中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究.pdf

第 41 卷第 4 期 2023 年 7 月Vol.41 No.4Jul.2023海 洋 工 程THE OCEAN ENGINEERING中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究姜云鹏1，韩新宇2，吴进3，陈汉宝1，董胜2（1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程研究中心，天津 300456；2.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；3.中交第一航务工程勘察设计院，天津 300070）摘要：在印度洋、大西洋沿岸，海岸工程设计波浪周期多在14 s以上，具有显著的中长周期波特征。通过以往工程项目的试验结果发现中长周期波下，规范计算的斜坡堤胸墙波浪力明显小于试验结果。因此，通过系列物理模型试验研究了中长周期波下的斜坡堤胸墙波浪力。分析斜坡坡度、肩台宽度和波浪条件对胸墙波浪力的影响。通过将试验结果与我国现有规范中的经验公式计算所得结果进行对比，发现规范更适用于胸墙底淹没的情况，而对于肩台出水情况，规范计算结果小于试验结果。由此提出了一种新的波浪力计算方法，计算准确度得到明显提高。关键词：中长周期波；胸墙波浪力；斜坡堤；斜坡坡度；肩台宽度中图分类号：TV139.2；U656 文献标志码：A DOI:10.16483/j.issn.1005-9865.2023.04.008Experimental study on wave force on crown wall of rubble mound breakwater under medium-long period wavesJIANG Yunpeng1，HAN Xinyu2，WU Jin3，CHEN Hanbao1，DONG Sheng2（1.National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology，Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China；2.College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3.CCCC First Design Institute for Harbor Engineering，Tianjin 300070，China）Abstract:On the coasts of the Indian Ocean and Atlantic Ocean,the design wave period of coastal engineering is more than 14 s,which has obvious medium-long period characteristics.Through the experimental study of the practial engineering,it is found that the wave force calculated by the Code of China Design(CCD)is obviously smaller than the experimental result under the medium-long period waves.Therefore,a series of physical model tests have been carried out to study the wave force on crown wall under medium-long period waves.The effects of slope,berm width and wave period on wave force are analyzed.By comparing experimental results with the empirical formula calculation results of CCD,it is found that CCD is more suitable for the bottom of the bottom of submerged crown wall.For the conditions of the bottom of the non-submerged crown wall,the results of the CCD are smaller than the test results.Therefore,a new method is proposed to evaluate the horizontal wave force on crown wall.The results of the new method are more accurate than the CCD.Keywords:medium-long period waves；wave force on crown wall；rubble mound breakwater；slope；berm width在斜坡堤设计中，为减少越浪，在堤顶设置胸墙是十分常见的，胸墙后方还可布置管道、交通等设施。胸墙一旦失稳，会引发防波堤自身的损坏，也会造成附属设施的破坏。工程实践表明，斜坡式建筑物的破坏往往是从胸墙的破坏开始的。因此，胸墙的稳定是设计考虑的重点，胸墙波浪力是设计的重要依据。