防波堤越浪量計(jì)算方法的試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

陳愷，丁廣佳，李景輝，李琛

（1.廣東萬(wàn)山投資有限公司，廣東 珠海 519100；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

海上防波堤是水工建筑物中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，它通過(guò)削減來(lái)港波浪的運(yùn)動(dòng)，維持堤后港池的平穩(wěn)，從而保障港內(nèi)船舶的正常停泊和航行。堤頂越浪量是防波堤設(shè)計(jì)工作中的必要環(huán)節(jié)，通常綜合考慮結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性與安全因素，設(shè)計(jì)防波堤在不同工況下的合理越浪量[1]。因此，斜坡堤越浪量的研究具有重要的意義。

本文依托“珠海港萬(wàn)山港區(qū)外伶仃島石涌灣陸島交通客貨運(yùn)碼頭防波堤工程防波堤斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱(chēng)依托項(xiàng)目），測(cè)定斷面模型越浪量數(shù)據(jù)，比較水文規(guī)范、國(guó)外越浪量指導(dǎo)公式、學(xué)術(shù)領(lǐng)域最新成果和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)工具的計(jì)算結(jié)果，為以后類(lèi)似工況下防波堤的設(shè)計(jì)提供更加豐富的參考。

1 依托項(xiàng)目簡(jiǎn)介

依托項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括：斷面波浪物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證4個(gè)防波堤斷面及各優(yōu)化方案的護(hù)面塊體、護(hù)底塊石、胸墻及胸墻后直立式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；測(cè)試波浪爬高、堤頂越浪量及堤后次生波波高；測(cè)量胸墻沉箱臨海面的波壓強(qiáng)及胸墻沉箱底部的浮托力。

項(xiàng)目主體試驗(yàn)研究于2019年6月在中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果為珠海港萬(wàn)山港區(qū)外伶仃島石涌灣陸島交通客貨運(yùn)碼頭防波堤工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。項(xiàng)目總平面圖及越浪量試驗(yàn)斷面的具體位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目總平面及試驗(yàn)斷面位置圖Fig.1 General plan and locations of the test sections

2 越浪量計(jì)算方法

為準(zhǔn)確計(jì)算不同截面形狀防波堤平均越浪量，通常會(huì)根據(jù)斷面關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類(lèi)并分別提出對(duì)應(yīng)計(jì)算公式。本文通過(guò)歸納試驗(yàn)工況與防波堤形式，對(duì)各計(jì)算公式進(jìn)行了具體化表達(dá)。

本文涉及的防波堤斷面包括：北堤堤頭燈樁處斷面、客運(yùn)滾裝碼頭斷面（優(yōu)化方案二）和貨運(yùn)碼頭斷面（頂高程5.7 m的胸墻段），具體參數(shù)如圖2所示。3個(gè)防波堤斷面的近似條件為：迎浪面坡角cot琢=1.5；無(wú)肩臺(tái)結(jié)構(gòu)；堤頂無(wú)直立胸墻（或不在墻后測(cè)量越浪）；坡面鋪有扭王字塊護(hù)面；JONSWAP譜、極端高水位和設(shè)計(jì)高水位下的趾前波浪破碎系數(shù) 孜m-1，0逸4.9。

圖2 越浪試驗(yàn)防波堤斷面圖Fig.2 Sections of breakwaters in the wave overtopping test

2.1 水文規(guī)范公式

JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中第10.2.4.2節(jié)規(guī)定了斜坡堤在無(wú)擋浪胸墻情況下的平均堤頂越浪量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[2]，本項(xiàng)目試驗(yàn)護(hù)面由單層扭王字塊鋪成，故其護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)KA取0.45[3]。

2.2 EurOtop2018和Gallach-S佗nchez公式

EurOtop2018源于OPTICREST、PROVERBS、CLASH、VOWS和Big-VOWS等試驗(yàn)項(xiàng)目越浪數(shù)據(jù)結(jié)果，并在EurOtop2007的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正[3]。

2021年David Gallach-S佗nchez等為提高大坡陡（0臆cot琢臆1.5）、小堤頂超高（0臆Rc臆0.8）的工況下海岸建筑物平均越浪量計(jì)算精度，基于UG13、UG14和UG15越浪量數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)分析，提出了Gallach-S佗nchez公式[4]，如式（1）。

2.3 XGB-Overtopping工具

XGB-Overtopping神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具是由荷蘭Deltares開(kāi)發(fā)的用于估算各類(lèi)海岸建筑物平均越浪量的預(yù)報(bào)工具。XGB-Overtopping雖并非行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但在某些條件下已被證明較經(jīng)驗(yàn)公式有一定的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)勢(shì)[5]。

