科倫坡港口城潛堤長度優化的試驗研究

楊婷，蔡東勝，張智凱

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

科倫坡港口城潛堤長度優化的試驗研究

楊婷1，蔡東勝2，張智凱1

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

為了優化科倫坡港口城潛堤的長度，通過物理模型試驗，對3種不同長度的潛堤，在不同設計水位條件，不同重現期波浪作用下的波高分布及越浪量作觀測比較，并對結果進行分析研究。試驗結果表明，有潛堤條件下的波高值及越浪值較無潛堤條件下小；潛堤越長，受潛堤掩護的區域的波高值及越浪量越小，但是當潛堤達到一定的長度后，潛堤最前端位于水深變化較緩的區域后，波高折減系數變化不大。

科倫坡港口城；潛堤；物理模型試驗；長度優化；波高分布；越浪量

波浪是造成海灘侵蝕的主要動力因素之一，在開敞式海岸地區尤為明顯[1]。當波浪從外海傳到近岸時，會對海灘和近岸建筑物造成一定的沖擊。在部分海岸防浪工程設計中，在海堤前設置離岸式潛堤以有效地減小波浪對海堤的沖擊。理論上，潛堤堤頂高程合理，長度足夠，波浪對海堤的沖擊是可以避免的。但由于工程投資有限以及設計水位與波高的不確定性，完全避免不切實際。

目前，關于潛堤的波浪研究成果主要基于潛堤與海堤之間的相對距離，潛堤的斷面形式、潛堤的堤頂高程及寬度等。陳兆林[2]等通過物理模型試驗，對斜坡堤、大圓筒以及板樁直立堤的3種潛堤斷面，在3種不同水位、波高作用下的消波效果進行了觀測對比，并對其結果進行分析研究。常江[3]等針對斜坡堤的堤頂寬度，對不規則波作用下越浪量的影響進行了系統研究，給出了堤頂寬度對越浪量衰減系數的影響關系式。陳謙[4]等針對不同的潛堤與海堤距離以及不同的堤頂高程進行研究，得出潛堤位置對越浪的影響。許小峰等[5]對帶離岸式潛堤的斜波堤越浪進行數值模擬，得出潛堤斷面形式、高程、頂寬、潛堤與海堤相對距離對海堤不同程度越浪的影響。

本文以科倫坡港口城基礎設施發展項目[6]為例，通過物理模型試驗，對潛堤的長度與受其影響的近岸水域波高分布進行研究，為工程設計提供相關的參考依據。

1 工程概況

科倫坡港口城項目位于斯里蘭卡科倫坡市，科倫坡港南防波堤南側。工程建設游艇外護岸和防波堤，防波堤后建有人工沙灘、游艇水域等。外防波堤總長度約3 445 m，南側設有口門，寬度約277 m，南口門兩側分別為外防波堤堤頭和南游艇碼頭區外護岸，口門處設有攔沙堤，頂高程為-5.0 m。南口門外建有潛堤，頂高程為-1.0 m（見圖1）。

圖1 港口城平面布置圖Fig.1 Layout of the Colombo Port City

2 物模試驗

試驗在長70 m，寬52 m，深1.2 m的波浪水池中進行，水池的一端配有消浪設施，另一端配有多向不規則造波機，由計算機自動控制產生所要求模擬的波浪要素。港池兩端設有消浪設施以及消除及減少反射波。港池側邊設導波板，在防波堤等建筑物反射區域內設消浪坡，以保證入射波不受干擾[7]。

試驗采用正態模型，根據場地條件、工程的平面尺寸以及研究內容，本次試驗選取的模型比尺取1∶49。在游艇護岸與潛堤間的水域布置21個測點，測量工程區近岸水域波浪要素。本文僅對圖2中的A1～A11共11個測點進行研究。在游艇外護岸擋浪墻和原有Galle路沿岸護岸（頂高程4.5 m）后布置17個測點，量測堤頂越浪量。潛堤分別為無港口城項目，230 m，350 m及430 m。波浪方向為225°（SW向），波浪重現期為200 a、100 a和1 a。

