斜坡堤越浪流厚度及堤后次生波的试验研究.docx

综合斜坡堤越浪流厚度及堤后次生波的试验研究*代英男，柳淑学，常江，李金宣（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）摘要：通过断面物理模型试验，对于斜坡堤的平均越浪量、堤上越浪流厚度以及堤后次生波的波高、周期的变化情况等进行了较系统的研究，初步建立了堤上越浪流的厚度、堤后次生波的波浪透射系数、周期变化系数与无因次平均越浪量 的关系。该成果可为工程实际及斜坡堤堤顶越浪情况数学模型的参数调整提供依据。关键字：斜坡堤；平均越浪量；堤上越浪流厚度；堤后次生波中文分类号：U 656.31；TV 139.2+文章编号：1002-4972(2011)12-0001-05文献标志码： AExperimental research on layer thickness of wave overtopping flow and secondary wave conditions over sloping breakwaterDAI Ying-nan, LIU Shu-xue, CHANG Jiang, LI Jin-xuan(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)Abstract: Based on a systematic analysis of the mean overtopping, layer thickness of wave overtopping flow on the crest of the breakwater and secondary wave height, as well as the period over breakwater by physical model test, we establish the relationship between the non-dimensional mean overtopping and relative layer thicknessof wave overtopping flow, secondary wave height transmission coefficient, and period variation. The experimental results may serve as a reference for the practical engineering design and the parameter adjustment for associated numerical models.Key words: sloping breakwater; mean overtopping; layer thickness of wave overtopping flow; secondary wave防波堤是保护沿海地区免遭潮、浪袭击的 防护工程建筑物，斜坡式防波堤是防波堤中通用 的结构类型。但是当设计的防波堤堤顶高程较小 时，波浪大量越过堤顶形成越浪，越浪在堤顶形 成越浪流，可冲刷并破坏斜坡堤堤面，之后在港 内形成新的波浪，称此新的波浪为堤后次生波。 堤后次生波对于港内船舶的停泊情况有较大影 响。对越浪过程的大量研究指出，越浪的强度可 以用越浪量大小来衡量，并对堤顶上越浪流的厚 度，以及堤后次生波产生影响。国外典型的斜坡式防波堤堤顶多数不设置防 浪墙或设置较低的防浪墙，在这种情况下越浪情收稿日期：2011-04-20况一般比较明显，越浪量比较大并且在堤顶形成越浪流。因此对于越浪水流的厚度及流速的研究 是十分必要的。Schuttrumpf等 1将波浪在海堤上的 运动过程分为波浪入射段、波浪在前坡变形段、 波浪爬高段、越浪流在堤顶行进段、波浪越顶以 后在后坡形成的水流段5个部分对越浪在堤上的水 流情况进行了研究，并给出每一段的水层厚度及 水体流速的经验公式。进一步，越浪水流越过堤 顶之后在堤后形成次生波，次生波对于港内波浪 情况具有一定的影响，而目前对堤后次生波的研 究主要集中于潜堤的结构形式。海港工程设计 手册2给出斜坡型潜堤、立壁和矩形潜堤、半圆*基金项目：国家自然科学基金创新研究群体项目(50921001)，重点实验室自主课题项目作者简介：代英男（1985），女，硕士研究生，主要从事防波堤越浪研究。 