涌浪條件下斜坡式防波堤越浪量的對比分析

鐘 杰，王文飛，沈雨生

(1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024；)

隨著“一帶一路”倡議的提出，我國企業承建的海外港口項目逐年增多，且大部分海外港口位于以涌浪影響為主的海域。與國內防波堤設計波浪周期通常10 s左右相比，以涌浪影響為主的海域主浪向波浪周期通常在15～20 s，涌浪對防波堤的作用目前還未得到全面認識。

斜坡式防波堤是港口工程中防波堤最常采用的結構形式。越浪量一直是斜坡堤設計中需要重點考慮的問題，其直接關系到結構的安全和使用。早在1955—1958年美國T.Saville等[1-2]就進行了規則波在斜坡堤上的越浪量試驗。1977年美國海岸研究中心的J.R.Weggle[3]在對Saville的越浪試驗資料分析處理后，提出了單坡斜坡堤上的越浪量公式。1980—1991年英國的Owen[4-6]對海堤越浪量進行完整而系統的研究，提出了相應的計算公式。1992年至今，荷蘭的van der Meer[7-9]對斜坡堤越浪量進行了大量的研究工作，提出了計算公式并不斷根據試驗結果修正計算公式。我國從20世紀60年代開始，進行了許多試驗研究，1990年周家寶等通過試驗研究提出的海堤平均越浪量計算公式被國內規范JTS 145—2015《港口與航道水文規范》[10]采用。2010年陳國平和周益人[11]將爬高引入越浪量的計算公式中，大大簡化了越浪量計算公式。近年來，劉堃等[12]和朱嘉玲等[13]還通過波浪斷面試驗和局部整體試驗研究了斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量。除了通過計算公式計算斜坡堤越浪量外，歐洲學者還建立了越浪量人工神經網絡模型[14]。

由于越浪量影響因素的多樣性、復雜性以及試驗條件等限制，各家公式對較長周期涌浪下斜坡堤越浪量的適用性不明確。本文以某一具體港口防波堤工程為例，對其進行了波浪斷面和局部整體試驗，研究涌浪作用下斜坡堤(單坡、無擋浪墻)的平均越浪量，并與計算結果進行對比分析。

1 斜坡堤平均越浪量計算方法

1.1 《港口與航道水文規范》計算公式

國內《港口與航道水文規范》(簡稱國內規范公式)給出了無擋浪墻斜坡堤的越浪量計算公式：

(1)

式中：Q為單位時間單位堤頂寬度的平均越浪量(m3·m-1·s-1)；KA為護面結構影響系數，與護面結構形式有關；H為堤腳處入射波浪的有效波高(m)；Tp為堤腳處入射波浪的譜峰周期(s)；Hc為靜水位至堤頂的垂直高度(m)；m為前坡坡度的余切值；d為堤腳處水深(m)；A為與m有關的經驗系數。

1.2EurOtop(2018)計算公式

EurOtop(2018)[15]是歐洲學者聯合編寫的專門用于解決海岸防護建筑物越浪量問題的手冊。該手冊的最新版本(第二版)于2018年發布，相比于第一版EurOtop(2007)，第二版EurOtop(2018)對計算公式進行了修正。

對于單坡斜坡式防波堤的平均越浪量，EurOtop(2018)采用了van der Meer的研究成果，計算公式如下(簡稱EurOtop公式)：

(2)

式中：q為單位時間單位堤頂寬度的越浪量(L·m-1·s-1)；Hm0為堤腳處入射波浪的有效波高(m)；Rc為靜水位至堤頂的垂直高度(m)；γf為護面形式影響系數；γβ為波浪斜向入射系數，γβ=1-0.006 3|β|，β為波向線與建筑物法線方向的夾角(°)。

可見，EurOtop(2018)中單坡斜坡堤的平均越浪量計算公式不考慮坡度(這主要是由于斜坡堤坡度一般為1:1.5或者1:43)和波浪周期的影響(這是由于該公式的平均越浪量已按最大值控制)。

1.3 人工神經網絡方法(Artificial Neural Network，即ANN方法)