測點位置A1～A11的布置見圖2，其中A1～ A3布置在距離潛堤最近處，A4～A7布置在護岸與潛堤之間，A8～A11布置在距離護岸最近處。

3 試驗結果與分析

3.1 潛堤后波高

試驗結果見表1。

圖2 測點位置布置圖Fig.2 Layout of measuring points

表1 潛堤后波高測量值Table 1 Measurement of the wave height behind the submerged breakwater

從表1中看出，項目未建設時，100 a一遇波浪的工況條件下，A3～A7測點的波高值均大于入射波高，尤其在A5及A7測點達到波浪最高值（K2=1.13）。從圖2中地形可知，該區域沙灘坡度較陡，在100 a一遇波浪的作用下，波浪破碎，易形成較高的破碎波高。當項目建設后，位于潛堤與游艇外護岸中間的4個測點（A4～A7）的波高值均較項目未建設時波高值大；同時，從表1中可知，各工況條件下，本工程最大波高值的區域均位于潛堤與護岸的中點處。這是由于該處環境較為復雜，波浪受潛堤、游艇外護岸及原Galle護岸的相互作用，波高值較工程實施前有一定的增加。因此，為充分利用潛堤的消能作用，要使入射波盡量在潛堤附近破碎，以便最大波高值區域可遠離護岸，從而達到顯著減少護岸附近波高的目的。當港口城項目建設后，護岸前的波高值隨著A8，A9，A10，A11遞減分布，其中測點A11處波高值最小，說明該處波高值隨著水深減小而減小。

對比同一潛堤長度條件下的波浪要素可以看出，重現期越大，則潛堤對波浪的削減能力越弱。這是由于波高值越大，則波浪越易破碎，形成較高的波高值，而潛堤的作用則相對減弱。當波浪重現期為1 a一遇時，潛堤長度越長，潛堤對波浪的削弱能力越強，其中K1（潛堤長430 m時較潛堤長230 m，下同）平均減少23%，K2平均減少18%，K3平均減少7%。當波浪重現期為100 a一遇時，潛堤長430 m時，除A1～A3外，其他測點的波高值與潛堤350 m時的波高值相差不大；但是較230 m時的波高值有一定的減少，其中K1平均減少36%，K2平均減少3%，K3平均減少2%。當波浪重現期為200 a一遇時，與波浪重現期為100 a一遇時情況基本一致。從試驗看出，潛堤對入射波浪有一定的削弱作用，尤其是堤后水域（A1～A3），波浪折減最多；潛堤越長，波高值越小，但是當潛堤增加到一定的長度（430 m），潛堤最前端位于水深變化較緩的區域，潛堤長度對于波浪的削弱作用相對而言不顯著。

3.2 潛堤后越浪量

本次試驗各岸段越浪量測量結果見表2所示。由于Y1～Y13段皆未測到越浪量，在此處不再單獨列出。

表2 越浪測量值Table 2 Measurements of overtopping

從表2可知，Y14，Y15，Y17測點，受工程掩護，無潛堤下的越浪量大于有潛堤下的越浪量，說明潛堤確實具有消波消能的作用。在相同水深及波浪條件下，隨著潛堤長度的減小，其對護岸的掩護作用逐漸減弱。而由于潛堤處局部岸段（Y16）受工程影響，越浪較工程未建時有所增大。

4 結語

通過對3種不同長度的斜坡式潛堤的波浪試驗測量結果并進行比較與分析，可得出如下4點結論與建議。

1）在相同水深及波浪條件下，有潛堤條件下的波高值（A4～A7）、越浪量（Y15及Y17）較無潛堤條件下的波高值及越浪小。潛堤對距離其最近的區域的作用最大，越靠近潛堤，其波浪折減系數越大。