2 水 运 工 程 2011 年 型潜堤透射系数计算公式；防波堤设计与施工规范3给出抛石潜堤透射系数的经验公式；戈龙 仔等4试验给出了防波堤堤后次生波的有效波高、 有效周期、频谱随着相对水深的变化规律。由此 可见堤后次生波的研究主要集中于波浪参数及防 波堤的断面尺度等影响因素，并没有与直接反映 越浪强度的物理量越浪量建立联系。对于越浪量，国内外研究较多，提出了很多 适用于工程和研究的经验公式。目前，国内外不 规则波平均越浪量主要计算方法包括JTJ 2131998港海水文规范5（简称规范方法）、欧洲国家 推荐使用的Van der Meer方法6（简称VDM方法） 和Owen 研究方法7-9等，上述经验公式可计算在 单坡和复坡堤上、有无胸墙的情况下平均越浪量 和单波越浪量。考虑现阶段越浪量的计算公式研 究结果及应用较为成熟，而且堤顶水流的厚度和 堤后次生波的大小与越浪量的大小有着直接的联 系，所以建立堤顶越浪流厚度以及次生波与越浪 量大小的关系，可以方便应用，对于工程设计有 着很好的意义。本文对于光面斜坡堤的越浪量、堤顶越浪 流厚度以及堤后次生波进行了试验研究，建立了 堤顶越浪流相对厚度、堤后次生波的波浪透射系 数、周期变化系数与无因次平均越浪量之间的关 系，其成果可为工程实际及斜坡堤堤顶越浪情况 数学模型的参数调整提供设计依据。和2.2 m两个部分，试验段设在0.8 m宽部分。水槽一端装有由微机控制的液压伺服造波机，由计算 机自动控制产生所要求模拟的波浪。该造波系统 可根据需要产生规则波和不同谱型的不规则波。 水槽末端设有消波缓坡和消波装置。堤顶越浪流厚度和堤后次生波的试验布置如 图1 所示，考虑试验的目的是建立堤顶越浪流厚 度和堤后次生波与越浪量的关系，试验断面采用简单的光滑单坡斜坡堤，堤顶宽度B =0.3 m ，前 坡坡度为12 ，后坡坡度为11.5 。试验测量采用由北京水利科学研究院研制的DJ800 多点浪高仪 采集处理系统，该系统可同步测量多点波面过程 并进行数据分析，其量程在50 cm 以内，误差小 于0.15%, 波高分辨精度为1 mm 。试验中共设 置6个浪高仪，其中1#，2#，3#浪高仪测量堤上水 流厚度，布置位置距堤顶前端距离为0 m，0.15 m 和0.30 m（即堤顶前端，堤顶中端，堤顶后端）， 考虑浪高仪有时可以露出水面，按浪高仪大小， 在堤顶每个测点处设置一个一定深度的洞，且密 封不透水，浪高仪垂直放入，试验过程中洞内一 直注满水，使得浪高仪的底端淹没并定零，可保 证浪高仪所测得的水流厚度是合适的； 4#，5#，6# 浪高仪测量堤后次生波的波面变化，布置位置距 离堤顶最后端为2.3 m，4.3 m和6.3 m。试验时堤顶超高Rc分别取为0.06 m，0.08 m，0.10 m和0.12 m。为建立堤顶越浪流厚度和堤后次生波与越 浪量的关系，测量越浪量的试验布置如图 2 所 示。试验采用接水箱取水测量，箱体长2.0 m，宽0.772 m，高1.0 m。由于越浪量较大，顶面入水 口宽度设为0.2 m，侧面设置读数直尺，用于读取 试验前和试验后水箱内部水体高度。通过直尺的 读数得到水箱内的水面高度在试验前后的差值，1试验概述试验针对梯形光面防波堤，在大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室的海洋环境水槽 中进行，水槽长50 m，宽3 m，高1 m，可同时产 生波浪和水流。水槽的工作段在纵向分割成0.8 m1#2#3# 4#5#6#mm=11.5d=0.4 m图1 堤顶越浪水流厚度及次生波试验布置0.921.04 m0.3 m0.60.78 m2.0 m2.0 m2.3 m0.Rc=0.06 0.12 m15 m0.15Hsm=12 代英男，等：斜坡堤越浪流厚度及堤后次生波的试验研究*第 12 期 3 B =0.3 mRc=0.060.12 m图2 波浪越浪量试验装置布置利用试验时间长度、水箱的体积及箱体顶面入水口宽度可计算得出平均的越浪量大小。直尺最小 刻度为mm，对水位误差为1 mm时可能导致的平 均越浪量最大误差为77.210-6（m3m-1s-1）。试验采用不规则波，波浪不破碎，不规则波 波浪要素如表1所示。