

試驗研究內容分為三部分，即在正向波浪作用下，寬肩臺式斜坡堤的動態(tài)平衡斷面變形率、越浪量及堤身的反射系數和透射特征。

涌浪作用下寬肩臺式斜坡堤的試驗研究在大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室的不規(guī)則波流水槽中進行。試驗水槽長69 m，寬2 m，深1.8 m，在距離造波機30 m 處水槽分隔為寬1.2 m和0.8 m 的兩個窄水槽，模型布置在0.8 m 窄水槽內。水槽一端配備由本實驗室研制生產的吸收式不規(guī)則波造波機，可模擬生成規(guī)則波和不規(guī)則波，并可有效減小造波機的二次反射影響，另一端設置消浪網，亦可有效減小水槽末端的反射對透浪研究的影響。

設計加工的模型與原型之間應該滿足幾何相似、弗勞德數相似及斯特勞哈爾數相似，防波堤護面塊石和堤心石滿足重力相似條件。綜合考慮試驗技術要求、造波能力和量測精度，試驗模型幾何比尺設為1:25。

寬肩臺式斜坡堤對應的斷面模型在水槽中的布置如圖2 所示，其堤腳距造波機41 m。水槽底部根據防波堤附近實測的海底地形進行改造，構建地形。在堤前布置三根浪高儀，堤后布置兩根浪高儀以測量波面變化情況。用電子攝像機在透明水槽側面進行錄像，監(jiān)控斷面變化以及波浪爬高和越浪情況。使用安裝在水槽頂部、迎浪側斜坡上部的KINECT 3D 掃描儀來實現斷面形狀的三維重建，從而可以精準繪制防波堤斜坡的形狀以便分析斷面變化。

圖2 寬肩臺式斜坡堤堤身典型斷面模型試驗布局

試驗采用不規(guī)則波進行，以譜峰升高因子為1的JONSWAP 譜模擬并生成不規(guī)則波。根據試驗波浪要素，由實驗水槽和水池的造波機產生不規(guī)則波浪，在波浪控制點位置放置浪高儀采集不規(guī)則波的波高和周期數據，通過調整造波參數，反復修正，使實測波浪參數數據與試驗要求的波浪參數相一致，并且實測波浪頻譜與要求的理論頻譜吻合，獲得試驗波浪造波信號。

試驗工況及其對應的水深及波浪要素統計于表1。由幾何比尺可以計算試驗的時間比尺為1:5，則表中試驗波浪的原始周期為18 s 和20 s，在真實海況中屬于涌浪。試驗在測量動態(tài)平衡斷面時，不斷改變水深與波浪要素對寬肩臺式斜坡堤進行連續(xù)工況測試，工況作用順序如表2 所示，正常工況每次模擬原型2 小時，總作用時間為9 小時。其中工況0 表示選擇高水位下小周期、小波高的波浪條件對斷面進行作用，形成初始剖面，時間范圍展示的是原型數據。

表1 寬肩臺式斜坡堤斷面試驗工況信息

表2 寬肩臺式斜坡堤連續(xù)工況測試順序

越浪量通過集水槽在模型上直接量取，不規(guī)則波接取一個完整波列的總越浪水體作為相應歷時的總越浪量，繼而稱重并轉化為體積，最后按比尺關系折算成工程原型單位寬度上的平均越浪量。

堤身前后的波浪要素測量采用DS30 型多通道波高采集系統，該系統采用電容式傳感器即浪高儀測波，浪高儀量程范圍為60 cm，測量相對誤差小于0.5 %，配備采集分析軟件，可同步測量多點波面過程并統計波高、周期數據。這里需要注意的是，研究堤身在長周期波浪作用下的透浪效果，堤心石的選用既要考慮模型的比尺，還要控制中值粒徑和級配。篩選堤心石使其級配滿足級配表中塊石質量數據[11]即可計算堤心石中值粒徑。但由于試驗中堤心石體積較小，且堤心中的湍流耗散需要滿足雷諾相似準則，按照幾何相似和重力相似進行模擬試驗，會導致出現孔隙率較小，水體耗散偏大，防波堤透浪特性被低估的結果。因此，本文參考Hughes[12]，采用Le Mehaute[13]和Keulegan[14]兩種方法所得修正系數的平均值對堤心石的中值粒徑進行修正。同時，在模型兩側設置阻水條以防止波浪從模型兩側的縫隙中透過，對試驗結果造成影響。

