涌浪条件下斜坡式防波堤越浪量的对比分析

钟 杰，王文飞，沈雨生

(1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.南京水利科学研究院 河流海岸研究所，江苏 南京 210024；)

随着“一带一路”倡议的提出，我国企业承建的海外港口项目逐年增多，且大部分海外港口位于以涌浪影响为主的海域。与国内防波堤设计波浪周期通常10 s左右相比，以涌浪影响为主的海域主浪向波浪周期通常在15～20 s，涌浪对防波堤的作用目前还未得到全面认识。

斜坡式防波堤是港口工程中防波堤最常采用的结构形式。越浪量一直是斜坡堤设计中需要重点考虑的问题，其直接关系到结构的安全和使用。早在1955—1958年美国T.Saville等[1-2]就进行了规则波在斜坡堤上的越浪量试验。1977年美国海岸研究中心的J.R.Weggle[3]在对Saville的越浪试验资料分析处理后，提出了单坡斜坡堤上的越浪量公式。1980—1991年英国的Owen[4-6]对海堤越浪量进行完整而系统的研究，提出了相应的计算公式。1992年至今，荷兰的van der Meer[7-9]对斜坡堤越浪量进行了大量的研究工作，提出了计算公式并不断根据试验结果修正计算公式。我国从20世纪60年代开始，进行了许多试验研究，1990年周家宝等通过试验研究提出的海堤平均越浪量计算公式被国内规范JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[10]采用。2010年陈国平和周益人[11]将爬高引入越浪量的计算公式中，大大简化了越浪量计算公式。近年来，刘堃等[12]和朱嘉玲等[13]还通过波浪断面试验和局部整体试验研究了斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量。除了通过计算公式计算斜坡堤越浪量外，欧洲学者还建立了越浪量人工神经网络模型[14]。

由于越浪量影响因素的多样性、复杂性以及试验条件等限制，各家公式对较长周期涌浪下斜坡堤越浪量的适用性不明确。本文以某一具体港口防波堤工程为例，对其进行了波浪断面和局部整体试验，研究涌浪作用下斜坡堤(单坡、无挡浪墙)的平均越浪量，并与计算结果进行对比分析。

1 斜坡堤平均越浪量计算方法

1.1 《港口与航道水文规范》计算公式

国内《港口与航道水文规范》(简称国内规范公式)给出了无挡浪墙斜坡堤的越浪量计算公式：

(1)

式中：Q为单位时间单位堤顶宽度的平均越浪量(m3·m-1·s-1)；KA为护面结构影响系数，与护面结构形式有关；H为堤脚处入射波浪的有效波高(m)；Tp为堤脚处入射波浪的谱峰周期(s)；Hc为静水位至堤顶的垂直高度(m)；m为前坡坡度的余切值；d为堤脚处水深(m)；A为与m有关的经验系数。

1.2EurOtop(2018)计算公式

EurOtop(2018)[15]是欧洲学者联合编写的专门用于解决海岸防护建筑物越浪量问题的手册。该手册的最新版本(第二版)于2018年发布，相比于第一版EurOtop(2007)，第二版EurOtop(2018)对计算公式进行了修正。

对于单坡斜坡式防波堤的平均越浪量，EurOtop(2018)采用了van der Meer的研究成果，计算公式如下(简称EurOtop公式)：

(2)

式中：q为单位时间单位堤顶宽度的越浪量(L·m-1·s-1)；Hm0为堤脚处入射波浪的有效波高(m)；Rc为静水位至堤顶的垂直高度(m)；γf为护面形式影响系数；γβ为波浪斜向入射系数，γβ=1-0.006 3|β|，β为波向线与建筑物法线方向的夹角(°)。

可见，EurOtop(2018)中单坡斜坡堤的平均越浪量计算公式不考虑坡度(这主要是由于斜坡堤坡度一般为1:1.5或者1:43)和波浪周期的影响(这是由于该公式的平均越浪量已按最大值控制)。

1.3 人工神经网络方法(Artificial Neural Network，即ANN方法)

