直立式防波堤口門區海嘯局部沖刷規律實驗研究

陳杰，段自豪，崔懿秋，管喆，高清洋，曹城

（1.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙410114；2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南長沙410114）

直立式防波堤口門區海嘯局部沖刷規律實驗研究

陳杰1，2，段自豪1，崔懿秋1，管喆1，高清洋1，曹城1

（1.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙410114；2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南長沙410114）

海嘯作為世界上最嚴重的自然災害之一，其巨大的破壞力使得近海建筑物遭受了嚴重的損害。基于波浪水槽實驗，開展海嘯波作用下不同口門距離的防波堤局部沖刷機理實驗研究。實驗結果表明，在海嘯波越頂水流產生的水跌以及海嘯波通過防波堤口門時產生的擾流共同作用下，口門中心線處產生明顯的局部沖刷坑，隨著口門距離的增加，防波堤局部沖刷先加劇后減弱。建立防波堤局部最大沖刷深度與海嘯波波高、防波堤寬度及出水高度、口門間距的關系式，揭示了最大局部沖刷深度與海嘯波波高、防波堤尺寸、口門距離的內在關系。

海嘯波；防波堤；局部沖刷；口門區

近年來頻發的海嘯災害給人類的生命財產造成了巨大損失，海嘯研究已成為國際研究的熱點問題之一（陳杰等，2013）。

大量現場調研發現，海嘯波引起了海岸建筑物周圍嚴重的局部沖刷，危害巨大（Yeh et al， 2007；Palermo et al，2013）。大量的現場調研工作使得人們對海嘯引起的建筑物局部沖刷問題有了進一步的認識，但是現場情況復雜、干擾因素眾多、費用昂貴，限制了對局部沖刷規律的理解和認識。因而部分學者通過實驗研究的方法，分別對墩柱（Kato et al，1999；Tonkin et al，2003；Nakamura et al，2008）、沿海公路（陳杰等，2013）、潛堤（陳杰等，2014）和直立式防波堤（高學平等，1992，2006；Arikawa et al，2012）局部沖刷規律開展了研究工作。

直立式防波堤是一種重要的海岸建筑物，之前的研究沒有考慮防波堤口門區情況（Arikawa et al，2012；陳杰等，2015）。因此，本文在陳杰等（2015）研究成果的基礎上，進一步開展海嘯波作用下不同口門間距的直立式防波堤局部沖刷實驗，探究海嘯波作用下的防波堤局部沖刷規律，為近岸地區建筑物的海嘯防災減災提供依據。

1 實驗概述

實驗在長沙理工大學水利實驗中心的波浪水槽內進行，水槽的長、寬、高分別為40 m×0.5 m× 0.8 m。以斜坡起點為原點，x軸設在波浪水槽底部，波浪傳播方向為x軸正方向，垂直向上方向為z軸正方向，水槽寬度方向向內側為y軸正方向，具體布置情況如圖1所示。

圖1 實驗布置圖

參照陳杰等（2015）和蔣昌波等（2012）的研究實驗，將海岸概化為1∶10（x=0.0～3.5 m）和1∶20（x=3.5～7.0 m）的混合斜坡，防波堤模型位于x=3.0 m處。實驗水深為0.35 m。采用1∶100的幾何比例尺，按照現實中防波堤構筑物長×寬×高為50 m×10 m×10 m的面積，概化長×寬×高為50 cm×10 cm×60 cm的無開孔直立式防波堤混凝土模型，開孔模型居中開口，防波堤出水4.5 cm。共設計3種方案，口門間距分別為0 cm、10 cm、16.5 cm，對應實際間距0 m、10 m、16.5 m。現階段的海嘯泥沙實驗均存在按比尺無法選到合適的模型沙的問題，若按照實驗比尺，實驗沙將采用非常細的泥沙，但非常細的泥沙變得更加具有粘聚力，對實驗結果影響較大，因此斜坡采用篩分好的無粘性細沙堆成。由于本文是在陳杰等（2015）研究成果的基礎上，進一步開展海嘯波作用下不同口門間距的直立式防波堤局部沖刷實驗，因此泥沙粒徑的選擇應盡量與其保持一致，對泥沙進行5次隨機取樣，篩分結果顯示，平均中值粒徑為d50= 0.369 mm，平均不均勻系數（Cu=d60/d10）為2.82，平均曲率系數（Cc=d302/（d10d60））為1.117，實驗共設置12組不同工況。由于水槽尺度的限制，在波浪水槽模擬的海嘯波不可避免地要比按照比尺換算過來的真實的海嘯波更陡，很難在使用相似比尺的同時在波浪水槽中建立海嘯波模型，故多數情況下，海嘯的實驗室研究工作中均采用孤立波模擬海嘯波侵襲情況。通過前期預備實驗，計算得到波高為0.05 m時，足以使得本實驗中的泥沙處于起動狀態，同時根據造波機的造波能力設置孤立波波高，研究工況如表1所示。