歐洲學者建立了一種基于人工神經網絡方法估算不同類型海岸建筑物越浪量的方法。該方法是基于17 942組試驗和實測結果建立的。該方法的概念見圖1，在該方法中，輸入層包含15個輸入參數，輸出層包含1個輸出神經元，可以是q(越浪量)、Kr(反射系數)或Kt(透射系數)。人工神經網絡方法的詳細信息參見文獻[14]。該人工神經網絡方法已形成了在線計算平臺(http：overtopping.ing.unibo.itovertoppingneuronetnet_solve)，在該平臺上輸入相關參數后，即可預測相應越浪量，還可以考慮波浪斜向入射(以下簡稱ANN方法)。

圖1 人工神經網絡方法概念

2 物理模型試驗

2.1 工程概況

本港口工程位于西非的幾內亞灣內，屬于涌浪影響為主的海灣。擬建設西防波堤(主防波堤)和東防波堤，均采用斜坡堤。工程總平面布置見圖2。根據要求，設計主要采用歐洲標準。為驗證主防波堤的越浪量是否滿足設計要求，需要開展波浪斷面和局部整體試驗進行專項研究。

圖2 工程平面布置(單位：m)

本次研究的主防波堤堤身及堤頭段海床底高程主要在-9.0～-8.0 m。

該工程海域波浪傳至主防波堤時主浪向集中在173°N～200°N，最強浪向為182°N。主防波堤設計波浪要素(圖2中波浪計算點處)為：設計高水位 2.5 m，H=4.7 m，Hm0=4.4 m，TP=12～18 s。主防波堤堤身段斷面見圖3，頂高程為7.00 m，坡度均為3:4，護面采用3.0 m3X-block 塊體。

圖3 主防波堤堤身段斷面(高程：m；尺寸：mm)

2.2 試驗方法

2.2.1試驗儀器設備

防波堤波浪斷面試驗在南京水利科學研究院波浪水槽中進行，水槽長64 m、寬1.8 m、深1.8 m。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。

防波堤波浪局部整體試驗在南京水利科學研究院大波浪水池中進行，波浪水池長68 m、寬52 m、深1.2 m，港池的一端配有消浪緩坡，另一端配有多向不規則波造波機。

2.2.2模型設計

防波堤波浪斷面和局部整體試驗均采用正態模型，根據Froude數相似律設計。考慮到結構物尺度、模型范圍、水深、波浪條件以及試驗場地設備等，本次斷面試驗的幾何比尺l為1:30.5，局部整體試驗的幾何比尺l為1:46.5。

2.2.3越浪量測量

對于防波堤波浪斷面試驗，在水槽內、防波堤后設置接水箱，量測一個波列作用下的越浪水體體積，然后除以一個波列作用時間得到平均單寬越浪量。

防波堤波浪局部整體試驗選取182°N和173°N兩個波向波浪進行越浪量試驗(182°N向波浪與防波堤法線方向夾角β=29°，173°N向波浪與防波堤法線方向夾角β=38°)。防波堤模型在港池內的布置見圖4。試驗中波浪模擬采用不規則波，不規則波波譜采用Jonswap譜(譜峰因子γ取平均值3.3)。堤身段越浪測點布置見圖4(點P1～P3)，在測點位置處防波堤后設置接水箱測量越浪量。

圖4 局部整體試驗模型布置

斷面試驗和局部整體試驗中每組越浪量試驗的采樣時間長度均為約120個波。

2.2.4試驗組次

試驗包括防波堤波浪斷面及局部整體物理模型試驗。試驗組次見表1，波浪周期TP為12、15、18 s共3種。

表1 試驗組次

3 結果與分析

3.1 斷面試驗結果與計算結果對比

斷面試驗中，波高H=4.7 m時不同周期波浪的防波堤越浪狀況見圖5。

圖5 斷面試驗中不同周期波浪的防波堤越浪狀況

斜坡堤越浪量斷面試驗結果與計算結果見表2。

表2 斜坡堤越浪量斷面試驗結果與計算結果

由斜坡堤越浪量斷面試驗結果與計算結果對比可見：

1)同一波浪條件下，斜坡堤越浪量斷面試驗結果與各種計算結果間均存在一定的差異。同一波高條件下，斷面試驗結果表明斜坡堤越浪量隨著波浪周期的增大而增大。這是由于波浪周期越長，波浪波長越長，波浪在斜坡面上的爬高越高，從而堤頂越浪量越大。而國內規范公式計算結果隨著波浪周期的增大而減小，這說明國內規范公式隨波浪周期的變化規律存在一定的局限性。

