圓弧形護面斜坡堤消浪特性分析

虞鑫，黃珊

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

圓弧形護面斜坡堤消浪特性分析

虞鑫，黃珊

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

基于物理模型試驗提出了一種新型的防波堤結構形式，從相對超高、波陡、相對波高和開孔率這4個影響因素對該新型防波堤的消浪性能進行了分析。結果表明，在試驗范圍內，新型防波堤對于深水及大波陡的情況具有更好的消浪效果；當試驗工況開孔率達到16.75%時，防波堤的消浪效果較其他幾種開孔情況要好。

斜坡堤；物理模型試驗；反射系數；透射系數

0 引言

斜坡式防波堤是海港工程中常用的防波堤結構形式，傳統的斜坡式防波堤主要適用于水深相對較淺，波浪及設計波高相對較小的情況[1]。盡管斜坡式防波堤在港口建設中得到了廣泛應用，但其研究成果仍主要是經驗性的，而且傳統斜坡式防波堤的失穩破壞的現象屢見不鮮。

斜坡式防波堤的穩定性主要取決于波浪作用下護面塊體的穩定性。護面塊體是抵御波浪，保護斜坡堤堤心石不被沖刷滾落的主要構件[2]。自20世紀50年代初以來，世界上已研制出百余種護面塊體，但被廣泛應用的僅是扭王字塊體、扭工字塊體、四角錐體、四腳空心方塊等幾種[3]。隨著港口大型化、深水化的發展，傳統的防波堤已經無法滿足現代港口工程的需求，各種新型結構的防波堤如雨后春筍般開始大量涌現[4]。

本文研究的圓弧形護面防波堤，借鑒了半圓形防波堤的結構優勢，尋求一種消浪效果良好的環境友好型防波堤結構形式。為此，基于波浪水槽的物理模型試驗，對該護面形式防波堤的消浪特性進行了綜合試驗分析。

1 物理模型試驗設備及儀器

本次物理模型試驗所用的波浪水槽位于長沙理工大學云塘校區水利試驗中心，水槽兩側為透明玻璃，總長45 m、寬0.8 m、高1.0 m。造波機后側設有直立式消能網，水槽尾部設有消能坡，以消除波浪反射影響。

波浪水槽造波系統可產生單向規則波、不規則波、孤立波。波浪數據采集采用電容式浪高儀，型號為WG-50，精度0.4%，探測高度10～20 cm，線性度0.2%，反饋時間2 ms。

2 模型試驗布置

模型布置于水槽中間位置，試驗共安置7個浪高儀，其中1號浪高儀布置在水槽端部10 m左右位置，通過1號浪高儀反饋的波浪數據檢測目標波浪要素的準確性。2號、3號、4號浪高儀負責采集防波堤前入射、反射波浪的合成波高，通過后續計算得出入射波高和反射波高；5號浪高儀布置在堤前，用于采集防波堤前波浪的雍高；6號、7號浪高儀布置在模型后端用于測量堤后透射波高。模型試驗浪高儀布置見圖1，模型橫斷面見圖2。

圖1 模型試驗布置（單位：m）Fig.1 The sketch map of experiment plan（m）

圖2 模型橫斷面（單位：mm）Fig.2 Cross-sectional of the model（mm）

3 試驗參數及方法

按照重力相似原則選取模型比尺為1∶15[5]，在三組不同水深情況下，通過輸入不同波浪參數進行規則波造波，以及改變模型護面的開孔率φ，得到不同影響因素對防波堤消浪效果的影響。

試驗要素為：

水深D=0.35m、0.40m、0.45m；

周期T=1.0 s、1.2 s、1.4 s、1.6 s、1.8 s；

波高 H=0.10 m、0.12 m、0.14 m、0.16 m、0.18m、0.20m；

開孔率φ=8.37%、12.56%、16.75%、20.09%。

按各試驗要素組合后每組工況采集2遍，共采集數據720組。

4 試驗分析

4.1 波浪的反射與透射

波浪在傳播過程中遇到陡峭的岸線或建筑物時，其全部或部分波能被反射而形成反射波，這種現象稱為波浪的反射[6]。反射波具有與入射波相同的波長和周期，但其波高的大小則隨反射波能的大小而定。反射波高與入射波高之比稱為波浪的反射系數，可表示為：

