高峰，張華平，周加杰，張慈珩，戈龍仔

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；3.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510231）

波浪模型試驗(yàn)經(jīng)歷了規(guī)則波、不規(guī)則波、二維波浪水槽、三維波浪整體的發(fā)展過(guò)程[1]。在以往對(duì)防波堤穩(wěn)定性、越浪量等的研究工作中，小比尺二維波浪水槽模型試驗(yàn)一直發(fā)揮著主要作用，這是因?yàn)樗哂蟹椒ǔ墒?、可靠性高、針?duì)性強(qiáng)和相對(duì)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。如今，三維波浪整體試驗(yàn)也開始應(yīng)用于防波堤工程設(shè)計(jì)研究中。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維波浪斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)，在三維波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)中，諸如波浪繞射、越堤水量、三維穩(wěn)定性、透浪以及它們之間的相互影響等問(wèn)題均可以得到更好的解釋。Gamot（1969年）進(jìn)行了斜向規(guī)則波作用下四腳錐體的穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究，得到穩(wěn)定性隨波向角增大而變差，且與正向浪相比在斜向波作用時(shí)損壞速度會(huì)加快的結(jié)論。第26屆國(guó)際水力研究協(xié)會(huì)（IAHR）大會(huì)上即有多篇論文與報(bào)告涉及到三維不規(guī)則波對(duì)建筑物的作用問(wèn)題，并對(duì)有關(guān)三維不規(guī)則波作用下防波堤越浪量問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。日本運(yùn)輸省港灣技術(shù)研究所（PARI）通過(guò)三維不規(guī)則波試驗(yàn)，得到海堤越浪量結(jié)果比二維不規(guī)則波時(shí)要小20%~30%的結(jié)論[2]。我國(guó)港工研究領(lǐng)域也采用三維波浪整體物理模型試驗(yàn)進(jìn)行防波堤相關(guān)問(wèn)題的研究，俞聿修等對(duì)波浪斜度對(duì)于Hudson公式中的塊體穩(wěn)定系數(shù)的影響進(jìn)行了研究[3]，樸正應(yīng)用三維波浪物模試驗(yàn)驗(yàn)證了斜向波浪作用下混凝土消浪塊體穩(wěn)定性[4]，姜云鵬等應(yīng)用三維波浪整體試驗(yàn)對(duì)比了人工塊體規(guī)則擺放與不規(guī)則擺放的防護(hù)效果[5]。

1 依托工程概況

本次研究的依托工程（KARANGTARAJEPORT）位于印尼爪哇島南岸西側(cè)的Bayah省附近的Clietuh岬灣內(nèi)，岸線走向?yàn)镾W-NE向，距離印尼首都JAKARTA（雅加達(dá)）約100 km，距離東側(cè)的RatuPort（公主港）約35 km（位置見圖1所示）。由于該項(xiàng)目海域?qū)儆谀习肭虺嗟罒o(wú)風(fēng)帶，波浪表現(xiàn)為長(zhǎng)周期涌浪，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，平均周期在14 s左右，主要來(lái)波浪方向集中在S向~SSW向之間，波浪條件惡劣。因此，擬通過(guò)三維波浪物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證和評(píng)價(jià)防波堤的穩(wěn)定性，觀測(cè)波浪越浪情況，并與二維試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，確定設(shè)計(jì)方案的堤頂越浪量是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以此對(duì)原設(shè)計(jì)提出必要修改調(diào)整建議，為方案確定提供科學(xué)依據(jù)。2 模型試驗(yàn)

圖1 工程所在位置示意圖Fig.1 Location of the project

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水池長(zhǎng)45 m，寬35 m， 深1.2 m， 采用不規(guī)則造波機(jī)，水池四周均設(shè)置有消波設(shè)備，主要試驗(yàn)參數(shù)為：極端高水位：+2.36 m，設(shè)計(jì)高水位：+1.85 m，設(shè)計(jì)低水位：+0.15 m；試驗(yàn)中頻譜采用JONSWAP譜（γ=3.3）；波浪的方向選取本海域主要影響浪向，即SW和SSW向；試驗(yàn)波要素由數(shù)學(xué)模型推算確定，設(shè)定的波高見表1。

