深水斜坡堤胸墙波浪力计算方法研究＊

于定勇，苏 耀

（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）

深水斜坡堤胸墙波浪力计算方法研究＊

于定勇，苏 耀

（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）

通过物理模型试验研究中国《海港水文规范》（JTJ213－98）中斜坡式防波堤顶部胸墙波浪力计算公式在深水情况下的适用性。试验测量4种不同水深波浪作用下斜坡堤顶部胸墙的波浪力和作用高度。通过对胸墙迎浪面的波浪压强分布、总水平作用力和波浪作用高度的试验结果与《海港水文规范》结果的对比分析，发现胸墙迎浪面的实测波压分布不同于规范采用的均匀分布；规范计算得到的总水平力和波浪作用高度均小于实测值。本文改进规范中斜坡堤胸墙波浪力计算方法，使其更适用于深水堤顶部胸墙受力计算。

深水；斜坡堤；胸墙；波浪力

防波堤是海岸工程中的1种重要水工建筑物，传统的防波堤型式有斜坡式、直立式和混合式。斜坡堤是防波堤常用型式之一，具有反射波浪弱，对地基承载力要求较低等优点。随着港口建设向深水发展，已出现水深超过20m防波堤。如日本的大船渡港防波堤，水深为38m；下田港防波堤，水深为42m；釜石港防波堤，水深达到了63m。葡萄牙锡尼斯港曾建造了最大水深50m、长2km的斜坡堤；我国海南某港、上海洋山港导流堤水深都超过30m；岱山连岛堤水深达到50m。为减轻波浪越浪，通常会在斜坡堤上设置直立式胸墙。但防波堤常因胸墙基底淘空、胸墙移位失稳而造成破坏［1－2］。因此如何准确的计算作用于胸墙上的波浪力是保证防波堤结构安全的基础。

目前我国《海港水文规范》［3－4］中计算斜坡堤顶部胸墙波浪力的方法采用了河海大学研究成果：即将入射波浪在胸墙迎浪面上产生的压强按沿高度均匀分布处理，在确定平均压强珚p和波浪作用高度d1＋Z后由公式P＝珚p（d1＋Z）计算得到胸墙受到的总水平波浪力。但是波浪产生的压强沿胸墙迎浪面均匀分布的处理并不符合实际情况，琚烈红［5］通过物理模型试验发现直立式胸墙迎浪面上的波浪压强极大值附近的一定范围内，波浪压强值变化较小，在这个范围外，是波浪破碎后上涌对胸墙形成的压强，随着高度的增加而减小。王颖［6］通过物理模型试验测得了胸墙前无掩护情况下的波浪力，并与《海港水文规范》中的方法进行了对比，结果显示实测的波浪力远大于规范的计算值。《海港水文规范》中的计算方法仅适用于胸墙前无掩护的情况。柳玉良等［7］对比了水深较大、在墙前有（无）掩护的情况下物理模型试验实测结果与上述方法计算水平力的差异，结果发现防波堤胸墙在半掩护、全掩护情况下，水平力实测值与规范计算值的差异超过20%。

西班牙的Francisco L.Martin［8］等人在一系列试验观测结果基础上，于1999年提出了1种计算斜坡堤顶部胸墙波浪远破波压力的方法。他认为，当波浪在护面斜坡上破碎后，冲击到胸墙上的波浪压强可以分为动态压强pd和反射压强pr。pd和pr都与入射波浪爬高形成的水舌呈线性关系。这个计算斜坡堤胸墙波压力的方法把波浪力和胸墙前肩台的宽度，护面块体的种类等各种因素联系了起来，考虑的因素比较全面。但是Francisco L.Martin等人只对利用平行六面体块体掩护的情况进行了研究，对于其他型式的护面块体的估算方法，还需要进一步探讨。

目前，我国的深水防波堤工程不多，对于在大水深中建设防波堤的经验较少。王美茹［1］在探讨深水防波堤设计方法时也强调目前国内外针对深水堤设计原则和方法的研究成果还不多。在波浪作用下深水堤与一般防波堤（相对水浅）相比，作用性质、机理虽然没变，但深水堤无论斜坡式、直立式还是混合式，其断面型式、尺度和构造要求等方面多与一般防波堤有所差别。这些差别或作用规律及《海港水文规范》方法在深水中的适用性仍有待进一步研究。

本文在物理模型试验基础上，根据胸墙迎浪面的压强分布、总水平力大小、和波浪作用高度测量结果，对比分析了其与《海港水文规范》方法计算结果的差异及产生的原因，探讨了规范方法在深水情况下的改进。