多年来，国内外许多学者对胸墙波浪力进行了研究。Gnback和Gcke1将胸墙波浪力分为冲击波浪力文章编号：1005-9865（2023）04-0082-09收稿日期：2022-08-10基金项目：科技援外项目（中国孟加拉港口建设联合研究中心）资助项目（KY202001014）作者简介：姜云鹏（1981），男，副研究员，从事港口海岸波浪研究工作。E-mail：第 4 期姜云鹏，等：中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究和静态波浪力，采用虚拟爬高高度计算静态波浪力。Jensen2研究了不规则波的波高、周期、水深对胸墙波浪力的影响。Pedersen3提出了不规则波下的胸墙波浪力计算方法，这种计算方法目前被美国规范所采用。Martin 等4提出了在规则波下的胸墙波浪力计算方法。Brana 和 Guilien5评估了 Gnback 和 Gcke 公式，Jensen公式，Pedersen公式和Martin公式，结果表明Pedersen公式计算最大水平力的准确性最好，而Martin公式最能反映波浪冲击胸墙的物理现象。Nrgaard等6对Pedersen公式进行了改进，使其能适用于深水和浅水的情况。Molines等7提出了通过越浪量计算胸墙波浪力的计算方法。我国现行 港口与航道水文规范（JTS 1452015）8第10.2.11条给出了斜坡堤胸墙波浪力的计算方法，但该条文从1987版规范提出以来，在1998、2013等修订中均未改动，限于当年的工程环境，经验公式以风浪为主，波周期多在9 s以下，对我国中长周期波的适用性不强。王建良和齐娜9以实际工程项目讨论了规范中水平波浪力和浮托力的折减系数。李成强等10通过试验结果与我国规范公式，Jensen公式和Pedersen公式进行了对比，发现在特定工况下，规范计算结果远小于试验结果，Jensen公式和Pedersen公式与试验结果一致。孙大鹏等11给出了在扭王字块护面下的胸墙波浪力计算公式。随着海外港口建设的推进，海上丝绸之路沿线国家工程逐年增多，且大多处于印度洋和大西洋沿岸，具有明显的长周期涌浪特征。与国内防波堤设计波浪周期通常在810 s相比，涌浪海区的设计波浪周期多在1418 s，两者差异明显。目前，业内普遍认为周期为1030 s的波浪称为中长周期波12-13，其对海岸结构的作用得到越来越多的重视14-15。姜云鹏等16以实际工程为背景，通过物理模型试验发现中长周期波下的胸墙波浪力是规范计算结果的5倍，认为中长周期波对防波堤的作用尚未得到全面认识和研究，在采用我国水文规范进行海外工程设计时也遇到了急需解决的技术问题。对中长周期波斜坡堤胸墙波浪力进行试验研究，目的是分析短周期风浪和中长周期涌浪对胸墙荷载的差异，总结长周期波浪胸墙荷载计算方法，分析当前规范方法的适用性，并提出修正计算方法，为国内外中长周期波海区工程设计提供科学依据，为现行 港口与航道水文规范 相关条文修订提供参考。1物理模型试验1.1试验设备与仪器物理模型试验在二维波浪水槽中进行，水槽尺寸为68.0 m1.0 m1.3 m（长宽高）。水槽一端配有推板造波机，可模拟生成230 cm波高，0.44.0 s周期的波浪。波浪参数测量采用BG-2018型电容式波高仪，采样频率为25 Hz，波压力测量采用YL-2018型高频压力传感器，采样频率为100 Hz。1.2模型设计与布置考虑到实际工程背景和试验设备条件，试验采用Froude相似定律，遵循 波浪模型试验规程（JTJ/T 2342001），几何比尺为1 30，时间比尺为1 5.48。斜坡堤模型如图1所示，由堤心石、垫层、护面块体和胸墙组成。B是肩台宽度，Rc是堤顶距静水面的距离，Ac是肩台距静水面的距离，d1是墙前水深，即胸墙底距静水面的距离（静水面高于胸墙底时，d1为正，反之为负），d是水深。试验中胸墙底高度保持不变，与水底的垂直距离为0.54 m。胸墙模型尺寸为底宽（水槽长度方向）0.25 m，长（水槽宽度方向）1.00 m，高0.35 m。由厚度为2 cm的塑料板制成，为避免胸墙移位，在L型胸墙的背浪侧放置重物压载。图1斜坡堤模型剖面示意Fig.1Parameters of rubble mound breakwater83第 41 卷 海 洋 工 程1.3试验组次试验设置2个斜坡坡度、4个水深、5个波高、7个周期和4个肩宽，坡肩分别摆放1排、2排、3排、4排块体，对应原体宽度为2.1，4.2，6.3，8.4 m。试验通过变化水深控制胸墙底与静水面的相对位置，在4个水深下的d1分别为2.7，0.9，0.9和2.7 m。试验采用规则波，波个数为20，具体组次见表1。波浪条件集中在有限水深区域，如图2所示。在斜坡堤前设置波高传感器；在胸墙迎浪面布置15个压力传感器（编号为P1P15），布置方式如图3所示，测点间距为2 cm，P15距胸墙顶4 cm，P1距胸墙底3 cm。1.4数据处理在造波机推板运动之前的静水状态，将各压力传感器进行定零，以保证传感器测得的压力是由波浪导致的动态压力。根据各测点的压力时程，通过式（1）得到波浪力时程曲线。F=0.04P1+i=2140.02P2+0.05P15（1）式中：F为胸墙迎浪面波浪力，P1P15是测点压力。选取稳定状态下的45个波，将每个波下的合力峰值的平均值作为此工况下的胸墙波浪力。2试验结果分析通过试验测得的压力结果，根据Froude相似定律将模型压力转换为原型压力得到胸墙波浪力。为与规范公式结果进行对比，并与工程实际相结合，以原型结构尺寸分析斜坡坡度、肩台宽度、波浪周期对胸墙波浪力的影响。2.1斜坡坡度的影响斜坡坡度与波浪反射、爬高和工程造价密切相关。试验首先研究了工程设计最为常见的坡度1 1.5和1 2对波浪力的影响。