尤 薇

（1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210000；2.江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，南京210000）

海岸防護(hù)工程胸墻穩(wěn)定性及越浪量研究

尤 薇1，2

（1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210000；2.江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，南京210000）

文章采用物理模型試驗(yàn)對(duì)日照港石臼港區(qū)海岸防護(hù)工程中胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。首先，利用物理模型對(duì)不同高程下胸墻越浪量進(jìn)行研究，確定了胸墻頂高程為7.5 m時(shí)，可滿足越浪量控制要求；然后，對(duì)有無(wú)潛堤作用下，防護(hù)工程胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：極端高水位時(shí)，50 a一遇波高作用下，潛堤對(duì)后方防護(hù)措施影響較小，但是100 a一遇波浪作用時(shí)，由于波浪在潛堤處產(chǎn)生了破碎從而導(dǎo)致波高發(fā)生衰減，因此提高了后方防護(hù)設(shè)施胸墻的穩(wěn)定性。

海岸防護(hù)工程；越浪量；穩(wěn)定性；物理模型

海岸防護(hù)工程對(duì)于岸線保護(hù)具有十分重要的意義。防護(hù)工程設(shè)計(jì)中，越浪和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是兩大不可忽略的問(wèn)題，其不僅關(guān)系到水工結(jié)構(gòu)本身的安全，還關(guān)系防護(hù)工程后方居民的生命財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題。因此，對(duì)其進(jìn)行研究是十分有意義的。

隨著科技的不斷發(fā)展，越浪量模擬技術(shù)也取得了飛快的發(fā)展。按照研究方法的不同，可分為物理模型和數(shù)值模型。對(duì)于越浪的數(shù)值模擬，其主要是基于計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使其具備造波消波的能力，并能運(yùn)用于越浪模擬［1-7］。由于受數(shù)值計(jì)算方法的限制，這類方法目前還存在一定的不足，例如：受紊流模型以及波面捕捉方法的限制，目前數(shù)值模型對(duì)于波浪破碎的模擬精度還不高；此外，采用數(shù)值研究方法還不能模擬出柵欄板，扭王字塊體等對(duì)越浪的影響等。對(duì)于越浪的物理模型試驗(yàn)方法而言，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已相對(duì)成熟，目前也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域，如防波堤、船廠胸墻的設(shè)計(jì)等［8-10］，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于建筑物的穩(wěn)定性研究，由于數(shù)值模型模擬方法還相對(duì)不成熟，因此目前主要還采用物理模型進(jìn)行研究［11-12］。

日照港石臼港區(qū)擬進(jìn)行海岸帶恢復(fù)開(kāi)發(fā)的護(hù)岸工程建設(shè)，工程具體位置如圖1所示，圖中方框所示區(qū)域

即為本次工程區(qū)域。該項(xiàng)目建成以后將對(duì)當(dāng)?shù)氐暮０稁┩抠Y源具有一定的保護(hù)作用。為了確定海岸防護(hù)工程中胸墻的頂高程，并對(duì)越浪量和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，本文在波浪水槽中對(duì)該工程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究過(guò)程共可分為兩個(gè)部分：首先對(duì)不同頂高程胸墻的越浪量進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明胸墻頂高程為7.5 m時(shí)可滿足越浪量控制要求；然后再根據(jù)確定好的胸墻尺寸，對(duì)有無(wú)潛堤作用時(shí)，胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明：50 a一遇波高作用下，潛堤對(duì)后方防護(hù)措施受力影響不大，而100 a一遇波高作用時(shí)，潛堤可有效削減波浪力提高胸墻的穩(wěn)定性。

圖1 工程海域位置示意圖Fig.1 Location of project

1 工程概況與模型概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣r

本次試驗(yàn)在無(wú)反射波浪水槽中進(jìn)行，該水槽長(zhǎng)約81.0 m、寬1.4 m、高2.6 m。按照區(qū)域功能的不同，整個(gè)試驗(yàn)水槽寬度方向可為兩部分：工作區(qū)和消波區(qū)。水槽一端安裝由計(jì)算機(jī)控制的低慣量直流電機(jī)式不規(guī)則造波機(jī)，其不僅能精確的生成線性波、斯托斯克波、橢圓余弦波等規(guī)則波，同時(shí)還能生成具有Johnswap譜和PM譜的正向不規(guī)則波；水槽末端則安有消波設(shè)施，能較好的消除反射波。據(jù)測(cè)試，該消波設(shè)備能消除95%以上的反射波。本次試驗(yàn)才采用的波高采集儀和波壓力測(cè)量設(shè)備均采用DS-30系統(tǒng)。