1 试验概况

1.1 试验设备

试验在海军工程设计研究院港湾工程综合试验研究中心进行，水槽长81.0m，宽1.4m，高2.6m。水槽一端安装有低惯量直流电机式不规则造波机，造波机由计算机控制，可模拟正弦波和椭圆余弦波、国内外常用的频谱以及各种自定义谱，能够满足本次试验使用要求，设备可产生的波高范围为3～50cm，波周期变化范围为0.5～5.0s。水槽另一端安装有消能设施，其反射率小于5%。水槽宽度方向上分2格，分别为0.8和0.6m，宽度0.6m的一格放置防波堤模型，另一格用于消能以减小波浪的反射作用。试验采用国内专业的波浪测试系统DS－30型数据采集处理系统。该软件运行于WinXP操作系统下，具有使用简便、实时监测、采集速度快、精度高、温度自动修正、数据处理功能强大等优点。

1.2 试验内容

《海港水文规范》（JTJ213－98）中关于斜坡堤顶部胸墙上的波浪作用力的计算公式，适用于胸墙前无块体掩护的情况，因此，为了研究规范公式的适用性，试验中胸墙前也没有放置掩护块体。

试验采用规则波进行，试验水深包括4种：25、30、36和42m，入射波高包括3种：6、6.5和7m，入射波浪周期均为8s。

试验在胸墙迎浪面上设置了6个测点，底部设置了4个测点，具体测点布置见图1。

图1 胸墙上压强测点布置图（单位：cm）Fig.1 Position of pressure measuring gauges（Unit：cm）

1.3 测量方法

波浪力的测量使用DS－30型数据采集处理系统，该系统由计算机、测力探头和数据采集箱所构成。斜坡堤上胸墙各点所受的波浪力由测力探头直接测得，测力探头安放在胸墙内部，并且使其与胸墙的表面相平。

通过在胸墙侧面放置钢尺，并利用摄像机拍摄试验过程的方法得到胸墙迎浪面上波浪的作用高度。

2 试验结果及分析

2.1 胸墙上波浪压强分布比较

图2～5给出了入射波高为7m，波浪周期8s时，4种不同的水深时《海港水文规范》方法计算得到的压强分布与实测的压强分布。

图2 水深25m时胸墙迎浪面波压强分布比较（单位：kPa）Fig.2 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

图3 水深30m时胸墙迎浪面波压力分布实测值和计算值（单位：kPa）Fig.3 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

图4 水深36m时胸墙迎浪面波压力分布实测值和计算值（单位：kPa）Fig.4 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

图5 水深42m时胸墙迎浪面波压力分布实测值和计算值（单位：kPa）Fig.5 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

表1 胸墙迎浪面波浪力作用高度及总水平波压力Table 1 Comparison of measured and calculated Fx

《海港水文规范》在计算斜坡堤上胸墙迎浪面所受到的波压力时假设其沿胸墙高度是均匀分布的，但是由图2～5的实测结果可见斜坡堤上胸墙迎浪面所受到的波压力并非均匀分布。胸墙在静水位附近有一个波浪作用的主要区域，该区域受到入射波浪的直接冲击，因此产生的波浪作用力较大，且变化较小。该波浪作用主要区域的范围，规范计算结果与试验的实测结果基本相同，在这个区间，规范计算的平均压强值珚p与实测值相差较小。

在该主要作用区域以上，还有一个波浪力的衰减区域，在这个区域里，波浪力会随着高度的增加而明显减小。这是因为，在这个波浪力的衰减区域，虽然胸墙也受到入射波浪的作用，但是波浪力是由波浪冲击胸墙后爬升，以及波浪的溅射所形成的，所以波浪力较小，而且随着高度的增加而减小。由表1亦可见胸墙迎浪面的波浪作用高度的实测值与规范计算结果差异较大。

2.2 胸墙上总水平波压力比较

从表2、3、4可知随着水深的增加，胸墙迎浪面上受到的水平波压力Fx在不断增加，这种波浪力随着水深增加而增大的趋势与《海港水文规范》的计算结果一致。

但是，入射波高和堤前水深相同时，胸墙受到的水平波压力Fx的计算结果小于实测结果，两者的差值又随着入射波高的增加而增大。当入射波高为6m时，差值在10%～20%；入射波高为6.5m时，差值在20%～30%；入射波高为7m时，差值在30%～40%。

表2 H＝6m，T＝8s时水平波压力Fx比较Table 2 Comparison of measured and calculated Fx（H＝6m，T＝8s）

表3 H＝6.5m，T＝8s时水平波压力Fx比较Table 3 Comparison of measured and calculated Fx（H＝6.5m，T＝8s）

表4 H＝7m，T＝8s时水平波压力Fx比较Table 4 Comparison of measured and calculated Fx（H＝7m，T＝8s）

在波浪的主要作用区域，规范计算的平均压强值与实测值差异不大，总水平波压力的规范计算结果和试验结果差异较大的原因是规范相关公式计算得到的入射波浪在胸墙迎浪面上的作用高度偏小。