2 試驗結果

為保證試驗結果的正確性，試驗數據為重復性試驗獲得，平衡斷面試驗組合工況重復三次，越浪量和堤身前后波高測量均進行三次重復試驗。

2.1 動態(tài)平衡斷面測量

KINECT 3D 掃描儀配合Skanect 軟件可進行3D 建模來實現斷面形狀的三維重建。KINECT 3D掃描儀內部含有紅外發(fā)射器和攝像頭，它從紅外攝像頭獲取紅外數據后，在內部進行處理[15]，產生深度數據保存并傳入Skanect軟件從而重建斷面形狀，其測量范圍為0.5～5 m，測量相對誤差小于1 %。試驗在完成堤前斷面穩(wěn)定試驗的同時也觀察了堤后穩(wěn)定情況。

此寬肩臺式斜坡堤根據PIANC（2003）報告[16]建議和計算方法判斷其斷面形態(tài)為動態(tài)穩(wěn)定斷面。試驗發(fā)現寬肩臺式斜坡堤迎浪面護面塊石發(fā)生變形。斷面掃描位置如圖3（a）中方框所示，初始斷面三維掃描圖像如圖3（b）所示，連續(xù)波況作用后斷面三維掃描圖像如圖3（c）所示。波浪作用前后兩次防波堤掃描剖面對比如圖4 所示，圖中灰色輪廓為理論堤身輪廓，陰影部分為斷面動態(tài)變化范圍，以初始斷面為基準，可計算得到斷面動態(tài)變化率為3.4%。

此外，雖然工況1-2 和工況2-2 均有明顯越浪，但試驗中觀察發(fā)現，波浪越過堤頂后并未直接作用于堤后塊石，而是作用于堤后水面從而消耗水體沖擊力，未發(fā)現堤后塊石失穩(wěn)。

圖3 寬肩臺式斜坡堤斷面波浪作用前后掃描對比

圖4 寬肩臺式斜坡堤斷面波浪作用前后形態(tài)對比

2.2 越浪量試驗

采用不規(guī)則波作為入射波，四個工況下的越浪量測量結果如表3 所示。

表3 寬肩臺式斜坡堤越浪量試驗結果

針對上述越浪量試驗結果，本文參考EurOtop manual[17]提出的越浪量分級來評價越浪量對防波堤的影響作用：

1）q＜0.1 L/(m·s)對胸墻和堤后結構無影響作用；

2）q=1 L/(m·s)堤頂和堤后斜坡表面開始受到越浪的侵蝕作用；

3）q=10 L/(m·s)堤頂可見顯著越浪，堤后斜坡結構受到越浪的侵蝕作用；

4）q=100 L/(m·s)堤身產生透射波，堤后斜坡必須覆蓋護面塊體。

結合試驗時攝像機對堤頂和堤后斜坡的監(jiān)控發(fā)現，工況1-1 和工況2-1 的不規(guī)則波作用產生的越浪對堤頂和內側斜坡無侵蝕作用；工況1-2 和工況2-2 的不規(guī)則波作用產生的越浪明顯，堤后塊石存在松動現象。試驗結果基本滿足上述越浪量分級標準但不完全一致。同時，試驗結果符合PIANC（2003）報告中對寬肩臺式斜坡堤越浪量與波陡關系的描述，即同一試驗條件下波陡越小越浪量越大，堤后更容易破壞。

2.3 透、反射特征

對于堤身的透浪特征，其一為波浪透射系數的計算，計算以堤后浪高儀測量試驗透射波高 Ht，以設計波高的理論值作為入射波高 Hi，則透射系數Kt采用如下公式進行計算：

其二為堤后波浪周期的變化，本文以能量譜描述堤后周期變化。堤前反射系數采用Goda 兩點法計算，Goda 兩點法將不規(guī)則波視作由若干個不同頻率的規(guī)則波線性疊加，組成波之間以各自的相速度傳播，多次反射后其頻率值不變，先分別計算出各組成波的入反射波高，再進行合成求出平均波高。