2）潛堤越長，受潛堤掩護的區域的波高值及越浪越??；但是當潛堤達到一定的長度后，潛堤最前端位于水深變化較緩的區域后，波高折減系數變化不大。

3）原則上，潛堤長度越長，波浪對護岸的沖擊作用越弱，但實際工程應用中需考慮工程造價及施工難度的問題，以便得到最利于施工的方案。

[1]龔崇準，陳美發，朱憲偉，等.樁式離岸堤保灘促淤工程消浪效果試驗研究[J].海洋工程，2001，19（4）：72-77. GONG Chong-zhun,CHEN Mei-fa,ZHU Xian-wei,et al.An experimental study on effects of offshore pile dikes for beach protection[J].Ocean Engineering,2001,19(4):72-77.

[2]陳兆林.不同結構離岸式潛堤消浪效果試驗研究[J].海岸工程，2005，24（2）：1-6. CHEN Zhao-lin.Experimental study of wave dissipating effect of offshore submerged dikes with different structures[J].Coastal Engineering,2005,24(2):1-6.

[3]常江，柳淑學，李金宣，等.斜坡堤堤頂寬度對越浪量影響的試驗研究[J].水動力學研究與進展：A輯，2014，29（5）：544-551. CHANG Jiang,LIU Shu-xue,LI Jin-xuan,et al.Experimental research on influence of the crest width on overtopping discharge over sloping breakwater[J].Journal of Hydrodynamics:Ser.A, 2014,29(5):544-551.

[4]陳謙，吳衛，盧永金，等.離岸式潛堤對海堤越浪量影響的實驗研究[J].力學季刊，2006，27（2）：262-266. CHEN Qian,WU Wei,LU Yong-jin,et al.Experimental study of effects of offshore submerged dike on overtopping against seawalls [J].Chinese Quarterly of Mechanics.2006,27(2):262-266.

[5]許小峰.帶離岸式潛堤的斜波堤越浪數值模擬研究[D].青島：中國海洋大學，2011. XU Xiao-feng.The numerical simulation of overtopping of the inclined breakwater with offshore submerged-dike[D].Qingdao：Ocean University of China,2011.

[6]麥宇雄，劉堃，肖仕寶，等.港口城項目初步設計[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2014. MAI Yu-xiong,LIU Kun,XIAO Shi-bao,et al.Basic design of Colombo Port City Development Project[R].Guangzhou:CCCC FHDI Engineering Co.,Ltd.,2014.

[7]周益人，沈雨生.斯里蘭卡科倫坡港口城項目南口門局部整體波浪泥沙物理模型試驗研究報告[R].南京：南京水利科學研究院，2015. ZHOU Yi-ren,SHEN Yu-sheng.3-D physical model test south part of Colombo Port City Development Project[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2015.

Experimental study on length optimization of submerged breakwater in Colombo Port City

YANG Ting1,CAI Dong-sheng2,ZHANG Zhi-kai1
（1.CCCC FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.Engineering Design Institute Co.,Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

To optimize the length of submerged breakwater in Colombo Port City,by using physical model tests.We compared the wave heights and the wave overtopping while under 3 different length of submerged breakwater,within different water levels and different return period,and the analyzed the results.The test results show that the wave height and overtopping which under the condition of submerged breakwater are both smaller than that with no submerged breakwater.The longer the submerged breakwater,the wave height and wave overtopping of the submerged breakwater cover area are smaller.When the submerged breakwater reaches a length,and the forefront submerged breakwater is located in the area of water depth changes slow,the height reduction coefficient changes little.

Colombo Port City;submerged breakwater;physical model test;length optimization;wave height distribution; wave overtopping

U656.2

A

2095-7874（2017）01-0029-04

10.7640/zggwjs201701006

2016-06-03

2016-09-06

楊婷（1987— ），女，浙江杭州市人，碩士研究生，工程師，主要從事港口與航道工程工作。E-mail：baiyeyangting@126.com