防波堤越浪量計算方法的試驗驗證與分析

陳愷，丁廣佳，李景輝，李琛

（1.廣東萬山投資有限公司，廣東 珠海 519100；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

0 引言

海上防波堤是水工建筑物中的常見結構，它通過削減來港波浪的運動，維持堤后港池的平穩，從而保障港內船舶的正常停泊和航行。堤頂越浪量是防波堤設計工作中的必要環節，通常綜合考慮結構經濟性與安全因素，設計防波堤在不同工況下的合理越浪量[1]。因此，斜坡堤越浪量的研究具有重要的意義。

本文依托“珠海港萬山港區外伶仃島石涌灣陸島交通客貨運碼頭防波堤工程防波堤斷面波浪物理模型試驗研究”項目（簡稱依托項目），測定斷面模型越浪量數據，比較水文規范、國外越浪量指導公式、學術領域最新成果和神經網絡預測工具的計算結果，為以后類似工況下防波堤的設計提供更加豐富的參考。

1 依托項目簡介

依托項目的主要內容包括：斷面波浪物理模型試驗，驗證4個防波堤斷面及各優化方案的護面塊體、護底塊石、胸墻及胸墻后直立式結構的穩定性；測試波浪爬高、堤頂越浪量及堤后次生波波高；測量胸墻沉箱臨海面的波壓強及胸墻沉箱底部的浮托力。

項目主體試驗研究于2019年6月在中國交建海岸工程水動力重點實驗室完成，有關試驗結果為珠海港萬山港區外伶仃島石涌灣陸島交通客貨運碼頭防波堤工程設計提供了科學的試驗依據。項目總平面圖及越浪量試驗斷面的具體位置如圖1所示。

圖1 項目總平面及試驗斷面位置圖Fig.1 General plan and locations of the test sections

2 越浪量計算方法

為準確計算不同截面形狀防波堤平均越浪量，通常會根據斷面關鍵參數對其進行結構分類并分別提出對應計算公式。本文通過歸納試驗工況與防波堤形式，對各計算公式進行了具體化表達。

本文涉及的防波堤斷面包括：北堤堤頭燈樁處斷面、客運滾裝碼頭斷面（優化方案二）和貨運碼頭斷面（頂高程5.7 m的胸墻段），具體參數如圖2所示。3個防波堤斷面的近似條件為：迎浪面坡角cot琢=1.5；無肩臺結構；堤頂無直立胸墻（或不在墻后測量越浪）；坡面鋪有扭王字塊護面；JONSWAP譜、極端高水位和設計高水位下的趾前波浪破碎系數 孜m-1，0逸4.9。

圖2 越浪試驗防波堤斷面圖Fig.2 Sections of breakwaters in the wave overtopping test

2.1 水文規范公式

JTS 145—2015《港口與航道水文規范》中第10.2.4.2節規定了斜坡堤在無擋浪胸墻情況下的平均堤頂越浪量計算經驗公式[2]，本項目試驗護面由單層扭王字塊鋪成，故其護面結構影響系數KA取0.45[3]。

2.2 EurOtop2018和Gallach-S佗nchez公式

EurOtop2018源于OPTICREST、PROVERBS、CLASH、VOWS和Big-VOWS等試驗項目越浪數據結果，并在EurOtop2007的基礎上進行了修正[3]。

2021年David Gallach-S佗nchez等為提高大坡陡（0臆cot琢臆1.5）、小堤頂超高（0臆Rc臆0.8）的工況下海岸建筑物平均越浪量計算精度，基于UG13、UG14和UG15越浪量數據集的統計分析，提出了Gallach-S佗nchez公式[4]，如式（1）。

2.3 XGB-Overtopping工具

XGB-Overtopping神經網絡工具是由荷蘭Deltares開發的用于估算各類海岸建筑物平均越浪量的預報工具。XGB-Overtopping雖并非行業標準，但在某些條件下已被證明較經驗公式有一定的準確性優勢[5]。

3 越浪量與計算方法分析

3.1 水槽試驗

3個（優化）斷面的越浪量試驗在中交天津港灣工程研究院有限公司水工研究所的無反射造波機試驗水槽中進行[6-10]。

1）波浪模擬

采用JONSWAP譜作為不規則波頻譜，以有效波高H1/3和平均周期為控制條件進行波浪模擬，偏差值均控制在依5%之內。波譜模擬時，總能量偏差控制在依10%之內。

2）試驗方法

越浪量的測定中，在胸墻頂部放置接水箱收集、測量一個波列中發生的總越浪水量，并給出斷面的單寬平均越浪量。

為了能確切地反映出波浪作用下各斷面的實際越浪量，試驗中采用連續接水，持續時間相當于原型波浪作用3.0 h。由水槽試驗得到的各工況主要參數及平均越浪量的測定值見表1。

表1 水槽試驗各工況主要參數及越浪量測定結果Table 1 Main parameters of the flume tests and wave overtopping results

3.2 計算結果

將各（優化）斷面的結構布置、尺寸和波浪參數分別輸入到3個越浪量計算公式和神經網絡模型中，得到不同工況下的越浪量計算值，將不同方法的計算結果與測定值進行比較。各方法的計算結果及與測定值的誤差見表2。

表2 各越浪量計算方法的計算結果Table 2 Results of the calculation methods for overtopping

3.3 EurOtop和Gallach-S佗nchez公式分析

EurOtop2018公式與Gallach-S佗nchez公式具有相同的函數結構，通過對平均越浪量q和堤頂超高Rc進行無量綱化處理，給出兩者間的連續函數關系。此外，根據其公式中統計參數的正態分布規律，可通過 滋（x）依1.64滓（x）分別求出兩公式的90%置信區間[3]，如圖3、圖4所示。

圖3 EurOtop2018公式計算與試驗測點對比圖Fig.3 Comparison between EurOtop2018 formula and test results

圖4 Gallach-S佗nchez公式計算與試驗測點對比圖Fig.4 Comparison between Gallach-S佗nchez formula and test results

對比發現，兩式的90%置信區間均完整覆蓋0.4臆Rc/Hm0臆0.8內的所有實測點，且能較好地描述相對越浪量q/（gHm03）0.5隨相對堤頂超高Rc/Hm0的變化趨勢。計算結果見表2，EurOtop2018公式的計算值平均相對誤差低于Gallach-S佗nchez公式，且隨著相對堤頂超高的增大，后式的計算精度較前式有更明顯的劣化趨勢；此外，后式90%置信區間的覆蓋面積大于前式，主要是由于其統計參數的標準差滓（2）=0.4，大于前式對應參數的標準差 滓（1.5）=0.15。

4 結語

本文基于“珠海港萬山港區外伶仃島石涌灣陸島交通客貨運碼頭防波堤工程防波堤斷面波浪物理模型試驗研究”項目的防波堤（優化）斷面結構形式和尺寸，計算出EurOtop2018、Gallach-S佗nchez、港口與航道水文規范公式和XGB-Overtopping神經網絡工具在各工況下的越浪量計算值，主要結論如下：

1）水文公式、EurOtop2018和Gallach-S佗nchez公式的計算結果與試驗結果差別均不大，在本項目試驗中具有較好的可靠性；而XGB-Overtopping的誤差相對較大，因此不適于在以水文規范為準的防波堤越浪量設計中參考XGB-Overtopping計算結果。

2）通過比較EurOtop2018與Gallach-S佗nchez公式的計算結果，雖然兩者的公式結構、計算原理相近，但由于EurOtop2018給出的置信區間更窄，因此更適合作為國內防波堤越浪量設計的輔助參考。