波高測量采用加拿大WG-50型浪高儀和超聲波水位計。浪高儀最小測量周期為1.5 μs，誤差為0.4%，采樣頻率為50 Hz。超聲波水位計采樣頻率為20 Hz，測量精度為0.2 mm。地形測量采用URI-IIU超聲波地形儀，測量誤差為±1 mm，用已知地形對儀器進行校準。實驗同時采用分辨率為1 920×1 080的Logitech C910高清攝像頭從水槽側面進行拍攝記錄。

表1 研究工況

實驗首先將斜坡鋪好整平，安裝好防波堤模型，水槽灌滿水，浸泡沙質斜坡12 h以后，再緩慢將水位降低到實驗水深，約30 min后開始造波，測量波高數據。待水面充分平靜后，進行下一次造波，共進行6個波的逐個作用，最后測量最終三維地形。通過大量預備實驗我們發現，如果不是大開度的防波堤口門布置形式，對實驗效果的影響可以忽略。因此，在本實驗布置時，只采用小開度的尺寸模型，故水槽邊壁對實驗地形變化結果無影響。正式實驗開始前開展大量預備實驗，對造波機可靠性和重復性、地形變化重復性、儀器設備的可靠性進行驗證。完成一個組次的實驗之后，把整個斜坡的沙子全部翻動攪拌，使泥沙均勻混合，再重新鋪好斜坡并整平，接著重復上述步驟開始下一次組次實驗。

2 結果分析與討論

以波浪水槽寬度方向外側為y軸零點，向內側為y軸正方向，設置0.09 m、0.13 m、0.17 cm、0.21 m、0.25 m、0.29 m、0.33 m、0.37 m和0.41 m九個位置為地形儀測量通道，繪制岸灘地形圖。圖2給出波高為12.02 cm的6個孤立波（組次9）作用后防波堤口門（模型布置二）局部三維地形變化結果。可以看出在孤立波的作用下岸灘在x≈2.8~ 3.2 m發生沖刷，形成沖刷坑，在x≈2.5~2.75 m處淤積，同時防波堤周圍產生明顯的局部沖刷坑。實驗錄像結果顯示，岸灘沖刷發生在水流回落時后，泥沙在離岸區水躍發生處堆積，呈沙壩剖面，結果與其他學者（Kato et al，1999；Tonkin et al，2003；Nakamura et al，2008；陳杰等，2013）實驗一致。孤立波上爬階段，波浪越過防波堤模型形成水跌，同時能看見很明顯的擾流現象，防波堤向岸側開始出現局部沖刷坑。在孤立波回落階段，水流迅速回落，受防波堤模型的阻擋，中間出現擾流，越頂水流則在防波堤向海的基礎處形成明顯的水跌。在水跌和擾流的共同作用下，防波堤向海側的局部沖刷坑迅速增大。模型布置三實驗均呈現類似的結果，防波堤的局部沖刷均是由水跌和擾流的共同作用形成。

圖2 波高12.02 cm作用下防波堤（模型布置二）局部沖刷實驗結果（組次9）

2.1 防波堤口門區局部沖刷規律

圖3分別給出防波堤模型M1、M2、M3口門處局部地形變化實驗結果，其中地形變化值由6個孤立波作用后的最終地形值減去初始地形值而得。可以看出防波堤口門向岸和向海側均發生了的局部沖刷。從圖3可以發現入射波波高越大，局部沖刷坑越深。在最大波高作用下，口門距離10 cm的情況下即M2模型局部沖刷深度最大，達到7.8 cm；口門距離16.5 cm的情況下即M3模型側局部沖刷深度略少，有5.23 cm；口門距離0 cm的情況下即M1模型局部沖刷深度相對較小，達到2.35 cm，并且沖刷坑位于距離防波堤向岸側0.25 m的位置。