2.2 試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)

防波堤堤長(zhǎng)550 m，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頭段長(zhǎng)度50 m，采用24 t雙聯(lián)塊體結(jié)構(gòu)，墊層塊石重量為1 200~2 400 kg，設(shè)計(jì)坡度1∶1.5，堤頂高程+10.2 m。堤身分為兩種尺寸護(hù)面塊體，鄰近堤頭部分400 m長(zhǎng)采用18 t雙聯(lián)塊體，墊層塊石重量為900~1 800 kg，坡度1∶1.5，堤頂高程為+9.7 m。其余部分的堤身段為100 m長(zhǎng)與堤根段一致，均采用12.0 t雙聯(lián)塊體進(jìn)行護(hù)面，坡度為1∶1.5，下方墊層采用600~1 200 kg塊石，堤頂高程為+9.1 m。其中，堤頭段斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 試驗(yàn)波浪條件Table1 The test wave conditions

圖2 防波堤堤頭段試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of crosssections in head part of breakwater

2.3 模型設(shè)計(jì)與布置

模型平面布置如圖3所示。

圖3 模型試驗(yàn)平面布置圖Fig.3 The simulation scope of test model

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)要求，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備情況，模型選用幾何比尺55，時(shí)間比尺為7.42。試驗(yàn)水池配備不規(guī)則造波機(jī)的最大造波水深0.6 m，波高0~25 cm，周期0.5~5 s，根據(jù)上述比尺設(shè)計(jì)模型可滿足造波實(shí)現(xiàn)能力。三維試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袑?duì)于水下地形的模擬是采用網(wǎng)格樁點(diǎn)法復(fù)制，即按1.2 m×1.2 m布設(shè)樁點(diǎn)，尺寸偏差控制在±1 cm以內(nèi)。防波堤的護(hù)面塊體模型中護(hù)面塊體采用水泥、原子灰與配重鐵粉預(yù)制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求。所采用的其他各種塊石均按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。試驗(yàn)塊體擺放按照方案設(shè)計(jì)要求，雙聯(lián)塊體為單隨機(jī)擺放。

3 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 護(hù)面塊體的穩(wěn)定性

在極端高水位（+2.36 m）重現(xiàn)期為50 a波浪作用下，大部分波浪于堤頭及堤身海側(cè)斜坡上發(fā)生破碎，破波水體沖擊堤身護(hù)面塊體，堤頭出現(xiàn)破波水體繞流。試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)相當(dāng)于原型6 h的波浪連續(xù)作用后，堤身及堤頂護(hù)面塊體均穩(wěn)定；防波堤海側(cè)400~500 kg護(hù)底塊石及900~1 800 kg拋石棱體穩(wěn)定；防波堤各部分護(hù)面塊體均穩(wěn)定；防波堤堤身港側(cè)2 000~2 500 kg護(hù)面塊石在越浪水體沖擊下，個(gè)別發(fā)生滾落，但失穩(wěn)率小于1%。在設(shè)計(jì)高水位（+1.85 m）重現(xiàn)期為50 a波浪作用下，試驗(yàn)現(xiàn)象與極端高水位基本相同。在設(shè)計(jì)低水位（+0.15 m）重現(xiàn)期為50 a波浪作用下，波浪對(duì)防波堤的作用明顯小于高水位時(shí)的情況。

3.2 堤身越浪量

當(dāng)SSW向浪作用時(shí)，極端高水位（+2.36 m）重現(xiàn)期為50 a一遇波浪作用下，波浪爬高可越過(guò)堤頂形成越浪，在一個(gè)波列中出現(xiàn)越浪的波浪個(gè)數(shù)約為6%，各水位及重現(xiàn)期波浪作用下，重現(xiàn)期50 a一遇時(shí)最大平均越浪量為10 L/（m·s），而在重現(xiàn)期1 a一遇條件下僅有濺浪、無(wú)明顯越浪出現(xiàn)。當(dāng)SW向浪作用時(shí)，在極端高水位（+2.36 m）重現(xiàn)期為50 a一遇波浪作用下，出現(xiàn)越浪的波浪個(gè)數(shù)約為10%，最大平均越浪量為7.9 L/（m·s），重現(xiàn)期為1 a一遇條件下為0.4 L/（m·s）。其他各組合條件下的越浪量統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2。

