不規則波作用下斜坡堤越浪量試驗研究

周 雅，林登榮，李慶銀，陳國平，嚴士常

（1.河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京210098；2.溫州甌飛圍墾管理委員會，溫州325000；3.黃河水利委員會山東水文水資源局，濟南250100）

不規則波作用下斜坡堤越浪量試驗研究

周 雅1，林登榮2，李慶銀3，陳國平1，嚴士常1

（1.河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京210098；2.溫州甌飛圍墾管理委員會，溫州325000；3.黃河水利委員會山東水文水資源局，濟南250100）

考慮允許部分越浪對海堤設計十分重要。通過具體工程波浪斷面物理模型試驗，研究了不同波要素和斷面尺度對斜坡堤越浪量的影響，比較了隨機、規則兩種扭王字塊體擺放型式的消浪效果。結果表明：堤頂超高對越浪量的影響最大，隨著相對堤頂超高的增大，越浪量呈指數形式遞減。肩臺及平臺寬度和波陡對越浪量也有影響，相對肩臺及平臺寬度越大，越浪量越小；波陡越大，越浪量越小。護面層空隙率相同的不同扭王字塊體擺放型式下，斜坡堤越浪量基本相同。典型越浪量公式計算值與文章試驗值相比都偏小，陳國平公式計算結果較為準確。

不規則波；斜坡堤；平均越浪量

波浪作用在海堤上上爬越過堤頂會產生越浪，單位時間單位堤寬上越過的平均水量稱為平均越浪量。理論上講，只要堤頂足夠高，越浪是可以避免的。但一方面，海堤按照完全不允許越浪標準設計建造往往不經濟；同時，由于當地地基處理條件不具備或雖經處理仍達不到地基承載力要求時，堤身高度會受到限制；另一方面，由于設計水位及波浪要素的不確定性，特別是在風暴潮作用下，越浪量會大大增加，對海堤造成破壞，導致嚴重后果［1］。因此考慮允許部分越浪對海堤設計十分重要。

從20世紀50年代開始，國內外專家學者對越浪量進行了大量研究：1955～1958年T.Saville［2-3］進行了規則波作用下斜坡堤越浪量物模試驗；1965年Yuichi Iwagaki［4］研究了水深和波高對越浪量的影響；1980～1991年Owen［5-7］針對簡單斜坡堤和帶肩臺的斜坡堤進行了較為系統的越浪量試驗并給出了不規則波平均越浪量計算公式。國內學者中2005年陳國平［8］通過具體工程越浪試驗提出斜坡上越浪量不僅與護面類型有關，還與護面消浪結構所處位置有關；2006年范紅霞［1］采用最普通的典型斷面進行系列物模試驗，分析了影響越浪量的各種參數，建立了適用于我國海堤結構型式的平均越浪量計算公式，并結合收集到的試驗資料提出對具體工程進行計算時的應用建議；2010年陳國平［9］采用波浪爬高和堤頂超高兩個主要因子研究了海堤越浪量的變化規律，并根據越浪量對堤后不同防護情況下的沖刷破壞情況提出了允許越浪量標準；2014年常江［10］探討了斜坡堤堤頂寬度對越浪量的影響機理，分析并給出了堤頂寬度對越浪量衰減系數的影響關系式。從前人研究成果中可以看出，斜坡堤越浪過程十分復雜，影響因素眾多，各家公式、各國標準都有自己的適用范圍和局限性，公式計算結果和試驗值存在較大差異，因此繼續開展斜坡堤越浪量問題研究十分必要。本文基于前人結論通過具體工程波浪斷面物理模型試驗對斜坡堤越浪量做了進一步研究。

1試驗概況

1.1設計斷面和工況

工程設計斷面見圖1。迎浪面堤腳為-7.6 m，堤腳采用挖入置換拋石棱體保護，棱體底高程為-10.43 m，迎浪面設置1：1.5斜坡，斜坡上采用20 t扭王字塊體護面，6.2 m高程處設置肩臺，肩臺上采用20 t扭王字塊體護面，起到掩護擋浪墻的作用，扭王字塊體寬度為5.9 m，頂高程為8.87 m，堤頂設置直立式擋浪墻，擋浪墻頂高程為9.3 m。斷面二與斷面一相比，堤身結構型式不變，相對位置后移了100 m，肩臺高程降為2.63 m，肩臺上扭王字塊體頂高程降為5.3 m，堤頂設置直立式帶挑檐擋浪墻，擋浪墻頂高程降為8.5 m。斷面三與斷面一相比主要區別在于平臺高程降為2.63 m，扭王字塊體頂高程降為5.3 m，平臺后接一個1：1.5斜坡，6.33 m高程處設置肩臺，肩臺上扭王字塊體頂高程為9 m，擋浪墻頂高程為9.5 m。工程設計斷面四迎浪面堤腳棱體底高程為-8 m，迎浪面設置1：2.5斜坡，斜坡基礎為礫石混砂，上面鋪設土工布，再施工墊層塊石及護面結構。斜坡上采用1 t扭王字塊體護面，扭王字塊體隨機擺放，肩臺上扭王字塊體寬度為2.55 m，頂高程為5.28 m，擋浪墻頂高程也為5.28 m。斷面五與斷面四相比主要區別在于-8 m平臺前接一個1：2.5的斜坡，-8.0 m平臺以下，采用0.6 m×0.6 m×0.4 m混凝土塊體護面，隨機安放2層，迎浪面堤腳棱體底高程為-15.65 m。