Kr=Hr/Hi（1）

式中：Kr為反射系數；Hr為反射波高；Hi為入射波高。

波浪在傳播過程中遇到障礙物時，除可能在障礙物前發生波浪反射外，還有可能透過障礙物繼續傳播，這種現象稱為波浪透射。透射波高與入射波高的比值稱為波浪透射系數，可表示為：

Kt=Ht/Hi（2）

式中：Kt為透射系數，Ht為透射波高，Hi為入射波高。

波浪在防波堤中的反射系數Kr和透射系數Kt是衡量防波堤消浪能力的重要指標。本文通過Goda兩點法[7-8]分離出反射波高和入射波高，從而求出反射系數和透射系數。

4.2 反射、透射系數與影響因素分析

4.2.1 相對超高對反射和透射系數的影響

相對超高表示如下：

式中：Hc為超高值；H為試驗波高；D為試驗水深；D0為堤頂高程。相對超高是影響防波堤波浪爬高和越浪的重要指標，是分析反射系數的重要因素。

圖3為3組試驗水深下，波浪周期為T= 0.14 s時不同波高情況下的相對波高與反射和透射系數的相互關系。

圖3 相對超高對反射、透射系數的影響Fig.3 The influence of relative high on the reflection and transmission coefficient

從圖中可以看到：3組水深條件下，相對超高對反射系數和透射系數的影響規律基本相同，反射系數隨相對超高值的增大呈V形走勢，即存在一個相對超高值使防波堤的反射系數最小。也即為在防波堤堤頂標高確定的情況下，在某設計水深條件下存在一固定的波高值使得防波堤的反射系數最小。

透射系數隨相對波高值的增大呈增長趨勢但變化幅度不大，透射系數一直保持在一個較小區間。表明相對超高對透射系數的影響不大，即波浪對堤后水域的擾動很小，堤后波面較平穩，防波堤效果較好。

從試驗數據分析，當D=0.35 m時，在相對超高值約為0.93的時候反射系數達到最小，此時Kr=0.24；D=0.40 m時，在相對超高值約為0.62的時候反射系數達到最小，此時Kr=0.22；D=0.45 m時，在相對超高值約為0.27的時候反射系數達到最小，此時Kr=0.15。由3種試驗水深條件下的試驗測值可知，隨著水深的增大，反射系數逐漸減小。綜上所述，在3組試驗水深條件下，此新型防波堤在水深D=0.45 m時的消浪效果較好。

4.2.2 波陡對反射和透射系數的影響

圖4給出了3組試驗水深條件下，入射波高H=0.16 m時，波陡H/L與防波堤反射、透射系數的相互關系[9]。

圖4 波陡對反射、透射系數的影響Fig.4 The influence of wave steepness on the reflection and transmission coefficient

從圖4（a）中可以看到，在3組不同試驗水深條件下，隨著水深的增加反射系數呈遞減趨勢。這與上述相對超高值與反射系數之間的相互關系所得到的結論一致。當水深D=0.45 m時，此時防波堤整體的反射系數都要遠小于其他2種水深條件。而隨著波陡的增加，反射系數則表現出先增大，后減小，再緩慢增長的趨勢。當波陡處于0.055～0.06時，3種不同水深的反射系數都達到最大。隨著波陡的繼續增大，反射系數則開始迅速減小，而且水深越小，這種下降的趨勢越明顯。當波陡處于0.08～0.09時，此時反射系數都達到最小。之后，隨著波陡的增大，反射系數開始相應的增大，但是增長幅度都較小。

從圖4（b）中可以看到，透射系數總體變化不大，基本保持在3%～7%之間。當水深D=0.35 m時，透射系數最小。而其他2種水深條件下透射系數隨波陡增大呈遞減趨勢。而水深D=0.45 m時的透射系數較0.40 m時小，分析原因可能是由于波浪爬高后大部分波浪被堤頂的胸墻擋住，然后回流至消浪室進行了二次消能的結果。