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

本次工程區(qū)域位于日照港石臼港區(qū)，主要研究?jī)?nèi)容可分為兩個(gè)部分：第一部分是根據(jù)試驗(yàn)確定防護(hù)工程胸墻的頂高程；第二部分是對(duì)有無(wú)潛堤方案時(shí)護(hù)岸工程中胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。本次工程共選取了斷面1-1和斷面2-2進(jìn)行相應(yīng)物理模型試驗(yàn)，其斷面具體位置示意見(jiàn)圖2。

本次試驗(yàn)采用正態(tài)模型模擬，并按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，即模型與原型之間Froude數(shù)相等，模型比尺為1：20。試驗(yàn)水位以日照港石臼港區(qū)理論最低潮面為基準(zhǔn)面，其極端高水位為5.90 m，設(shè)計(jì)高水位為4.83 m，設(shè)計(jì)低水位為0.57 m。試驗(yàn)分別對(duì)極端高水位、設(shè)計(jì)高兩種水位條件下100 a一遇和50 a一遇波浪作用組合進(jìn)行了研究。本次斷面實(shí)驗(yàn)的邊界波要素主要由波浪模型從外海推算得出，模型具體參數(shù)可詳見(jiàn)表1。表1中Tˉ為平均周期，按照《隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用》［14］，有效周期與平均周期之間的可以由TS＝1.15Tˉ計(jì)算得出。

進(jìn)行胸墻穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，為了測(cè)量作用在擋浪墻上波浪力的大小，分別在擋浪墻的迎浪面和墻底布置了5處和4處波壓力測(cè)量點(diǎn)。胸墻底部的波浪力傳感器布置位置呈等間距分布，每個(gè)傳感器布置間距為20 mm，從左往右依次取名為B1～B4測(cè)點(diǎn)；胸墻迎浪面?zhèn)鞲衅鞑贾瞄g距呈不均勻分布，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)A5布置在胸墻前趾15 mm處，第二個(gè)測(cè)點(diǎn)A4與第一個(gè)測(cè)點(diǎn)A5之間距離為30 m，第三個(gè)A3測(cè)點(diǎn)與第二個(gè)測(cè)點(diǎn)A4之間距離為25 mm，最后兩個(gè)測(cè)點(diǎn)A2、A1布置位置為距離前一測(cè)點(diǎn)35 mm，其具體位置可詳見(jiàn)圖3所示，為確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)均安裝了兩個(gè)傳感器，計(jì)算時(shí)采用兩個(gè)傳感器的平均值確定該點(diǎn)的受力大小。

圖2 本工程區(qū)域示意圖Fig.2 Location of section 1-1 and section 2-2

表1 試驗(yàn)波浪模型值一覽表Tab.1 Wave parameters of experimental model

圖3 擋浪墻壓力傳感器安裝位置圖Fig.3 Distribution of measured point of wave force

2 模型結(jié)果分析

2.1 胸墻頂高程確定試驗(yàn)

為了確定海岸防護(hù)工程擋浪墻的頂高程，本文選取了位于開(kāi)敞海域的2-2斷面進(jìn)行越浪試驗(yàn)。本次試驗(yàn)進(jìn)行比選的胸墻高程方案有+7.00 m，+7.20 m和+7.50 m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。按照要求，本工程最大允許越浪量為0.028 m3/m·s，由表2可知，胸墻頂高程為7.5 m時(shí)可滿足越浪量需求。為了對(duì)試驗(yàn)中越浪發(fā)生的頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表2中給出了越浪頻次出現(xiàn)率的大小，其主要是通過(guò)試驗(yàn)中越浪發(fā)生的次數(shù)與試驗(yàn)總波列數(shù)的比值計(jì)算得出。整體而言，越浪率隨著頂高程的增加而逐漸減小。

2.2 胸墻穩(wěn)定性和越浪試驗(yàn)

在對(duì)海岸防護(hù)工程胸墻越浪量和穩(wěn)定性研究時(shí)，本文主要選取了斷面2-2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。這主要是由于1-1斷面屬于開(kāi)敞海域，外海波要素相對(duì)較大，波浪從外海向近岸傳播時(shí)，在胸墻前的斜坡上便會(huì)產(chǎn)生破碎使得波高衰減，導(dǎo)致作用于胸墻的波浪力相對(duì)較小。圖4顯示了有潛堤作用時(shí)1-1斷面示意圖。如圖4所示，胸墻頂高+7.50 m，胸墻前是一個(gè)比較緩的自然斜坡，坡度為1：30，潛堤位于胸墻前250 m左右的位置。