圖1 設計斷面Fig.1 Test section

1.2試驗方法

試驗在河海大學風浪水槽中進行，水槽長80 m、寬1.0 m、高1.5 m。水槽縱向分為兩部分，寬度都為0.5 m，一部分鋪設試驗斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規則波造波機，由計算機自動控制產生所要求模擬的波浪要素。

試驗不規則波波譜為JONSWAP譜，譜峰升高因子g取3.3，波高及水舌厚度采用電容式波高儀和DJ800多功能監測系統采集，越浪量采用集水稱重法量測。模型按正態重力相似準則設計，結合波要素、試驗斷面及設備性能等因素，確定斷面一～三模型長度比尺為λ=35，斷面四、五模型長度比尺為λ=20。本文試驗具體工況見表1。

表1 試驗組合Tab.1 Schemes of test

2試驗結果及分析

根據前人研究成果及試驗觀察，本文重點分析有效波高Hs、平均周期T，堤頂超高Rc、設置的肩臺及平臺寬度l和扭王擺放型式（通過坡面糙滲系數γf來表示）對斜坡堤越浪量的影響。綜合考慮這些因素并運用π定理得到越浪量的無因次表達式

2.1堤頂超高對斜坡堤越浪量的影響

堤頂超高是指堤頂高程與靜水位之間的垂直高度差。圖2為相對堤頂超高Rc/Hs與無因次越浪量之間的關系。從圖中可以看出，堤頂超高對越浪量影響顯著隨Rc/Hs的增加呈指數形式遞減。這是因為在波浪與建筑物相互作用的過程中，波浪的能量一部分被反射波帶走，一部分被底摩阻消耗，還有一部分產生爬高轉化為勢能［11］。當Rc/Hs較小時，隨著堤頂超高的增加，波浪爬高距離加長，波浪能中被護面塊體消耗和轉化為勢能的能量增加，導致越浪量急劇減小；當Rc/Hs較大時，斜坡堤越浪量已經很小，但由于不規則波的隨機性，在一個不規則波波列中偶爾仍會有一個或幾個大波產生越浪，因此越浪量隨堤頂超高增大緩慢減小。

2.2肩臺及平臺寬度對斜坡堤越浪量的影響

圖2 堤頂超高對越浪量的影響Fig.2 The influence of superelevation of seawall top to wave overtopping

海堤設計中通常在迎浪面斜坡上設置肩臺和平臺，二者既可供施工使用，又有消浪效果。根據海岸動力學［12］理論，波浪能量主要集中在表層水體內。因此，本文斷面二單坡肩臺和斷面三復坡平臺都設在設計水位上下半倍波高范圍內以達到最好的消浪效果，減小波浪的爬高和越浪。圖3為相對肩臺及平臺寬度l/Hs與無因次越浪量之間的關系。可以看出，隨著肩臺及平臺寬度的增加，消浪距離變長，波浪能量耗散增加隨著l/Hs的增大出現明顯減小。

圖3 肩臺及平臺寬度對越浪量的影響Fig.3 The influence of the width of shoulder platform and platform to wave overtopping

2.3波陡對斜坡堤越浪量的影響

波高和波長之比稱為波陡。圖4為波陡Hs/L與無因次越浪量之間的關系，圖中給出了斷面四在坡度m=1.5和m=2.5兩種工況下隨Hs/L的變化曲線。從圖中可以看出，兩種坡度下都隨Hs/L的增大而減小，且m=2.5時的越浪量小于m=1.5時的越浪量。

圖4 波陡對越浪量的影響Fig.4 The influence of wave steepness to wave overtopping

圖5 擺放效果圖Fig.5 Displacement results

波浪自深水向岸邊傳播時，波長漸短，波高隨水深減小開始時略有減小，但當傳播到一定淺水后，波高迅速增大，波浪因波陡達到極限失去穩定而產生破碎［12］。試驗中可以觀察到，本文不同波要素條件下，波浪在斜坡上基本都呈卷破波波態，波浪已嚴重破碎，隨著波陡的增大波浪破碎加劇，因此越浪量隨波陡的增大而減小。m=2.5的斜坡與m=1.5的斜坡相比，越浪過程中波浪爬高距離更長，能量耗散更多，因此越浪也更小。