不同波況下寬肩臺式斜坡堤斷面試驗的波浪透射系數如表4 所示。可以發(fā)現，在水位、波高及周期變化不大的情況下，寬肩臺式斜坡堤的透射系數基本一致。水位變化時，試驗工況1-1 與工況2-1比較、工況1-2 和工況2-2 比較，波浪作用于寬肩臺式斜坡堤均存在低水位比高水位透射系數略小的現象，因為同樣波高和周期的波浪在低水位中傳播并作用于堤前時，水體越浪量較高水位時小，能量耗散也較小，從而更容易聚集并向外海側擴散造成港內側透射系數較小的現象。水位不變時，工況1-2 和工況2-2 波浪的波高及周期均比工況1-1 和工況2-1 波浪大，由于波浪的波高和周期均對堤身的透、反射特征有影響，因此采用波陡來描述透、反射系數的變化規(guī)律。定義入射波波高為h，波長為L，則h/L 為波陡。寬肩臺式斜坡堤的透、反射特征類似于拋石防波堤，堤身的透射系數隨波陡增大而增大，反射系數隨波陡增大而減小，則此寬肩臺式斜坡堤的試驗數據滿足一般規(guī)律，且透浪系數較小利于港內船舶作業(yè)。

表4 寬肩臺式斜坡堤斷面試驗波浪透射系數

對于寬肩臺式斜坡堤的堤后透浪特征，試驗同步分析了堤后透射波浪的周期規(guī)律。試驗結果以（指數坐標）能量譜圖的形式呈現，如圖6 所示。可以看出，此寬肩臺式斜坡堤堤后的透射波浪其頻率主要集中在原譜峰頻率附近，高頻成分即短周期波在透射波浪中占比較低，透射波浪基本為長周期波。

圖5 寬肩臺式斜坡堤入射波與透射波能量譜對比

不同波況下寬肩臺式斜坡堤斷面試驗的波浪反射系數如表5 所示?？梢园l(fā)現，在水位、波高及周期變化不大的情況下，寬肩臺式斜坡堤的反射系數基本一致。水位變化時，試驗工況1-1 與工況2-1比較、工況1-2 和工況2-2 比較，波浪作用于寬肩臺式斜坡堤均存在低水位比高水位反射系數略大的現象，其規(guī)律與透射系數規(guī)律相互印證。水位不變時，此寬肩臺式斜坡堤堤身反射系數隨波陡的變化規(guī)律與透射系數隨波陡的變化規(guī)律相互印證，滿足一般規(guī)律。

表5 寬肩臺式斜坡堤斷面試驗波浪反射系數

3 結 語

1）此寬肩臺式斜坡堤在設計波浪作用下堤前發(fā)生變形，符合PIANC（2003）報告中寬肩臺式斜坡堤特殊的動態(tài)平衡斷面的標準和要求，但動態(tài)平衡斷面變形率僅為3.4 %。

2）試驗發(fā)現，工況1-2 和工況2-2 波浪的堤頂越浪量均大于10 L/(m·s)，但堤后塊石僅發(fā)生少量滾動，堤后結構未發(fā)生明顯改變或失穩(wěn)，這種現象基本但不完全符合EurOtop manual提出的越浪量對防波堤影響作用的分級標準，有待進一步研究。同時，試驗結果與PIANC（2003）報告中波陡越小越浪量越大，堤后更容易破壞的結論一致。

3）此寬肩臺式斜坡堤的透、反射系數數據一致性很好，相互印證。透射系數較小，利于港內船舶作業(yè)，且其隨水深減小而減小、隨波陡增大而增大的變化規(guī)律和堤后透射波浪均為長周期波的特征符合拋石堤和普通斜坡堤的一般規(guī)律。

4）反射系數隨水深減小而增大、隨波陡增大而減小的變化規(guī)律符合普通斜坡堤的一般規(guī)律。