图4为不同肩宽下2种坡度的对比结果。从图4可见，在不同坡度下，相同波浪条件和肩宽的胸墙波浪力一致性较好，说明斜坡坡度对胸墙波浪力的影响很小。在规范方法中，胸墙波浪力的计算未考虑斜坡坡度，是合理的，试验结果也印证了这一点。表1试验波浪条件Tab.1Wave conditions of tests斜坡坡度1 1.5（480组）1 2（192组）参数墙前水深d1/m波高H/m周期T/s肩宽B/m墙前水深d1/m波高H/m周期T/s肩宽B/m数值2.7，0.9，0.9，2.71.2，2.4，3.6，4.8，6.06，8，10，12，14，16，182.1，4.2，6.3，8.42.7，0.9，0.9，2.72.4，3.6，4.88，10，12，14，162.1，4.2，6.3，8.4图2波浪条件分布Fig.2Wave condition distribution图3胸墙压力布置示意Fig.3Pressure sensors arrangement84第 4 期姜云鹏，等：中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究2.2肩台宽度的影响以斜坡坡度1 1.5，d1=+2.7 m试验波浪为例，如图5所示。对于短周期波（6、8 s），由于波长较短，波浪在斜坡上变形明显，在胸墙前破碎，产生较大的冲击力。随着肩台宽度的增加，冲击现象减弱，波浪力逐渐减小。对于中长周期波，波浪力变化不大，说明肩台宽度对波浪力的影响很小。在其他水深条件下，发现相同的规律。图4不同肩宽下的坡度1 1.5和1 2胸墙波浪力对比Fig.4Comparison of wave forces on crown wall for 1 1.5 and 1 2 slopes图5肩台宽度对波浪力的影响Fig.5Influence of berm width on wave force on crown wall85第 41 卷 海 洋 工 程2.3波浪周期的影响图6是在肩宽为6.3 m时，不同波高下波浪力随波浪周期的变化（以T=6 s的波浪力为基准）。胸墙淹没时，d1=+2.7 m，大周期的波浪力约为短周期的2倍；d1=+0.9 m，大周期和短周期波浪力的比值约为24倍。胸墙出水时（d1=0.9、2.7 m），H=1.2、2.4 m的小波高难以冲击胸墙，导致波浪力很小。因此选择H=3.66.0 m进行分析。相同波高情况下，大周期波浪力约为短周期的25倍。总体而言，在中长周期波范围内（T10 s），随着周期的增大，波浪力整体呈增大趋势，大周期波浪力约为短周期的24倍。3试验结果与我国规范的对比我国 港口与航道水文规范（JTS 1452015）在10.2.11节对胸墙前无掩护块体的情况，给出了胸墙波浪力的计算方法。该方法假设胸墙迎浪面波浪压强呈均匀分布，在胸墙底部呈三角形分布，其计算方法详见文献 8。图7为试验波浪力与规范计算结果的对比，图7（a）、（c）、（e）、（g）为胸墙淹没，即静水位高于胸墙底；图7（b）、（d）、（f）、（h）为胸墙出水，即静水位低于胸墙底。可以看出，当胸墙淹没时，试验结果与规范计算结果基本吻合；当胸墙出水时，试验结果明显大于规范计算结果。在不同肩宽情况下，都表现出类似的规律。综上，我国规范更加适用于胸墙淹没的情况。对于胸墙出水的情况，试验结果大于规范计算结果，规范的适用性不强。这与20世纪七八十年代我国国力不强、斜坡堤胸墙底高程设计偏低有很大关系。4一种新的胸墙波浪力计算方法对于胸墙出水情况下我国规范计算结果小于试验结果的现象，这里提出一种新的计算方法。试验发现，胸墙波浪力与波浪爬高高度有明显的相关性，通过各个工况的压力分布，可以得出波浪在胸墙上的作用高度。通过多元线性回归可得到波浪在胸墙上作用高度Ru的表达式，如式（2）所示。图8是式（2）计算结果与试验结果的对比，可以看出试验结果与计算结果基本吻合。RuH=1.716 3-2.364 6HgT2-0.237 4BH+0.888 7d1H（2）图6B=6.3 m下的水平波浪力随周期的变化Fig.6Variation of horizontal wave force with period under B=6.3 m86第 4 期姜云鹏，等：中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究根据试验压力分布，提出了一种新的水平波浪力分布形状，如图9所示。在护面块体掩护区域的压力分布为矩形，护面块体厚度为Ta，对于非掩护区域的压力分布波浪力与爬高高度有关。当爬高高度小于胸墙顶高度时，压力分布为三角形。当爬高高度大于胸墙顶高度时，压力分布为梯形。从图9中可以看出，p1是计算压力分布的关键。选择了4个无量纲参数(Ru-d1)/Rc，L B，(Rc+d1)/H，Ac/H用于计算p1，L为波长，可由色散关系得到。结果如式（3）和式（4）所示，其中式（3）为胸墙底出水情况，式（4）为胸墙底淹没情况。图7试验水平波浪力与规范计算结果对比Fig.7Comparison between the test and CCD87第 41 卷 海 洋 工 程p1=(-2.539 0+17.090 3Ru-d1Rc-0.216 0LB+0.951 6Rc+d1H-1.967 3AcH)2（3）p1=(6.112 5+4.561 4Ru-d1Rc-0.149 8LB-0.169 4Rc+d1H-0.731 6AcH)2（4）p1的计算结果与试验结果对比如图10所示，可以看出，试验结果与计算结果基本吻合。然后基于式（5）和式（6）可得到胸墙波浪力。将波浪力试验结果分别与规范和文中方法进行对比（如图11），文中方法计算的结果要明显优于规范方法。