2.4扭王字塊體擺放型式

本文對斷面五進行了扭王字塊體擺放型式對比試驗，試驗中兩種工況+1.15 m高程以下到-8 m平臺扭王字塊體均為隨機擺放，+1.15 m高程以上到擋浪墻前扭王字塊體分別按隨機和規則兩種擺放型式進行擺放。扭王字塊體的擺放型式按照The Rock Manual［13］的相關規定，換算到原型后，模型中隨機擺放型式的扭王字塊密度為113塊/100 m2，規則擺放型式的扭王字塊密度為115塊/100 m2，擺放效果見圖5。

表2為不同扭王字塊體擺放型式下的越浪量試驗結果，從表中可以看出，不同潮位、波要素條件下，兩種擺放型式的斜坡堤越浪量基本相同。

表2 不同扭王字塊體擺放型式下的越浪量試驗結果Tab.2 Experimental results of wave overtopping in different displacement of accordpod

表3 公式計算值與物模試驗結果對比Tab.3 Comparison of the overtopping calculated by formulas and physical experiments

《防波堤設計與施工規范》［14］中給出了斜坡堤護面層人工塊體個數公式

此中：N為人工塊體個數，個；A為垂直于厚度的護面層平均面積，m2；n′為護面塊體層數，層；c為塊體形狀系數；P′為護面層的空隙率（％），斜坡堤上隨機安放一層扭王字塊體時，護面塊體空隙率為50％；γb為護面塊體的重度，kN/m3；W為單個塊體的穩定重量，t。

根據式（2），由前文所述兩種擺放密度可計算得到斜坡堤上規則安放一層扭王字塊體時，護面塊體空隙率為49％。前人研究表明，護面塊體對越浪的影響包括增大糙率和增加滲透水量兩個方面［1］。一方面，兩種擺放型式都是針對扭王字塊體；另一方面，經過計算兩種擺放型式護面層空隙率也基本相同，因此本文兩種扭王擺放型式下越浪量試驗結果基本一致。

3現有越浪量公式計算比較

本文選取陳國平公式、《海港水文規范》公式［15］以及歐洲廣泛認可的Van der meer公式［16］對部分符合條件工況下的越浪量進行了計算，具體結果見表3。從表中可以看出，各方法計算的越浪量隨堤頂超高的變化趨勢與前述規律相同，都隨堤頂超高的增大而減小。各家公式計算值與試驗值相比都偏小，陳國平公式計算值與試驗值最為接近。

4結論

本文通過物理模型試驗對不規則波作用下斜坡堤越浪量與各個影響因素之間的關系進行分析，主要結論如下：對斜坡堤越浪量影響最大的因素為堤頂超高，無因次越浪量隨相對堤頂超高Rc/Hs的增加呈指數形式遞減。肩臺及平臺寬度l，波陡Hs/L，坡面糙滲系數γf也是重要的影響因子。隨著相對肩臺及平臺寬度l/Hs的增加斜坡堤上消浪距離變長越浪量減小。隨著波陡Hs/L的增加波浪破碎程度加劇，波浪能量耗散增大，越浪量也呈現減小趨勢。護面不同扭王擺放型式下，護面層空隙率相同時，斜坡堤上越浪量也基本相同。

通過對現有越浪量公式的計算比較得出，各家公式計算值與本文試驗值相比都偏小，陳國平公式計算值與試驗值最為接近。

參考文獻：

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Experimental research of wave overtopping on sloping dike under irregular waves

ZHOU Ya1,LIN Deng?rong2,LI Qing?yin3,CHEN Guo?ping1,YAN Shi?chang1
(1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Wenzhou Oufei Reclamation Management Committee, Wenzhou 325000,China;3.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau of the Yellow River Water Conservancy Committee,Jinan 250100,China)

Considering allowable part wave overtopping is very important to the design of seawall.The influ?ence of different wave situations and size of seawall on wave overtopping was investigated in this paper,and the wave absorbing effects of the random displacement of accordpod were also compared with the rule one through phys?ical model test of concrete engineering.The results show that:the influence of superelevation of seawall top to wave overtopping is the largest.Wave overtopping decreases at an exponent function with the increase of relative superel?evation of seawall top.Wave steepness and the width of shoulder platform and platform also have certain influence. Wave overtopping decreases with the increase of width of shoulder platform and platform and also decreases with the increase of wave steepness.Under the condition of the same void fraction,wave overtopping on sloping dike is al?most the same in different displacement of accordpod.Overtopping calculated by several formulas is smaller than ex?perimental values.Chen Guo?ping′s results are more accurate.

irregular waves;sloping dike;average wave overtopping

TV 139.2+5

A

1005-8443（2016）04-0331-05

2016-02-01；

2016-03-29

周雅（1992-），男，江蘇省揚州人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑物相互作用方向研究。Biography：ZHOU Ya(1992-),male,master student.