直立式防波堤口门区海啸局部冲刷规律实验研究

陈杰，段自豪，崔懿秋，管喆，高清洋，曹城

（1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410114；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙410114）

直立式防波堤口门区海啸局部冲刷规律实验研究

陈杰1，2，段自豪1，崔懿秋1，管喆1，高清洋1，曹城1

（1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410114；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙410114）

海啸作为世界上最严重的自然灾害之一，其巨大的破坏力使得近海建筑物遭受了严重的损害。基于波浪水槽实验，开展海啸波作用下不同口门距离的防波堤局部冲刷机理实验研究。实验结果表明，在海啸波越顶水流产生的水跌以及海啸波通过防波堤口门时产生的扰流共同作用下，口门中心线处产生明显的局部冲刷坑，随着口门距离的增加，防波堤局部冲刷先加剧后减弱。建立防波堤局部最大冲刷深度与海啸波波高、防波堤宽度及出水高度、口门间距的关系式，揭示了最大局部冲刷深度与海啸波波高、防波堤尺寸、口门距离的内在关系。

海啸波；防波堤；局部冲刷；口门区

近年来频发的海啸灾害给人类的生命财产造成了巨大损失，海啸研究已成为国际研究的热点问题之一（陈杰等，2013）。

大量现场调研发现，海啸波引起了海岸建筑物周围严重的局部冲刷，危害巨大（Yeh et al， 2007；Palermo et al，2013）。大量的现场调研工作使得人们对海啸引起的建筑物局部冲刷问题有了进一步的认识，但是现场情况复杂、干扰因素众多、费用昂贵，限制了对局部冲刷规律的理解和认识。因而部分学者通过实验研究的方法，分别对墩柱（Kato et al，1999；Tonkin et al，2003；Nakamura et al，2008）、沿海公路（陈杰等，2013）、潜堤（陈杰等，2014）和直立式防波堤（高学平等，1992，2006；Arikawa et al，2012）局部冲刷规律开展了研究工作。

直立式防波堤是一种重要的海岸建筑物，之前的研究没有考虑防波堤口门区情况（Arikawa et al，2012；陈杰等，2015）。因此，本文在陈杰等（2015）研究成果的基础上，进一步开展海啸波作用下不同口门间距的直立式防波堤局部冲刷实验，探究海啸波作用下的防波堤局部冲刷规律，为近岸地区建筑物的海啸防灾减灾提供依据。

1 实验概述

实验在长沙理工大学水利实验中心的波浪水槽内进行，水槽的长、宽、高分别为40 m×0.5 m× 0.8 m。以斜坡起点为原点，x轴设在波浪水槽底部，波浪传播方向为x轴正方向，垂直向上方向为z轴正方向，水槽宽度方向向内侧为y轴正方向，具体布置情况如图1所示。

图1 实验布置图

参照陈杰等（2015）和蒋昌波等（2012）的研究实验，将海岸概化为1∶10（x=0.0～3.5 m）和1∶20（x=3.5～7.0 m）的混合斜坡，防波堤模型位于x=3.0 m处。实验水深为0.35 m。采用1∶100的几何比例尺，按照现实中防波堤构筑物长×宽×高为50 m×10 m×10 m的面积，概化长×宽×高为50 cm×10 cm×60 cm的无开孔直立式防波堤混凝土模型，开孔模型居中开口，防波堤出水4.5 cm。共设计3种方案，口门间距分别为0 cm、10 cm、16.5 cm，对应实际间距0 m、10 m、16.5 m。现阶段的海啸泥沙实验均存在按比尺无法选到合适的模型沙的问题，若按照实验比尺，实验沙将采用非常细的泥沙，但非常细的泥沙变得更加具有粘聚力，对实验结果影响较大，因此斜坡采用筛分好的无粘性细沙堆成。由于本文是在陈杰等（2015）研究成果的基础上，进一步开展海啸波作用下不同口门间距的直立式防波堤局部冲刷实验，因此泥沙粒径的选择应尽量与其保持一致，对泥沙进行5次随机取样，筛分结果显示，平均中值粒径为d50= 0.369 mm，平均不均匀系数（Cu=d60/d10）为2.82，平均曲率系数（Cc=d302/（d10d60））为1.117，实验共设置12组不同工况。由于水槽尺度的限制，在波浪水槽模拟的海啸波不可避免地要比按照比尺换算过来的真实的海啸波更陡，很难在使用相似比尺的同时在波浪水槽中建立海啸波模型，故多数情况下，海啸的实验室研究工作中均采用孤立波模拟海啸波侵袭情况。通过前期预备实验，计算得到波高为0.05 m时，足以使得本实验中的泥沙处于起动状态，同时根据造波机的造波能力设置孤立波波高，研究工况如表1所示。