波浪频谱采用合田良实改进 的JONSWAP谱10，时间间隔为0.02 s，数据采集 长度为8 192，周期较长时（1.8 s，2.0 s和2.2 s） 为16 384 ，波数为120180个，每组试验重复3次。表1 不规则波试验波参数0.080.070.060.050.040.030.020.0100.30.50.70.91.11.31.R /Hc s图3 波浪平均越浪量试验结果与规范方法、VDM方法比较2.2.1 堤顶越浪流相对厚度的试验数值合理性#对于图2 中1 3 浪高仪所测堤顶3 个位置处（堤顶前端、中间、后端）的水流厚度变化情况 进行了统计分析，堤顶越浪流厚度hc的试验结果取前1/3个厚度峰值的平均值。为验证不规则波堤顶越浪流厚度数值的合理 性，将试验结果与Schuttrumpf等1的斜波堤越浪堤 顶水层厚度计算公式的计算结果进行了比较。其计算公式可以写为： 编号 水深d/m 有效波高Hs/m 有效周期Ts/s 123456780.40.40.40.40.40.40.40.40.0830.1020.1380.1210.1210.1210.1180.1171.41.41.41.21.41.61.82.0 9 0.4 0.122 2.2 sc)=exp 0.75 sch(c（1）Bh(c 0)2试验结果及分析2.1 平均越浪量的分析 为验证试验数值的合理性和适用性，将试验式中：xc为堤顶横坐标，以堤顶最前端为0坐标，向右为正，本文中xc=0 m；0.15 m和0.3 m；B为堤顶宽，本文中B=0.3 m；hc(0)为堤顶最前端水体厚度。具体参数的确定公式见文献1。图4为试验所得堤顶越浪流相对厚度hc/Hs随着 相对堤顶高程的变化情况与公式(1)计算结果的比 较。由图4可见，试验结果与公式计算结果基本一 致，随着相对堤顶高程的增大而略微减小，但是堤顶“中间”和“后端”试验结果略大于公式计 算结果，其原因可能是文献1试验结果采用的统 计方法为累计频率超过50%的水流厚度峰值，而 本文的试验结果采用的统计方法为取前1/3个厚度 峰值的平均值。测得无因次平均越浪量 Q/ CgH 3 与JTJ 2131998港海水文规范（简称规范方法）、欧洲国家推荐使用的Van der Meer方法（简称VDM方法）的 计算结果进行比较，如图3所示，图中给出了无因 次越浪量与相对堤顶高程Rc/Hs的关系。从图3可以 看出，试验值在规范公式与VDM公式之间，略大 于规范公式计算结果，数值适用性良好，为进一 步分析奠定基础。2.2 堤顶越浪流相对厚度试验结果 堤顶越浪流相对厚度定义为堤顶越浪流厚度hc与入射波有效波高Hs之比。Q/(gHs3)0.5VDMHs0.4 mm=121.22 1.34 m2 m 4 水 运 工 程 2011 年 0.82.3 堤后次生波试验结果分析波浪透射系数Kt是研究波浪越堤后所形成次 生波大小的一个重要指标，定义为堤后次生波有效波高H与入射波有效波高Hs之比，Kt=H/Hs。与 上述堤顶越浪流厚度类似，图6 给出了波浪透射0.70.60.50.40.30.2系数K t 与无因次平均越浪量 Q/ CgH 3 及相对堤顶高程R c / H s 的关系。由图6 可以看出，与堤顶越浪流厚度结果一致，波浪透射系数Kt随着无因次0.10.40.60.81.01.21.4Rc/Hs图4 堤顶越浪流厚度试验结果与 Schuttrumpf公式比较平均越浪量 Q/ CgH 3 的增大而增大，随着相对堤顶高程Rc/Hs的增大而减小，两者较好地符合线性关系，从图中可以看出，5 # 和6 # 浪高仪的试验结果基本一致，而4#浪高仪距离堤脚较近，次生2.2.2 堤顶越浪流相对厚度与无因次平均越浪量之间的关系图5 给出了堤顶越浪流相对厚度h c / H s 与无因波浪不稳定，故取5 ，6 浪高仪的数值平均作为堤后次生波的波高，由试验结果可得拟合经验公 式如下：#次平均越浪量 Q/ CgH 3 及相对堤顶高程Rc/Hs的关系。堤顶越浪流相对厚度hc/Hs随着无因次平均越浪量 Q/ CgH 3 的增大而增大，随着相对堤顶高程Rc/Hs的增大而减小，两者较好地符合线性关系。