2)EurOtop公式越浪量計算結果不考慮波浪周期的影響，與斷面試驗結果相比，在波浪周期為Tp=12～15 s時，EurOtop公式越浪量計算結果與斷面試驗結果吻合較好，在波浪周期較長時(Tp=18 s)，EurOtop公式越浪量計算結果小于斷面試驗結果。

3)ANN方法越浪量計算結果隨著波浪周期的增大而增大，這與斷面試驗結果規律一致，在波浪周期為Tp=12～15 s時，ANN方法越浪量計算結果與斷面試驗結果吻合較好，在波浪周期較長(Tp=18 s)時，ANN方法越浪量計算結果大于斷面試驗結果。總體上，正向波浪作用下，ANN方法越浪量計算結果與試驗結果的吻合程度明顯好于國內規范公式和EurOtop公式計算結果。

3.2 斷面試驗與局部整體試驗結果對比

局部整體試驗中不同周期波浪的防波堤越浪狀況見圖6。斜坡堤越浪量斷面試驗與局部整體試驗結果對比見表4。

注：波向：182°N，波高：H13=4.7 m。

表4 斜坡堤越浪量斷面試驗與局部整體試驗結果對比

由斜坡堤越浪量斷面試驗與局部整體試驗結果對比可見，與斷面試驗中正向浪作用情況類似，局部整體試驗中斜向浪作用下，斜坡堤越浪量也隨著波浪入射周期的增大而增大。斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤軸線方向沿程存在變化，沿著波浪入射方向，越浪量有沿程遞減的趨勢，但是均小于正向波浪作用下的越浪量，且斜向角度越大，越浪量整體越小。

3.3 局部整體試驗結果與計算結果對比

EurOtop公式和ANN方法可考慮斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量，國內規范公式不可以考慮斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量。斜坡堤越浪量局部整體試驗結果與計算結果對比見圖7。

圖7 斜坡堤越浪量局部整體試驗結果與計算結果對比

由斜坡堤越浪量局部整體試驗結果與計算結果對比可見：

1)局部整體試驗中斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤軸線方向沿程存在變化，堤身段越浪量較大位置處(P1點)的單點平均越浪量均大于EurOtop公式和ANN方法計算的越浪量結果。

2)斜向波浪作用下，EurOtop公式計算的斜坡堤越浪量結果在試驗波浪周期范圍內均小于局部整體試驗中的堤身段平均越浪量(P1～P3共3個測點平均值)，尤其在波浪周期較長的情況下。可見，EurOtop公式中，對斜向浪作用下斜坡堤越浪量相比正向浪時的折減偏多。

3)在波浪周期較小(Tp=12 s)時ANN方法計算的斜坡堤越浪量結果小于局部整體試驗中的堤身段平均越浪量；在波浪周期較長(Tp=18 s)時ANN方法計算的斜坡堤越浪量結果與局部整體試驗中的堤身段平均越浪量吻合較好。總體上，斜向波浪作用下，ANN方法越浪量計算結果與試驗結果的吻合程度明顯好于EurOtop公式計算結果。

4 結語

1)斷面試驗和局部整體試驗結果表明斜坡堤越浪量隨著波浪周期的增大而增大，而國內規范公式計算結果隨著波浪周期的增大而減小。EurOtop公式越浪量計算結果不考慮波浪周期的影響，ANN方法越浪量計算結果也隨著波浪周期的增大而增大。

2)局部整體試驗中斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤軸線方向沿程存在變化，局部整體試驗中防波堤堤身段越浪量(包括堤身段越浪量較大位置處的單點平均越浪量和3個測點的平均越浪量)總體上大于EurOtop公式和ANN方法計算的斜向浪越浪量結果。EurOtop公式中，對斜向浪作用下斜坡堤越浪量相比正向浪時的折減偏多。

3)總體上，正向和斜向波浪作用下，ANN方法越浪量計算結果與物理模型試驗結果的吻合程度均明顯好于國內規范公式和EurOtop公式計算結果。

需要說明的是，本文僅是對單坡、無擋浪墻的斜坡堤在涌浪作用下的越浪量進行了對比分析，對于復坡或者有擋浪墻的斜坡堤，宜針對防波堤具體結構形式通過波浪斷面和整體試驗開展進一步研究。