波高测量采用加拿大WG-50型浪高仪和超声波水位计。浪高仪最小测量周期为1.5 μs，误差为0.4%，采样频率为50 Hz。超声波水位计采样频率为20 Hz，测量精度为0.2 mm。地形测量采用URI-IIU超声波地形仪，测量误差为±1 mm，用已知地形对仪器进行校准。实验同时采用分辨率为1 920×1 080的Logitech C910高清摄像头从水槽侧面进行拍摄记录。

表1 研究工况

实验首先将斜坡铺好整平，安装好防波堤模型，水槽灌满水，浸泡沙质斜坡12 h以后，再缓慢将水位降低到实验水深，约30 min后开始造波，测量波高数据。待水面充分平静后，进行下一次造波，共进行6个波的逐个作用，最后测量最终三维地形。通过大量预备实验我们发现，如果不是大开度的防波堤口门布置形式，对实验效果的影响可以忽略。因此，在本实验布置时，只采用小开度的尺寸模型，故水槽边壁对实验地形变化结果无影响。正式实验开始前开展大量预备实验，对造波机可靠性和重复性、地形变化重复性、仪器设备的可靠性进行验证。完成一个组次的实验之后，把整个斜坡的沙子全部翻动搅拌，使泥沙均匀混合，再重新铺好斜坡并整平，接着重复上述步骤开始下一次组次实验。

2 结果分析与讨论

以波浪水槽宽度方向外侧为y轴零点，向内侧为y轴正方向，设置0.09 m、0.13 m、0.17 cm、0.21 m、0.25 m、0.29 m、0.33 m、0.37 m和0.41 m九个位置为地形仪测量通道，绘制岸滩地形图。图2给出波高为12.02 cm的6个孤立波（组次9）作用后防波堤口门（模型布置二）局部三维地形变化结果。可以看出在孤立波的作用下岸滩在x≈2.8~ 3.2 m发生冲刷，形成冲刷坑，在x≈2.5~2.75 m处淤积，同时防波堤周围产生明显的局部冲刷坑。实验录像结果显示，岸滩冲刷发生在水流回落时后，泥沙在离岸区水跃发生处堆积，呈沙坝剖面，结果与其他学者（Kato et al，1999；Tonkin et al，2003；Nakamura et al，2008；陈杰等，2013）实验一致。孤立波上爬阶段，波浪越过防波堤模型形成水跌，同时能看见很明显的扰流现象，防波堤向岸侧开始出现局部冲刷坑。在孤立波回落阶段，水流迅速回落，受防波堤模型的阻挡，中间出现扰流，越顶水流则在防波堤向海的基础处形成明显的水跌。在水跌和扰流的共同作用下，防波堤向海侧的局部冲刷坑迅速增大。模型布置三实验均呈现类似的结果，防波堤的局部冲刷均是由水跌和扰流的共同作用形成。

图2 波高12.02 cm作用下防波堤（模型布置二）局部冲刷实验结果（组次9）

2.1 防波堤口门区局部冲刷规律

图3分别给出防波堤模型M1、M2、M3口门处局部地形变化实验结果，其中地形变化值由6个孤立波作用后的最终地形值减去初始地形值而得。可以看出防波堤口门向岸和向海侧均发生了的局部冲刷。从图3可以发现入射波波高越大，局部冲刷坑越深。在最大波高作用下，口门距离10 cm的情况下即M2模型局部冲刷深度最大，达到7.8 cm；口门距离16.5 cm的情况下即M3模型侧局部冲刷深度略少，有5.23 cm；口门距离0 cm的情况下即M1模型局部冲刷深度相对较小，达到2.35 cm，并且冲刷坑位于距离防波堤向岸侧0.25 m的位置。