表2 防波堤各試驗(yàn)段越浪量結(jié)果Table 2 Overtopping of thebreakwater in each test section L·（m·s）-1

3.3 與水槽試驗(yàn)對(duì)比分析

二維水槽試驗(yàn)中各部分護(hù)面結(jié)構(gòu)也均穩(wěn)定，各水位重現(xiàn)期1 a波浪作用下，堤頂也無(wú)明顯越浪現(xiàn)象，設(shè)計(jì)低水位重現(xiàn)期50 a波浪作用時(shí)越浪量也小于10 L/（m·s）要求，但在設(shè)計(jì)高水位、極端高水位時(shí)所對(duì)應(yīng)的越浪量超過(guò)10 L/（m·s）。經(jīng)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)高水位時(shí)各組次的二維斷面試驗(yàn)越浪量比前文三維試驗(yàn)平均大約30%，這與前文所述的PARI相關(guān)結(jié)論接近，但在極端高水位時(shí)其差距變大，達(dá)到了50%。由試驗(yàn)現(xiàn)象分析表明（見圖4），該差異與長(zhǎng)周期波在二維水槽里試驗(yàn)時(shí)入射波更易疊加導(dǎo)致堤前能量集中有關(guān)，斷面試驗(yàn)中均采用正向浪作用，而三維整體試驗(yàn)中入射波浪與防波堤軸線存在一定角度，且有波能沿堤擴(kuò)散等實(shí)際現(xiàn)象，由此印證了斜坡堤上的波向角對(duì)平均越浪量影響的研究結(jié)論[6]。同時(shí)，斷面試驗(yàn)中在不規(guī)則波序列中存在一定不越浪情況，在波浪連續(xù)作用下堤前會(huì)有壅水。綜合上述原因，二維斷面試驗(yàn)中測(cè)得的越浪結(jié)果有所偏大，而采用三維穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果相對(duì)更為合理。

圖4 二維與三維試驗(yàn)防波堤越浪現(xiàn)象對(duì)比Fig.4 Comparison of the overtopping in 2-D and 3-D model test

4 結(jié)語(yǔ)

1）在二維與三維波浪試驗(yàn)中，雖然破波水體直接沖擊堤身護(hù)面塊體，但各段護(hù)面塊體（12 t、18 t和24 t雙聯(lián)塊體）均可保持穩(wěn)定，僅是堤身港側(cè)受越浪水體的沖擊，個(gè)別2 000~2 500 kg塊石發(fā)生滾落，兩種類型試驗(yàn)的結(jié)論基本一致。

2）堤身段的越浪量在三維與二維試驗(yàn)中存在較為明顯的差異，二維斷面試驗(yàn)中各水位對(duì)應(yīng)最大越浪量比三維試驗(yàn)結(jié)果要大約30%，而在極端高水位時(shí)其差距達(dá)到了50%。分析得到，這種差異與長(zhǎng)周期波在二維水槽里試驗(yàn)時(shí)入射波更容易疊加導(dǎo)致堤前壅水、能量集中以及斜向入射波因素有關(guān)。采用三維穩(wěn)定性試驗(yàn)由于考慮了更接近實(shí)際的一些情況，因此選用其結(jié)果相對(duì)更為合理一些。

3）本次研究中關(guān)于三維、二維試驗(yàn)對(duì)于防波堤平均越浪量的影響差異，由于試驗(yàn)條件的限制可能考察的不夠全面，特別是在不同波向、周期組合時(shí)，由于依托試驗(yàn)的工況組合覆蓋面相對(duì)較窄，因此本文根據(jù)物模試驗(yàn)的結(jié)果還無(wú)法完全統(tǒng)計(jì)一個(gè)確切的三維與二維試驗(yàn)導(dǎo)致最大越浪量差異的特征規(guī)律，隨著今后相關(guān)研究的進(jìn)一步開展將對(duì)該問(wèn)題加以澄清。