圖3 防波堤局部地形變化情況

圖4 沿水槽寬度方向上的防波堤局部沖刷深度變化

圖5 不同布置形式的防波堤口門中心斷面（y=0.25 m）處的地形變化

圖4分別給出了M2、M3防波堤模型在不同波高條件下沿水槽寬度方向局部最大沖刷深度情況。可以看出，M2布置情況下即口門距離10 cm，局部最大沖刷深度從水槽中心線處（y=0.25 m）向兩側逐漸減小，在口門中心線處沖刷深度最大，同時最大沖刷深度隨波高的增大而增大；M3布置情況下即口門距離16.5 cm，局部最大沖刷深度從水槽中心線處向兩側先增大后減小，在y=0.33 m出達到最大值。圖5給出了防波堤不同布置形式下沿水槽中心線處（y=0.25 m）最大沖刷深度變化情況。從純岸灘（M0）到口門距離16.5 cm，最大沖刷深度先增大后減小，在口門距離10 cm（M2）的情況下達到最大值，無防波堤布置時岸灘沖刷深度最小。由于防波堤的修建，產生了擾流和水跌，加劇了防波堤周圍的沖刷，使得沖刷深度大于純岸灘的情況。

2.2 口門區沖刷原因探討

圖6和圖7分別給出了組次6和組次9在第6個波作用時防波堤的局部沖刷情況。從圖6中可以看出，模型M1即口門間距為0的防波堤局部沖刷主要是由越頂水流的水跌和回落水流造成的，越頂水流在堤角處產生的渦流加劇了防波堤的沖刷。在陳杰等（2015）數模分析中，認為直立堤向岸側局部沖刷主要發生在海嘯上爬時刻，堤腳處形成的渦流是局部沖刷形成的主要原因；直立堤離岸側的局部沖刷主要由海嘯波回落水流越過堤頂生成水跌形成，模型M1實驗現象與其一致。在圖7中模型M2即口門距離為10 cm的防波堤口門區局部沖刷是由越頂水流產生的水跌和擾流共同造成的。當波浪向上爬升時，水流由于口門的束水作用流速增大，水流挾沙能力增強，使得防波堤口門局部產生沖刷，同時越頂水流經過防波堤后形成水跌，對堤后造成沖刷；當水流回落到達口門區后水位壅高，水流大部分從口門經過，產生強烈的擾流，同時由于口門的束水作用，水流流速增大，挾沙能力增強，導致此區域遭到明顯沖刷，如圖7（b）所示；水流經過口門區后，束水作用減弱，流速減小，泥沙在口門區向海側附近逐漸淤積。模型M3的沖刷過程呈現與圖7類似的情況。

圖6 海嘯波作用下M1（組次6，第6個波作用）沖刷過程

圖7 海嘯波作用下M2（組次9，第6個波作用）沖刷過程

2.3 局部沖刷因素關系

海嘯波作用下引起的防波堤局部沖刷，會造成基礎破壞，防波堤損毀，因此防波堤堤腳處的最大局部沖刷深度是學者們最關注的問題。最大局部沖刷深度受到海嘯波、防波堤尺寸、防波堤間距等共同作用的影響，實驗發現其主要影響因素有海嘯波波高H、防波堤寬度B、防波堤出水高度dw、防波堤口門距離b，詳見圖1。可用下式進行描述：

zmax=f（H，B，dw，b）（1）

采用無量綱參數對海嘯波作用下引起的防波堤局部最大沖刷深度進行描述，如式（2）所示：

其中，H-dw可表征為海嘯波的越頂高度；zmax/B可表征為相對最大沖刷深度；（H-dw）/dw可表征為海嘯波相對越頂高度，b/B可表征為口門相對距離。如圖8所示，分別取M1、M2、M3模型局部最大沖刷深度數據，繪制關系圖，得到相對最大沖刷深度與海嘯波相對越頂高度、口門相對距離的關系式，如式（3）所示，得到趨勢線擬合度為0.946。

可以看出，隨著海嘯波相對越頂高度（H-dw）/ dw的增加，相對最大局部沖刷深度zmax/B增大。防波堤的局部沖刷是水跌和擾流共同作用的結果，隨著海嘯波相對越頂高度的增加，水流上爬和回落過程中產生水跌的沖刷能力增強，以及口門相對距離的減小，使得擾流加劇，起到了“束水攻沙”的效果，但同時在口門區向海側附近產生了淤積。