表2 擋浪墻不同頂高程越浪量一覽表Tab.2 The overtopping of different height breast walls

圖4 有潛堤方案工程1-1斷面示意圖Fig.4 Profile view of section 1-1

2.2.1 無(wú)潛堤方案試驗(yàn)

（1）越浪量分析。

根據(jù)無(wú)潛堤方案的試驗(yàn)結(jié)果，擋浪墻在極端高水位作用時(shí)，波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時(shí)均產(chǎn)生了越浪，越浪量實(shí)測(cè)值如表3。在設(shè)計(jì)高水位作用下，入射波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時(shí)，無(wú)越浪現(xiàn)象產(chǎn)生。越浪概率為越浪次數(shù)與總的試驗(yàn)波列數(shù)的比值，從表3可以看出，100 a一遇波浪作用時(shí)的越浪次數(shù)大于50 a一遇時(shí)的波浪越浪次數(shù)。

表3 擋浪墻一越浪量表Tab.3 The overtopping in the situation without submerged breakwater

（2）波浪力分析。

對(duì)胸墻進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，有3個(gè)重要時(shí)刻需進(jìn)行關(guān)注：最大水平波浪力時(shí)刻（波峰作用），最大浮托力時(shí)刻以及最大負(fù)向水平力作用時(shí)刻（波谷作用）。本次試驗(yàn)中，由于波浪在胸墻前的淺灘處已經(jīng)發(fā)生了破碎，并產(chǎn)生了強(qiáng)烈的紊動(dòng)，波峰波谷的區(qū)分已經(jīng)不為明顯，因此本次試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注作用于胸墻的最大水平力作用時(shí)刻和最大浮托力作用時(shí)刻作用力的情況。

極端高水位作用下，入射波高重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的最大波浪力測(cè)量結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，胸墻迎浪面的最大波壓力點(diǎn)出現(xiàn)在A3點(diǎn)，胸墻底部的最大波浪力出現(xiàn)在B1點(diǎn)。對(duì)于極端高水位下，不同重現(xiàn)期波浪作用時(shí)，胸墻底部變化率比胸墻迎浪面的波浪力變化率大。胸墻底部最大波浪力對(duì)于波要素的變化更為敏感。對(duì)于胸墻迎浪面而言，不同重現(xiàn)期波浪作用下，最大波浪力變化率由上往下呈逐漸增大的趨勢(shì)。

表4 極端高水位作用時(shí)最大波浪力測(cè)量結(jié)果Tab.4 The maximum wave force of experiment without submerged breakwater kPa

表5顯示了極端高水位作用下最大水平波浪力時(shí)刻和最大浮托力時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。從表5可以看出極端高水位作用下，最大水平波浪力出現(xiàn)時(shí)刻，胸墻迎水面所受波浪力要大于胸墻底部所受波浪力，其最大值出現(xiàn)在A3測(cè)點(diǎn)，其值分別達(dá)到了21.41 kPa和22.40 kPa。相比而言，波浪力變化率卻呈現(xiàn)一個(gè)相反的趨勢(shì)，不同重現(xiàn)期波浪作用下，胸墻迎水面的波浪力變化率要遠(yuǎn)小于胸墻底部波浪力的變化率，變化率最大點(diǎn)出現(xiàn)在B4點(diǎn)，變化率達(dá)到了78.73%。最大浮托力時(shí)刻，胸墻迎水面的波浪力與胸墻底部波浪力作用大小相近，50 a一遇波浪作用時(shí)，波浪力最大值出現(xiàn)在A3測(cè)點(diǎn)，其值達(dá)到了16.81 kPa；100 a一遇波浪作用時(shí)，波浪力最大值出現(xiàn)在A4測(cè)點(diǎn)，其值達(dá)到了20.96 kPa。整體而言，不同重現(xiàn)期波浪作用下，胸墻迎水面的波浪力變化率要略大于胸墻底部波浪力的變化率，變化率最大點(diǎn)出現(xiàn)在A1點(diǎn)，達(dá)到了55.78%。

圖5 擋浪墻在極端高水位及100 a一遇波浪作用時(shí)越浪示意圖Fig.5 Wave overtopping on the breast wall

表5 極端高水位最大水平波浪力時(shí)刻與最大浮托力時(shí)刻測(cè)量結(jié)果Tab.5 Wave force at the moment of maximum horizontal wave force and maximum buoy force without submerged breakwater