对于各位置越浪流厚度试验结果分别进行拟合可得经验公式如下：Kt=4.71(Q/ CgH 3 )+0.18Kt=-0.19（Rc/Hs）+0.45（8）（9）4# 堤顶“前端”： hc/H=4.22(Q/ CgH 3 )+0.25 （2）hc/Hs=-0.17（Rc/Hs）+0.49（3）0.80.70.60.50.40.30.20.14# 堤顶“中间”： hc/H=3.69(Q/ CgH 3 )+0.20 （4）hc/Hs=-0.13（Rc/Hs）+0.40（5）堤顶“后端”： hc/H=4.24(Q/ CgH 3 )+0.12 （6）hc/Hs=-0.17（Rc/Hs）+0.36“”（7）00 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050Q/(gHs3)0.50.80.70.60.50.40.30.20.10a) 堤后次生波透射系数Kt与越浪量的关系0.80.70.60.50.40.30.20.1 6 6#0 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050Q/(gHs )3 0.5a) 堤顶越浪流相对厚度与越浪量的关系0.80.70.60.50.40.30.20.100.30.50.70.9Rc/Hs1.11.31.5“”b) 堤后次生波透射系数Kt与相对堤顶高度的关系图6 堤后次生波透射系数Kt与越浪量和 相对堤顶高度的关系入射波越过堤顶后形成新的波列，其周期也将发生相应的变化。类似地，定义周期变化系数KT为次生波有效周期T与入射波有效周期Ts之比，00.30.50.70.9Rc/Hs1.11.31.5b) 堤顶越浪流相对厚度与相对堤顶高程的关系图5 堤顶越浪流相对厚度与越浪量和相对堤顶高度的关系hc/Hshc/Hsh /Hc sKtKt“”“”“”前端 y1 = -0.170 5x + 0.493 2“”“”中间 y2 = -0.131 2x + 0.396 0后端 y3 = -0.169 0x + 0.359 44#5#4#5#“”“”“”“” y1 = 4.216 4x + 0.254 5“” y2 = 3.690 5x + 0.201 6 y3 = 4.242 0x + 0.121 45# # 6 5# 6# “”“”“”“”“”“” 代英男，等：斜坡堤越浪流厚度及堤后次生波的试验研究*第 12 期 5 即KT=T/Ts。图7为周期变化系数KT与无因次平均越浪量的增大而增大，随着相对堤顶高程的增大而减小，同样，两者都较好地符合线性关系。3）堤后次生波周期与入射波周期相比，变化 不大，基本在一个数值范围之内保持稳定。堤后 次生波周期随着无因次平均越浪量的增大而略微 减小，随着相对堤顶高程的增大而略微增大，但 总体变化趋势不大。4）本文给出了堤顶波浪越浪流厚度和次生波 波浪透射系数与无因次越浪量和相对堤顶高程的 关系，可供实际工程设计参考。浪量 Q/ CgH 3 以及相对堤顶高程Rc/Hs的关系。可以看出，K T 随着无因次平均越浪量 Q/ CgH 3的增大而略微减小，随着相对堤顶高程Rc/Hs的增大而略微增大，总体来看试验结果较为离散，变化趋势不大，基本接近于1。1.61.51.41.31.21.11.00.90.80.76 参考文献：1Schuttrumpf H, Oumeraci H. Layer thicknesses andvelocities of wave overtopping flow at seadikesJ. CoastalEngineering, 2005, 52: 473-495.顾民权. 海港工程设计手册(中册)M. 北京: 人民交通 出版社, 1994: 539-541.JTJ 298 1998 防波堤设计与施工规范S.戈龙仔, 迟杰, 张慈珩. 防波堤堤后次生波的试验研 究J. 水道港口, 2010(3): 205-209.JTJ 213 1998 海港水文规范 S.Van Der Meer J W. Wave run-up and wave overtopping at dikes R. Delft Netherlands: Technical Advisory Committee on Water Defense, 2002.Owen M W. Design of seawalls allowing for overtopping. NO.EX924R. Wa