图3 防波堤局部地形变化情况

图4 沿水槽宽度方向上的防波堤局部冲刷深度变化

图5 不同布置形式的防波堤口门中心断面（y=0.25 m）处的地形变化

图4分别给出了M2、M3防波堤模型在不同波高条件下沿水槽宽度方向局部最大冲刷深度情况。可以看出，M2布置情况下即口门距离10 cm，局部最大冲刷深度从水槽中心线处（y=0.25 m）向两侧逐渐减小，在口门中心线处冲刷深度最大，同时最大冲刷深度随波高的增大而增大；M3布置情况下即口门距离16.5 cm，局部最大冲刷深度从水槽中心线处向两侧先增大后减小，在y=0.33 m出达到最大值。图5给出了防波堤不同布置形式下沿水槽中心线处（y=0.25 m）最大冲刷深度变化情况。从纯岸滩（M0）到口门距离16.5 cm，最大冲刷深度先增大后减小，在口门距离10 cm（M2）的情况下达到最大值，无防波堤布置时岸滩冲刷深度最小。由于防波堤的修建，产生了扰流和水跌，加剧了防波堤周围的冲刷，使得冲刷深度大于纯岸滩的情况。

2.2 口门区冲刷原因探讨

图6和图7分别给出了组次6和组次9在第6个波作用时防波堤的局部冲刷情况。从图6中可以看出，模型M1即口门间距为0的防波堤局部冲刷主要是由越顶水流的水跌和回落水流造成的，越顶水流在堤角处产生的涡流加剧了防波堤的冲刷。在陈杰等（2015）数模分析中，认为直立堤向岸侧局部冲刷主要发生在海啸上爬时刻，堤脚处形成的涡流是局部冲刷形成的主要原因；直立堤离岸侧的局部冲刷主要由海啸波回落水流越过堤顶生成水跌形成，模型M1实验现象与其一致。在图7中模型M2即口门距离为10 cm的防波堤口门区局部冲刷是由越顶水流产生的水跌和扰流共同造成的。当波浪向上爬升时，水流由于口门的束水作用流速增大，水流挟沙能力增强，使得防波堤口门局部产生冲刷，同时越顶水流经过防波堤后形成水跌，对堤后造成冲刷；当水流回落到达口门区后水位壅高，水流大部分从口门经过，产生强烈的扰流，同时由于口门的束水作用，水流流速增大，挟沙能力增强，导致此区域遭到明显冲刷，如图7（b）所示；水流经过口门区后，束水作用减弱，流速减小，泥沙在口门区向海侧附近逐渐淤积。模型M3的冲刷过程呈现与图7类似的情况。

图6 海啸波作用下M1（组次6，第6个波作用）冲刷过程

图7 海啸波作用下M2（组次9，第6个波作用）冲刷过程

2.3 局部冲刷因素关系

海啸波作用下引起的防波堤局部冲刷，会造成基础破坏，防波堤损毁，因此防波堤堤脚处的最大局部冲刷深度是学者们最关注的问题。最大局部冲刷深度受到海啸波、防波堤尺寸、防波堤间距等共同作用的影响，实验发现其主要影响因素有海啸波波高H、防波堤宽度B、防波堤出水高度dw、防波堤口门距离b，详见图1。可用下式进行描述：

zmax=f（H，B，dw，b）（1）

采用无量纲参数对海啸波作用下引起的防波堤局部最大冲刷深度进行描述，如式（2）所示：

其中，H-dw可表征为海啸波的越顶高度；zmax/B可表征为相对最大冲刷深度；（H-dw）/dw可表征为海啸波相对越顶高度，b/B可表征为口门相对距离。如图8所示，分别取M1、M2、M3模型局部最大冲刷深度数据，绘制关系图，得到相对最大冲刷深度与海啸波相对越顶高度、口门相对距离的关系式，如式（3）所示，得到趋势线拟合度为0.946。

可以看出，随着海啸波相对越顶高度（H-dw）/ dw的增加，相对最大局部冲刷深度zmax/B增大。防波堤的局部冲刷是水跌和扰流共同作用的结果，随着海啸波相对越顶高度的增加，水流上爬和回落过程中产生水跌的冲刷能力增强，以及口门相对距离的减小，使得扰流加剧，起到了“束水攻沙”的效果，但同时在口门区向海侧附近产生了淤积。