表6 擋浪墻一越浪量表Tab.6 The overtopping in the situation with submerged breakwater

圖6 極端高水位100 a一遇時(shí)波浪破碎圖Fig.6 Wave breaking near the submerged breakwater

2.2.2 有潛堤方案試驗(yàn)

有潛堤方案時(shí)，胸墻高程、設(shè)計(jì)水位及入射波要素等參數(shù)均與無(wú)潛堤方案相同。潛堤設(shè)置位于胸墻前約250 m處，潛堤頂標(biāo)高為-1.3 m，堤心石采用300～400 kg塊石結(jié)構(gòu)，表層鋪設(shè)600 mm厚的柵欄板進(jìn)行防護(hù)，具體情況見(jiàn)圖6。

（1）越浪量結(jié)果分析。

有潛堤方案時(shí)，在極端高水位作用下，波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時(shí)均產(chǎn)生了越浪，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。在設(shè)計(jì)高水位作用下，入射波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時(shí)，均無(wú)越浪現(xiàn)象產(chǎn)生。

與無(wú)潛壩方案相比，有潛堤工程方案在極端高水位作用下，50 a一遇波浪作用時(shí)，胸墻底部越浪量減少了約22.62%（0.001 9 m3/m·s），越浪率減少了約7%；100 a一遇波浪作用時(shí)，越浪量減少了約25%（0.002 5 m3/m·s），越浪率減少了約4%。

（2）波浪力分析。

有潛堤作用時(shí)，極端高水位作用下，入射波高重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時(shí)，波壓力測(cè)點(diǎn)的最大波浪力測(cè)量結(jié)果如表7所示。從表7可知，胸墻迎浪面的最大波壓力出現(xiàn)點(diǎn)與無(wú)潛堤方案相比未發(fā)生明顯變化，均為A3點(diǎn)，胸墻底部的最大波浪力出現(xiàn)在B1點(diǎn)。整體而言，100 a一遇波浪作用下胸墻迎水面所收到的波浪力要小于50 a一遇波浪作用時(shí)，最大變化率達(dá)到了-11.7%。這主要是由于100 a一遇波浪作用時(shí)在潛堤處產(chǎn)生了破碎，使得波高發(fā)生衰減。潛堤作用引起的波浪破碎見(jiàn)圖6。與無(wú)潛壩方案相比，100 a一遇波浪作用時(shí)胸墻所受的最大波浪力有所減小，其變化幅度最大達(dá)到了-14.5%。

表8為極端高水位時(shí)，最大水平力作用時(shí)刻和最大浮托力時(shí)刻波浪力的測(cè)量結(jié)果。整體而言，胸墻迎水面和底部波浪力分布趨勢(shì)未出現(xiàn)明顯變化，迎水面最大波浪力仍出現(xiàn)在A3點(diǎn)位置，胸墻底部最大波浪力仍出現(xiàn)在B1點(diǎn)。與50 a一遇波要素作用下胸墻迎水面所受的波壓力相比，100 a一遇波浪作用下迎水面波浪力有所減小，其中最大變化幅度達(dá)到15.7%。與無(wú)潛壩方案相比，100 a一遇波浪作用時(shí)胸墻所受的最大波浪力均有所減小，其變化幅度最大達(dá)到了-14.5%。

表7 有潛堤方案極端高水位下最大波浪力測(cè)量結(jié)果Tab.7 The maximum wave force of experiment with submerged breakwater

表8 有潛堤方案極端高水位下最大水平波浪力時(shí)刻和最大浮托力時(shí)刻測(cè)量結(jié)果Tab.8 Wave force at the moment of maximum horizontal wave force and maximum buoy force without submerged breakwater

3 結(jié)論

綜上所示，無(wú)潛壩作用時(shí)胸墻迎浪面的最大波壓力點(diǎn)出現(xiàn)在A3點(diǎn)，胸墻底部最大波浪力出現(xiàn)在B1點(diǎn)，胸墻所受波浪力隨著波高的增加而增大，就變化率而言，100 a一遇波浪作用下，胸墻底部變化率比胸墻迎浪面的波浪力變化率大。不同重現(xiàn)期波浪作用時(shí)，胸墻迎浪面最大波浪力變化率呈由上往下呈逐漸增大趨勢(shì)。與無(wú)潛壩方案相比，有潛堤工程方案在50 a一遇波浪作用時(shí)，胸墻底部越浪量減少了約22.62%（0.001 9 m3/m·s），越浪率減少了約7%；100 a一遇波浪作用時(shí)，越浪量減少了約25%（0.002 5 m3/m·s），越浪率減少了約4%?？傮w而言，有潛堤時(shí)，50 a一遇波浪作用下胸墻穩(wěn)定性無(wú)明顯變化，而100 a一遇波浪作用下，胸墻穩(wěn)定性有顯著提高。

［1］郭立棟.基于BEM與VOF波浪耦合模型的斜坡堤越浪研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

［2］葉曉文.斜坡式防波堤越浪過(guò)程的SPH模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.