3 对《海港水文规范》方法的改进

本文依据试验结果对《海港水文规范》方法进行了改进：

将入射波浪在斜坡堤胸墙上的作用力计算分成2部分（见图6）。

第1部分是波浪作用的主要区域，在这个区域入射波浪直接冲击胸墙，波浪在胸墙迎浪面上产生的压强值较大，且变化较小。在这个区域内，压强的大小和分布与《海港水文规范》（JTJ213－98）中的方法计算得到的结果相同，即从胸墙的底面高程向上d1＋z（d1＋z为波浪作用高度）的范围内，波浪压强为均匀分布，压强与《海港水文规范》（JTJ213－98）中方法计算得到的平均压强珚p基本一致。

第2部分是波浪力的衰减区域，它在波浪作用的主要区域上方，区域范围大小与波浪作用的主要区域相同，也是d1＋z，压强分布为三角形分布，压强由珚p向上线性减小到0。

图6 修正后的压强分布图Fig.6 Wave pressure distribution on the crown wall

表5给出了入射波高为6.5m时的实测结果和规范方法改进前、后计算结果的对比。由该表可见本文提出的改进方法，在考虑了《海港水文规范》（JTJ213－98）方法中未考虑的波浪力衰减区域的波浪作用后计算得到的结果与实测值更接近。

4 结论

本文通过物理模型试验测量了4种不同水深、3种不同波高，波浪作用下斜坡堤顶部胸墙的波浪力、作用高度，给出了不同情况下波浪作用的分布，对比分析了其与《海港水文规范》的计算结果存在的差异及产生的原因，并对规范方法进行了改进。

表5 改进前后的计算结果对比（H＝6.5m）Table 5 Comparison of results obtained by code method and modified method

（1）对比分析结果表明在水深较大情况下利用现行《海港水文规范》中相关公式计算得到的胸墙迎浪面的压强分布形式、总水平波浪力大小和波浪的作用高度都与实测结果有差异。

（2）规范方法将胸墙迎浪面的波浪压强处理为均匀分布，但试验结果显示波压强在胸墙迎浪面的静水位附近有一个波浪的主要作用区域，在该区域中波浪力较大，而且变化较小。在其上的区域波浪力随着在作用点高度的增加而减小，且衰减较快。

（3）由规范中公式得到的波浪作用高度小于实测值，规范中的计算方法没有考虑波浪衰减区域，这导致了计算得到的总水平波浪力偏小，其差值随着入射波高的增加而增加。

（4）本文提出了1种计算斜坡堤胸墙波浪力的改进方法，该方法计算得到的胸墙波浪力比《海港水文规范》方法得到的结果与实测值更接近。

［1］ 王美茹.深水防波堤设计方法初探［J］.港工技术，2010，47（3）：1－7.

［2］ 李炎保，吴永强，蒋学炼.国内外防波堤损坏研究进展评述［J］.中国港湾建设，2004，（006）：53－56.

［3］ 交通部，港口工程技术规范［S］，JTJ213－87.北京：人民交通出版社，1988.

［4］ 交通部，海港水文规范［S］，JTJ213－98.北京：人民交通出版社，1998.

［5］ 琚烈红.典型胸墙的波浪力和越浪量物理模型试验与分析［D］.南京：南京水利科学研究院，2004.

［6］ 王颖.弧形防浪墙波浪力的试验研究，［D］.上海：上海交通大学，2007.

［7］ 柳玉良，韩炳辰，李玉龙.斜坡式防波堤护面对胸墙波浪力的影响［J］.水运工程，2010，（8）：36－38.

［8］ Martin F L，Losada M A，Medina R.Wave loads on rubble mound breakwater crown walls［J］.Coastal Engineering，1999，37（2）：149－174.

Study on Calculation Method for Wave Loads on Deep Water Breakwater Crown Wall

YU Ding－Yong，SU Yao
（College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on experimental results，this paper analyzes the suitability of Code method to calculate wave loads in deep water.Wave loads on crown wall of rubble mound breakwater and their action heights are measured for 4different water depths and 3different wave heights.Comparisons are carried out between the measured results and the obtained results by the Code.It is shown that differences exist for the wave pressure distribution，the value of wave loads and their action heights.The measured wave pressure distribution is no longer uniform，the values of wave loads and their heights are larger than the Code's results.A modification of the Code's method is made so as to make the Code's method more suitable for deep water.

deep water；rubble mound breakwater；crown wall；wave loads

P751

A

1672－5174（2012）1－2－136－05

山东省科技发展计划项目（2008GGB01099）资助

2011－05－03；

2011－07－04

于定勇（1964－），男，博士，教授，主要从事海岸工程水动力方面的研究。E－mail：dyyu01＠ouc.edu.cn

责任编辑 陈呈超