图8 防波堤局部最大冲刷深度与入射波高、防波堤尺寸、相对口门距离的关系

表2 公式（3）实验值与预测值对比

基于式（3）预测本实验条件下组次4~12防波堤局部最大冲刷深度与实测值，平均相对误差分析如表2所示，平均相对误差较为合理。如图9（a）所示，当b/B=1时，若减小防波堤出水高度，如H=30 cm，dw=3 cm时，根据式（3）预测防波堤最大局部冲刷深度为9.69 cm。如图9（b）所示，当dw=4.5 cm时，若减小防波口门相对距离，如H=30 cm，b/B=0.5时，根据式（3）预测防波堤最大局部冲刷深度为8.30 cm。结合图9可以看出，当波高不变时，防波堤局部最大冲刷深度随防波堤出水高度增大而减小，随口门相对距离的增大呈现先增大后减小的趋势，在b/B=0.75~1.25范围内达到最大值；当防波堤出水高度和口门相对距离不变时，最大局部冲刷深度随波高的增大而增大。

图9 防波堤局部最大冲刷深度预测值

3 结论

在波浪水槽实验的基础上，对海啸波引起的防波堤局部冲刷机理开展研究。根据前人研究成果，采用无粘性细沙堆砌而成的1/10～1/20组合坡概化岸滩，选取孤立波模拟海啸波。实验结果表明在海啸波越顶水流产生的水跌以及海啸波通过防波堤口门区产生的扰流共同作用下，防波堤模型周围产生明显的局部冲刷坑。由于防波堤口门的存在，使得口门中心线处冲刷较为严重，回落水流在经过口门区后，束水作用减小，水流挟沙能力降低，泥沙在向海侧距离口门区不远处淤积。基于本文实验数据，建立防波堤口门区局部最大冲刷深度与海啸波波高H、防波堤宽度B、防波堤出水高度dw、防波堤口门间距b的关系式，得到了最大局部冲刷深度与海啸波、防波堤尺寸、口门间距的内在联系，并将实验数据回带到公式中，验证其准确性。建议在海啸可能发生区域修建防波堤时，其基础周围应采取防冲刷措施，以防止局部冲刷的产生危害建筑物安全，并在向海侧口门区及时疏浚清淤，以保证船舶通航安全。同时，由于实验比尺问题的存在，将来在特大型波浪水槽内开展海啸泥沙实验是未来研究的趋势。

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（本文编辑：袁泽轶）

Experimental study of local scour around the gap area of vertical breakwater by tsunami waves

CHEN Jie1,2,DUAN Zi-hao1,CUI Yi-qiu1,GUAN Zhe1,GAO Qing-yang1,CAO Cheng1
(1.School of Hydraulic Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha,410114 China; 2.Key Laboratory of Water,Sediment Sciences&Flood Hazard Prevention of Hunan Province,Changsha,410114 China)

As one of the most serious natural disasters in the world,tsunami has caused serious damage to the offshore structures.A set of 2D laboratory experiments was designed to investigate local scour around the gap area of vertical breakwater by tsunami waves.Different distances of the gap were considered.Results of the experiment show that tsunami wave goes over the breakwater then rushes up onto the beach as a hydraulic drop and goes through the gap as disturbed flow. The center of gap is scoured obviously.The scoured depth is increasing and then decreasing with the increased distance of the gap.The empirical formulae are given.Formulae are derived from the date of maximum local scour depth and tsunami wave height,building width,height,gap width.The study reveals the internal connection of between maximum local scour around the gap area and incident wave height,breakwater size and gap width.

tsunami wave;breakwater;local scour;gap area

TV149

A

1001-6932（2017）04-0475-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.015

2016-06-20；

2016-08-25

国家自然科学基金重点资助项目（51239001；51409022）；湖南教育厅科研资助项目（YB2015B034）；港口航道泥沙工程交通行业重点实验室开放基金项目；湖南省研究生科研创新项目（CX2015B360）。

陈杰（1982-），博士，副教授，主要从事海岸动力过程及其模拟技术研究。电子邮箱：chenjie166@163.com。