在D=0.35 m時，透射系數最小，而其反射系數最大。這表明在水深較淺的情況下，波能主要以反射波的形式重新傳遞回去，致使堤前波況紊亂；雖然防波堤保護了堤后水域，但并未充分發揮其消浪、消能的功能。而當D=0.45 m時，反射系數最小。即隨著波陡的增大，其透射系數變化不太明顯。這表明，當水深、波陡較大時，該新型防波堤消浪、消能效果較好。

4.2.3 相對波高對反射和透射系數的影響

圖5給出了3組試驗水深條件下，入射周期T=0.14 s時，相對波高H/D對防波堤反射、透射系數的影響關系。

圖5 相對波高對反射、透射系數的影響Fig.5 The influence of relative wave height on the reflection and transmission coefficient

如圖5（a）所示，在相同周期條件下，防波堤的反射系數隨著水深的增加而減小，而隨著相對波高的增大，其反射系數先減小后增大。當相對波高值達到約0.40時，該防波堤在3種水深條件下的反射系數均達到最小值。由此可知，不同水深條件下，此防波堤反射系數最小時，其相應波高不同，而相對波高是一定值。

如圖5（b）所示，在相同周期條件下，透射系數受水深的影響不大，基本保持在同一數值范圍。而透射系數受相對波高的影響較為明顯，隨著相對波高的增大，透射系數逐漸減小，其防波堤的透射系數基本維持在3%～9%左右。

4.2.4 開孔率對反射和透射系數的影響

文中防波堤的圓弧形護面采用了開孔形式，波浪通過開孔圓弧形護面進入消浪室，以達到消浪、消能的效果。護面的開孔率是該新型防波堤消浪效果的關鍵因素。在實驗中擬定了4種開孔率（φ=8.37%，12.56%，16.75%，20.09%），通過對比分析這4種護面開孔率，尋求防波堤的消浪效果。

圖6給出了相對波高、波陡及水深（引入無因次數D/R，其中：D為試驗水深；R為圓弧面半徑。本次試驗中R為定值）在4種不同開孔率下與反射、透射系數的相互關系。

圖6 開孔率對反射、透射系數的影響Fig.6 The influence of opening rate on the reflection and transmission coefficient

從以上圖中可以看到：一般情況下，隨著開孔率的增大，防波堤的反射系數和透射系數隨之減小，當開孔率達到φ=16.75%時，反射系數和透射系數均達到最小值。而隨著開孔率的繼續增大，防波堤的反射系數和透射系數反而明顯的增大。這表明，防波堤護面的開孔率并非越大消浪效果越好，而是存在一個最佳的開孔狀況，使得防波堤的整體性能最好。

本次試驗的最佳開孔率為16.75%。

5 結語

在物理模型試驗的基礎上，通過對試驗所測量的波面數據進行分析，研究了圓弧形護面斜坡堤的消浪特性，結果表明：

1）存在一特定的相對超高值使防波堤的反射系數最小。

2）3組試驗水深范圍內，深水情況下的反射系數最?。徊⒋嬖谝还潭ǖ南鄬Σǜ咧凳沟梅啦ǖ谭瓷湎禂底钚?。

3）此防波堤護面的開孔率并非越大消浪效果越好，而是存在一個最佳的開孔狀況，使得防波堤的整體性能最好。在本次的物理模型試驗中，開孔率為16.75%時，該新型防波堤的消浪效果最好。

4）在試驗范圍內，這種新型的防波堤對于大水深、大波陡的波況具有更好的消浪效果。

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Wave attenuation properties of mound breakwater with circular arc surface

YU Xin,HUANG Shan
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Based on the physical model experiment,we put forward a new type of breakwater structure,and analyzed the attenuation properties of this new type breakwater from four aspects of the relative super high,wave steepness,relative wave height and opening rate.The results show that within the scope of the test,this new type breakwater has better wave attenuation effect in deep water and big wave steepness.When opening rate reached 16.75%,wave attenuation effect of this breakwater is better than other opening situations.

mound breakwater;physical model experiment;reflection coefficient;transmission coefficient

U653.4

A

2095-7874（2016）12-0040-05

10.7640/zggwjs201612008

2016-07-07

2016-08-29

虞鑫（1988— ），男，浙江舟山人，碩士，助理工程師，主要從事港口水運工程領域的相關設計工作。E-mail：516925720@qq.com