圖8 防波堤局部最大沖刷深度與入射波高、防波堤尺寸、相對口門距離的關系

表2 公式（3）實驗值與預測值對比

基于式（3）預測本實驗條件下組次4~12防波堤局部最大沖刷深度與實測值，平均相對誤差分析如表2所示，平均相對誤差較為合理。如圖9（a）所示，當b/B=1時，若減小防波堤出水高度，如H=30 cm，dw=3 cm時，根據式（3）預測防波堤最大局部沖刷深度為9.69 cm。如圖9（b）所示，當dw=4.5 cm時，若減小防波口門相對距離，如H=30 cm，b/B=0.5時，根據式（3）預測防波堤最大局部沖刷深度為8.30 cm。結合圖9可以看出，當波高不變時，防波堤局部最大沖刷深度隨防波堤出水高度增大而減小，隨口門相對距離的增大呈現先增大后減小的趨勢，在b/B=0.75~1.25范圍內達到最大值；當防波堤出水高度和口門相對距離不變時，最大局部沖刷深度隨波高的增大而增大。

圖9 防波堤局部最大沖刷深度預測值

3 結論

在波浪水槽實驗的基礎上，對海嘯波引起的防波堤局部沖刷機理開展研究。根據前人研究成果，采用無粘性細沙堆砌而成的1/10～1/20組合坡概化岸灘，選取孤立波模擬海嘯波。實驗結果表明在海嘯波越頂水流產生的水跌以及海嘯波通過防波堤口門區產生的擾流共同作用下，防波堤模型周圍產生明顯的局部沖刷坑。由于防波堤口門的存在，使得口門中心線處沖刷較為嚴重，回落水流在經過口門區后，束水作用減小，水流挾沙能力降低，泥沙在向海側距離口門區不遠處淤積。基于本文實驗數據，建立防波堤口門區局部最大沖刷深度與海嘯波波高H、防波堤寬度B、防波堤出水高度dw、防波堤口門間距b的關系式，得到了最大局部沖刷深度與海嘯波、防波堤尺寸、口門間距的內在聯系，并將實驗數據回帶到公式中，驗證其準確性。建議在海嘯可能發生區域修建防波堤時，其基礎周圍應采取防沖刷措施，以防止局部沖刷的產生危害建筑物安全，并在向海側口門區及時疏浚清淤，以保證船舶通航安全。同時，由于實驗比尺問題的存在，將來在特大型波浪水槽內開展海嘯泥沙實驗是未來研究的趨勢。

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（本文編輯：袁澤軼）

Experimental study of local scour around the gap area of vertical breakwater by tsunami waves

CHEN Jie1,2,DUAN Zi-hao1,CUI Yi-qiu1,GUAN Zhe1,GAO Qing-yang1,CAO Cheng1
(1.School of Hydraulic Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha,410114 China; 2.Key Laboratory of Water,Sediment Sciences&Flood Hazard Prevention of Hunan Province,Changsha,410114 China)

As one of the most serious natural disasters in the world,tsunami has caused serious damage to the offshore structures.A set of 2D laboratory experiments was designed to investigate local scour around the gap area of vertical breakwater by tsunami waves.Different distances of the gap were considered.Results of the experiment show that tsunami wave goes over the breakwater then rushes up onto the beach as a hydraulic drop and goes through the gap as disturbed flow. The center of gap is scoured obviously.The scoured depth is increasing and then decreasing with the increased distance of the gap.The empirical formulae are given.Formulae are derived from the date of maximum local scour depth and tsunami wave height,building width,height,gap width.The study reveals the internal connection of between maximum local scour around the gap area and incident wave height,breakwater size and gap width.

tsunami wave;breakwater;local scour;gap area

TV149

A

1001-6932（2017）04-0475-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.015

2016-06-20；

2016-08-25

國家自然科學基金重點資助項目（51239001；51409022）；湖南教育廳科研資助項目（YB2015B034）；港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室開放基金項目；湖南省研究生科研創新項目（CX2015B360）。

陳杰（1982-），博士，副教授，主要從事海岸動力過程及其模擬技術研究。電子郵箱：chenjie166@163.com。