欧洲学者建立了一种基于人工神经网络方法估算不同类型海岸建筑物越浪量的方法。该方法是基于17 942组试验和实测结果建立的。该方法的概念见图1，在该方法中，输入层包含15个输入参数，输出层包含1个输出神经元，可以是q(越浪量)、Kr(反射系数)或Kt(透射系数)。人工神经网络方法的详细信息参见文献[14]。该人工神经网络方法已形成了在线计算平台(http：overtopping.ing.unibo.itovertoppingneuronetnet_solve)，在该平台上输入相关参数后，即可预测相应越浪量，还可以考虑波浪斜向入射(以下简称ANN方法)。

图1 人工神经网络方法概念

2 物理模型试验

2.1 工程概况

本港口工程位于西非的几内亚湾内，属于涌浪影响为主的海湾。拟建设西防波堤(主防波堤)和东防波堤，均采用斜坡堤。工程总平面布置见图2。根据要求，设计主要采用欧洲标准。为验证主防波堤的越浪量是否满足设计要求，需要开展波浪断面和局部整体试验进行专项研究。

图2 工程平面布置(单位：m)

本次研究的主防波堤堤身及堤头段海床底高程主要在-9.0～-8.0 m。

该工程海域波浪传至主防波堤时主浪向集中在173°N～200°N，最强浪向为182°N。主防波堤设计波浪要素(图2中波浪计算点处)为：设计高水位 2.5 m，H=4.7 m，Hm0=4.4 m，TP=12～18 s。主防波堤堤身段断面见图3，顶高程为7.00 m，坡度均为3:4，护面采用3.0 m3X-block 块体。

图3 主防波堤堤身段断面(高程：m；尺寸：mm)

2.2 试验方法

2.2.1试验仪器设备

防波堤波浪断面试验在南京水利科学研究院波浪水槽中进行，水槽长64 m、宽1.8 m、深1.8 m。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有推板式不规则波造波机。

防波堤波浪局部整体试验在南京水利科学研究院大波浪水池中进行，波浪水池长68 m、宽52 m、深1.2 m，港池的一端配有消浪缓坡，另一端配有多向不规则波造波机。

2.2.2模型设计

防波堤波浪断面和局部整体试验均采用正态模型，根据Froude数相似律设计。考虑到结构物尺度、模型范围、水深、波浪条件以及试验场地设备等，本次断面试验的几何比尺l为1:30.5，局部整体试验的几何比尺l为1:46.5。

2.2.3越浪量测量

对于防波堤波浪断面试验，在水槽内、防波堤后设置接水箱，量测一个波列作用下的越浪水体体积，然后除以一个波列作用时间得到平均单宽越浪量。

防波堤波浪局部整体试验选取182°N和173°N两个波向波浪进行越浪量试验(182°N向波浪与防波堤法线方向夹角β=29°，173°N向波浪与防波堤法线方向夹角β=38°)。防波堤模型在港池内的布置见图4。试验中波浪模拟采用不规则波，不规则波波谱采用Jonswap谱(谱峰因子γ取平均值3.3)。堤身段越浪测点布置见图4(点P1～P3)，在测点位置处防波堤后设置接水箱测量越浪量。

图4 局部整体试验模型布置

断面试验和局部整体试验中每组越浪量试验的采样时间长度均为约120个波。

2.2.4试验组次

试验包括防波堤波浪断面及局部整体物理模型试验。试验组次见表1，波浪周期TP为12、15、18 s共3种。

表1 试验组次

3 结果与分析

3.1 断面试验结果与计算结果对比

断面试验中，波高H=4.7 m时不同周期波浪的防波堤越浪状况见图5。

图5 断面试验中不同周期波浪的防波堤越浪状况

斜坡堤越浪量断面试验结果与计算结果见表2。

表2 斜坡堤越浪量断面试验结果与计算结果

由斜坡堤越浪量断面试验结果与计算结果对比可见：

1)同一波浪条件下，斜坡堤越浪量断面试验结果与各种计算结果间均存在一定的差异。同一波高条件下，断面试验结果表明斜坡堤越浪量随着波浪周期的增大而增大。这是由于波浪周期越长，波浪波长越长，波浪在斜坡面上的爬高越高，从而堤顶越浪量越大。而国内规范公式计算结果随着波浪周期的增大而减小，这说明国内规范公式随波浪周期的变化规律存在一定的局限性。