如果Ru Rc+d1：Fx=p1Ta+p12(Ru-Ta)（5）如果Ru Rc+d1：图8波浪力作用高度Ru/H的试验结果与计算结果对比Fig.8Comparison between the test and calculated results of wave force action height图9水平波浪压力分布Fig.9Horizontal pressure distribution图10p1试验结果和计算结果的对比Fig.10Comparison of tests and calculations of p188第 4 期姜云鹏，等：中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究Fx=p1Ta+p12(Rc+d1)1+Ru-()Rc+d1Ru-Ta（6）分别以规范公式和新波浪力计算公式计算结果作为计算值，试验得到水平力作为试验值。采用均方误差MSE，均方根误差RMSE，平均绝对误差MAE（式（7）、（8）和（9）3种误差参数对文中方法与规范方法进行评估，如表2所示。结果表明新公式的误差明显小于规范公式，文中提出的公式对试验水平力的描述更加准确。MSE=1Ni=1N(Fi试验-Fi计算)2（7）RMSE=1Ni=1N()Fi试验-Fi计算2（8）MAE=1Ni=1N|Fi试验-Fi计算（9）5结 语通过系列物理模型试验研究了不同波浪条件和结构参数条件对胸墙波浪力的影响，共进行了744组试验，重点研究了中长周期波作用下的胸墙波浪力，得到以下结论：1）斜坡堤的斜坡坡度对胸墙波浪力的影响很小。肩台宽度的影响与波周期密切相关，在短周期波情况下，波浪力随肩台宽度的增加而逐渐减小；在中长周期波情况下，肩台宽度的影响较小。2）在中长周期波范围内（T10 s），随着周期的增大，波浪力整体呈增大趋势，大周期波浪力约为短周期的24倍。3）墙前水深对波浪力有较大的影响。规范更适用于胸墙淹没的情况。对于胸墙出水的情况，试验结果明显大于规范结果。这与20世纪七八十年代我国国力不强、斜坡堤胸墙底高程设计偏低有很大关系。4）提出了一种新的胸墙波浪力计算方法，考虑了胸墙出水和淹没情况，对波周期的范围进行了拓展延伸，与试验结果吻合良好，准确性也有显著提高。随着行业对中长周期波的日益重视，胸墙波浪力计算方法图11波浪力文中方法和规范方法计算结果与试验结果的对比Fig.11Comparison of present method and CCD method for the tests of wave force表2规范公式和文中公式计算结果误差统计量Tab.2Error statistics of CCD and present formula calculation results统计量MSERMSEMAE胸墙出水情况规范公式1 683.541.031.1新公式583.524.214.8胸墙淹没情况规范方法4 968.870.551.0新公式2 281.747.828.689第 41 卷 海 洋 工 程的规范修订工作也正在开展中。参考文献：1 GNBACK A R，GCKE T.Wave screen stability of rubble mound breakwatersC/Proceedings of the International Symposium on Maritime in the Mediterranean Sea.1984：99-112.2 JENSEN O J.A monograph on rubble mound breakwaters D.Hrsholm：Danish Hydraulic Institute，1984.3 PEDERSEN J.Wave forces and overtopping on crown walls of rubble mound breakwaters D.Denmark：Aalborg University，1996.4 MARTIN F L，LOSADA M A，MEDINA R.Wave loads on rubble mound breakwater crown 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island-type breakwater in mid-long period wave condition based on performance requirementJ.Port Waterway Engineering，2020（7）：70-74.（in Chinese）15林朝霞，姜宁林，王君辉.中长周期波作用下防浪墙前波浪力分析 J.中国港湾建设，2020，40（5）：7-10.（LIN Z X，JIANG N L，WANG J H.Analysis of wave force in front of wave wall under the action of medium long period wave J.China Harbour Engineering，2020，40（5）：7-10.（in Chinese）16姜云鹏，陈汉宝，赵旭，等.长周期波浪冲击下胸墙受力试验 J.水运工程，2018（5）：35-39.（JIANG Y P，CHEN H B，ZHAO X，et al.Experiment on wave load of crest wall under impulsive action by long-period waveJ.Port Waterway Engineering，2018（5）：35-39.（in Chinese）90