潛堤透射系數經驗公式的驗證

郭科，查恩堯，陳連惠，佟德勝，

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；3.天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

1 研究背景

潛堤一般指淹沒在水中的防護堤，是一種常用的水工建筑物，廣義來講，在低潮以下或高、低潮之間的半潮堤也通稱為潛堤。它的主要作用是防浪、防沙以及導流等，它既可阻擋一部分波浪沖擊海岸，也可讓一部分泥沙形成連島沙堤形淤積或在波影區內沉積而形成沙嘴，既保灘又促淤。近年來，隨著潛堤在大型工程中應用越來越廣泛，國內外眾多學者對潛堤透射系數展開了大量的研究[1-3]，比較典型的如楊正己在1981年通過物理模型試驗得出規則波作用下的潛堤透射系數的經驗公式[4]。1990年Van der Meer通過試驗測量總結出經驗公式，認為相對浸沒深度為影響潛堤波浪透射系數最重要的參數[5]。Daemen在Van der Meer的研究基礎上，指出透射系數與相對堤頂寬度為線性關系，其系數隨著結構形態、波高、波陡不同而改變[6]。2010年鄒紅霞、陳國平通過物理模型試驗的方法，研究了不規則波作用下拋石潛堤的透射系數及堤后穩定波高的統計分布，提出影響潛堤透射系數最主要的因子為相對浸沒深度和相對寬度[7]。

近年來由于受到可利用碼頭岸線的限制，大型港口例如天津港以及濱州港的防波堤逐步向深水延伸，距離長達十幾公里。受到場地的限制，目前來說應用最成熟的平面物理模型試驗研究手段無法完成試驗研究，只能通過數學模型試驗手段對帶有潛堤或透浪式建筑物的總平面設計方案的可行性作出判斷。而潛堤透射系數的取值關系到潛堤數值模擬的成敗。本文將根據斷面物理模型試驗測定的潛堤透射系數對國內外潛堤透射系數的經驗公式進行檢驗，最終選取一種與實測結果最為接近，且略偏安全的經驗公式，為數值模擬估算潛堤透射系數[8]。

2 研究方法

2.1 透射系數的定義

本文所述透射是指由于波浪爬越堤頂產生越浪，以及防波堤產生的透浪。波浪透射系數KT由下式給出：

式中：HT和HI分別表示堤后穩定波高和入射波高。如果是不規則波時，透射系數可以用傳遞前后波浪的有效波高表示，或者用傳遞前后波浪能量表示。波浪越過潛堤時，一部分波能被反射，另一部分波能由于堤頂水深限制而破碎損耗，剩余的能量為透射波能量，透射波高與反射波能量及波浪破碎損耗能量有關。反射波能量與波浪破碎損耗能量越大，透射波高越小，即透射系數KT越小，潛堤的消浪效果越好。

2.2 經驗公式計算方法

1） 南京水利科學研究院的楊正己，在80年代分別對拋石堤和出水堤給出了透射系數計算公式[4]：

當R/H≤0，沒水堤（R取負值）

當R/H＞0，出水堤（R取正值）

2） 1992年，Van der Meer根據大量試驗結果回歸得到波浪透射系數的經驗關系式[5]：

3）2010年 ，鄒紅霞、陳國平在物理模型試驗的基礎上，將數據進行回歸分析，得出不規則波作用下潛堤透射系數的經驗公式[7]。

擬合出沒水堤透射系數計算公式為：

出水堤的透射系數計算公式為：

以上經驗公式中的參數分別為：B為潛堤頂寬；H為入射波高；h為水深；L為波長；R為靜水到堤頂的高度，堤頂在水面以上取正，水面以下取負值。

3 經驗公式的驗算

精確的潛堤透射系數獲得方法一般是開展斷面物理模型試驗。本文依據-6 m水深處2 a一遇設計高水位時（3.58 m） 對應的波浪要素，進行濱州港3萬噸級散雜貨碼頭工程防波堤共8組潛堤的透射系數試驗，測定堤前堤后波高比，作為潛堤透射系數的實測數據。部分試驗現場見圖1~圖2。將實測數據與國內外三個經驗公式計算的波浪透射系數進行對比，如表1所示。

圖1 AB1斷面

圖2 AB2斷面

表1 潛堤透射系數的計算結果對比

從表1中不難看出，楊正己的經驗公式與實測值吻合最好，且略偏于安全。綜合來看，楊正己的公式考慮因素全面，它考慮了潛堤堤頂寬度、潛堤堤頂淹沒深度、波長、入射波高以及總水深諸多因素的影響，其結果與實測值吻合度較高，且略偏于安全，可作為整體數值模擬潛堤試驗時估算波浪透射系數的一種輔助手段。

4 結語

在工程設計中會遇到大范圍潛堤及透浪式建筑物條件下的泊穩問題，物理模型試驗受場地限制難以實施，數學模型試驗的關鍵點在于潛堤透射系數的取值。在國內外眾多計算潛堤透射系數的經驗公式中，楊正己公式計算結果與實測值吻合度較高，且略偏于安全，可作為整體數值模擬類似潛堤試驗時估算波浪透射系數的一種輔助手段。

[1]WILLIAMNSEELIG.可透性防波堤透射系數的估算[M].美國：美國海岸工程研究中心，1981：41-44.

[2] 黃建維，孫獻清.透空式棧橋碼頭的越浪作用及其計算[J].水利水運科學研究，1985（1）：8-11.

[3] 鐘瑚穗，徐昶，達達.樁基透空堤的透浪系數[J].中國港灣建設，2003（5）：21-24.

[4]楊正己，賀輝華，潘少華.波浪作用下拋石堤的穩定性及消浪特性[J].水利水運科學研究，1981（3）：1-9.

[5]VANDERMEERJW.Dataon Wave Transmission dueto Overtopping[R]//Delft Hydraulic Report n H986.The Netherlands：Delft University of Technology，1990.

[6]DAEMENIF R.Wave Transmission at Low-crested Structures[D].The Netherlands：Delft University of Technology，1991.

[7]鄒紅霞，陳國平.不規則波作用下潛堤透射系數的計算方法及統計分布[J].水運工程，2010（3）：11-16.

[8] 張娜，吳海峰，曲淑媛.潛堤及透浪式建筑物的波浪數值模擬研究[J].中國港灣建設，2009（5）：28-31.