3 越浪量與計(jì)算方法分析

3.1 水槽試驗(yàn)

3個(gè)（優(yōu)化）斷面的越浪量試驗(yàn)在中交天津港灣工程研究院有限公司水工研究所的無(wú)反射造波機(jī)試驗(yàn)水槽中進(jìn)行[6-10]。

1）波浪模擬

采用JONSWAP譜作為不規(guī)則波頻譜，以有效波高H1/3和平均周期為控制條件進(jìn)行波浪模擬，偏差值均控制在依5%之內(nèi)。波譜模擬時(shí)，總能量偏差控制在依10%之內(nèi)。

2）試驗(yàn)方法

越浪量的測(cè)定中，在胸墻頂部放置接水箱收集、測(cè)量一個(gè)波列中發(fā)生的總越浪水量，并給出斷面的單寬平均越浪量。

為了能確切地反映出波浪作用下各斷面的實(shí)際越浪量，試驗(yàn)中采用連續(xù)接水，持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于原型波浪作用3.0 h。由水槽試驗(yàn)得到的各工況主要參數(shù)及平均越浪量的測(cè)定值見(jiàn)表1。

表1 水槽試驗(yàn)各工況主要參數(shù)及越浪量測(cè)定結(jié)果Table 1 Main parameters of the flume tests and wave overtopping results

3.2 計(jì)算結(jié)果

將各（優(yōu)化）斷面的結(jié)構(gòu)布置、尺寸和波浪參數(shù)分別輸入到3個(gè)越浪量計(jì)算公式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，得到不同工況下的越浪量計(jì)算值，將不同方法的計(jì)算結(jié)果與測(cè)定值進(jìn)行比較。各方法的計(jì)算結(jié)果及與測(cè)定值的誤差見(jiàn)表2。

表2 各越浪量計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of the calculation methods for overtopping

3.3 EurOtop和Gallach-S佗nchez公式分析

EurOtop2018公式與Gallach-S佗nchez公式具有相同的函數(shù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)平均越浪量q和堤頂超高Rc進(jìn)行無(wú)量綱化處理，給出兩者間的連續(xù)函數(shù)關(guān)系。此外，根據(jù)其公式中統(tǒng)計(jì)參數(shù)的正態(tài)分布規(guī)律，可通過(guò) 滋（x）依1.64滓（x）分別求出兩公式的90%置信區(qū)間[3]，如圖3、圖4所示。

圖3 EurOtop2018公式計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)對(duì)比圖Fig.3 Comparison between EurOtop2018 formula and test results

圖4 Gallach-S佗nchez公式計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)對(duì)比圖Fig.4 Comparison between Gallach-S佗nchez formula and test results

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩式的90%置信區(qū)間均完整覆蓋0.4臆Rc/Hm0臆0.8內(nèi)的所有實(shí)測(cè)點(diǎn)，且能較好地描述相對(duì)越浪量q/（gHm03）0.5隨相對(duì)堤頂超高Rc/Hm0的變化趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，EurOtop2018公式的計(jì)算值平均相對(duì)誤差低于Gallach-S佗nchez公式，且隨著相對(duì)堤頂超高的增大，后式的計(jì)算精度較前式有更明顯的劣化趨勢(shì)；此外，后式90%置信區(qū)間的覆蓋面積大于前式，主要是由于其統(tǒng)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差滓（2）=0.4，大于前式對(duì)應(yīng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差 滓（1.5）=0.15。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于“珠海港萬(wàn)山港區(qū)外伶仃島石涌灣陸島交通客貨運(yùn)碼頭防波堤工程防波堤斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究”項(xiàng)目的防波堤（優(yōu)化）斷面結(jié)構(gòu)形式和尺寸，計(jì)算出EurOtop2018、Gallach-S佗nchez、港口與航道水文規(guī)范公式和XGB-Overtopping神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具在各工況下的越浪量計(jì)算值，主要結(jié)論如下：

1）水文公式、EurOtop2018和Gallach-S佗nchez公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別均不大，在本項(xiàng)目試驗(yàn)中具有較好的可靠性；而XGB-Overtopping的誤差相對(duì)較大，因此不適于在以水文規(guī)范為準(zhǔn)的防波堤越浪量設(shè)計(jì)中參考XGB-Overtopping計(jì)算結(jié)果。

2）通過(guò)比較EurOtop2018與Gallach-S佗nchez公式的計(jì)算結(jié)果，雖然兩者的公式結(jié)構(gòu)、計(jì)算原理相近，但由于EurOtop2018給出的置信區(qū)間更窄，因此更適合作為國(guó)內(nèi)防波堤越浪量設(shè)計(jì)的輔助參考。