［3］張娜，鄒國(guó)良.斜坡上波浪破碎與越浪非靜壓數(shù)值模擬［J］.海洋工程，2015，33（2）：32-41. ZHANG N，ZOU G L.Numerical simulation of wave transformation and overtopping based on non?hydrostatic model［J］.The Ocean Engineering，2015，33（2）：32-41.

［4］安蒙華，蔣勤，張長(zhǎng)寬.斜坡式海堤越浪流態(tài)及越浪量數(shù)值模擬［C］.第十六屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.大連，2013.

［5］閆科諦，張慶河.柵欄板護(hù)面斜坡堤越浪數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2016，36（2）：16-37. YAN K D，ZHANG Q H.Numerical simulation of overtopping on sloping dike with fence panels［J］.China Harbour Engineering，2016，36（2）：16-37.

［6］王鵬，孫大鵬.基于FLUENT的海堤越浪數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)水運(yùn)，2011，11（7）：73-75. WANG P，SUN D P.Numerical simulation of wave overtopping over seawalls based on FLUENT［J］.China Water Transport，2011，11（7）：73-75.

［7］楊錦凌，孫大鵬.斜坡堤波浪爬高與越浪數(shù)值模擬［J］.海洋工程，2013，31（2）：45-52. YANG J L，SUN D P.Numerical simulation of wave run?up and overtopping on sloping seawall［J］.China Ocean Engineering，2013，31（2）：45-52.

［8］朱偉娜.規(guī)則波作用下海堤越浪流特性的實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.

［9］Suzuki T，Verwaest T，Veale W，et al.A numerical study on the effect of beach nourishment on wave overtopping in shallow fore?shores［J］.Coastal Engineering Research Council，2012，1（33）：1-13.

［10］范紅霞.斜坡式海堤越浪量及越浪流試驗(yàn)研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［11］高峰，雷華.隨機(jī)波浪作用下的防波堤三維穩(wěn)定性及越浪量試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2015，508（10）：50-56. GAO F，LEI H.Three dimensional stability and overtopping test of breakwater under random wave action［J］.Port&Waterway En?gineering，2015，508（10）：50-56.

［12］姜云鵬，張燁.波浪作用下護(hù)岸三維穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.水道港口，2014，35（1）：15-18.

［13］鄭子龍，劉海源.青島造船廠寬肩臺(tái)式防波堤穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.水道港口，2011，32（1）：39-42. ZHENG Z L，LIU H Y.Stability experiment research on berm breakwater in Qingdao shipyard［J］.Journal of Waterway and Har?bor，2011，32（1）：39-42.

［14］俞聿修，隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用［M］.大連：大連理工出版社，2003.

Study of stability and overtopping of breast wall in coastal protection engineering

YOU Wei1,2
（1.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China;2.Jiangsu Province Water Transport Engineering Research Center,Nanjing 210000,China）

In this paper,the stability and overtopping of breast wall in Rizhao harbor was studied by physical model.According to the difference of content,the research can be divided into two parts:firstly,the overtopping of different height walls was studied,and it is found that when the height reaches up to 7.5 m,it can meet the requires of overtopping.And then the stability of breast wall in the condition of submerged breakwater was learned.The re?sult of research shows that in the condition of extreme high water level,the submerged breakwater has little impact on the stability of breast wall when the incident wave height period is 50 years,while for the condition of 100 years, the wave will break in front of the submerged breakwater,which will cause the breast wall more stable.

coastal protection engineering;overtopping;stability;physical model

U 656.3；TV 139.16

A

1005-8443（2016）06-0578-06

2016-07-22；

2016-08-05

江蘇交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目《江蘇沿海建港條件及關(guān)鍵技術(shù)集成研究》（2011Y01）

尤薇（1984-），女，江蘇省南京人，工程師，主要從事港口與海岸工程安全模擬研究工作。

Biography：YOU Wei（1984-），female，engineer.