2)EurOtop公式越浪量计算结果不考虑波浪周期的影响，与断面试验结果相比，在波浪周期为Tp=12～15 s时，EurOtop公式越浪量计算结果与断面试验结果吻合较好，在波浪周期较长时(Tp=18 s)，EurOtop公式越浪量计算结果小于断面试验结果。

3)ANN方法越浪量计算结果随着波浪周期的增大而增大，这与断面试验结果规律一致，在波浪周期为Tp=12～15 s时，ANN方法越浪量计算结果与断面试验结果吻合较好，在波浪周期较长(Tp=18 s)时，ANN方法越浪量计算结果大于断面试验结果。总体上，正向波浪作用下，ANN方法越浪量计算结果与试验结果的吻合程度明显好于国内规范公式和EurOtop公式计算结果。

3.2 断面试验与局部整体试验结果对比

局部整体试验中不同周期波浪的防波堤越浪状况见图6。斜坡堤越浪量断面试验与局部整体试验结果对比见表4。

注：波向：182°N，波高：H13=4.7 m。

表4 斜坡堤越浪量断面试验与局部整体试验结果对比

由斜坡堤越浪量断面试验与局部整体试验结果对比可见，与断面试验中正向浪作用情况类似，局部整体试验中斜向浪作用下，斜坡堤越浪量也随着波浪入射周期的增大而增大。斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤轴线方向沿程存在变化，沿着波浪入射方向，越浪量有沿程递减的趋势，但是均小于正向波浪作用下的越浪量，且斜向角度越大，越浪量整体越小。

3.3 局部整体试验结果与计算结果对比

EurOtop公式和ANN方法可考虑斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量，国内规范公式不可以考虑斜向波浪作用下的斜坡堤越浪量。斜坡堤越浪量局部整体试验结果与计算结果对比见图7。

图7 斜坡堤越浪量局部整体试验结果与计算结果对比

由斜坡堤越浪量局部整体试验结果与计算结果对比可见：

1)局部整体试验中斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤轴线方向沿程存在变化，堤身段越浪量较大位置处(P1点)的单点平均越浪量均大于EurOtop公式和ANN方法计算的越浪量结果。

2)斜向波浪作用下，EurOtop公式计算的斜坡堤越浪量结果在试验波浪周期范围内均小于局部整体试验中的堤身段平均越浪量(P1～P3共3个测点平均值)，尤其在波浪周期较长的情况下。可见，EurOtop公式中，对斜向浪作用下斜坡堤越浪量相比正向浪时的折减偏多。

3)在波浪周期较小(Tp=12 s)时ANN方法计算的斜坡堤越浪量结果小于局部整体试验中的堤身段平均越浪量；在波浪周期较长(Tp=18 s)时ANN方法计算的斜坡堤越浪量结果与局部整体试验中的堤身段平均越浪量吻合较好。总体上，斜向波浪作用下，ANN方法越浪量计算结果与试验结果的吻合程度明显好于EurOtop公式计算结果。

4 结语

1)断面试验和局部整体试验结果表明斜坡堤越浪量随着波浪周期的增大而增大，而国内规范公式计算结果随着波浪周期的增大而减小。EurOtop公式越浪量计算结果不考虑波浪周期的影响，ANN方法越浪量计算结果也随着波浪周期的增大而增大。

2)局部整体试验中斜向波浪作用下，防波堤堤身段的越浪量沿防波堤轴线方向沿程存在变化，局部整体试验中防波堤堤身段越浪量(包括堤身段越浪量较大位置处的单点平均越浪量和3个测点的平均越浪量)总体上大于EurOtop公式和ANN方法计算的斜向浪越浪量结果。EurOtop公式中，对斜向浪作用下斜坡堤越浪量相比正向浪时的折减偏多。

3)总体上，正向和斜向波浪作用下，ANN方法越浪量计算结果与物理模型试验结果的吻合程度均明显好于国内规范公式和EurOtop公式计算结果。

需要说明的是，本文仅是对单坡、无挡浪墙的斜坡堤在涌浪作用下的越浪量进行了对比分析，对于复坡或者有挡浪墙的斜坡堤，宜针对防波堤具体结构形式通过波浪断面和整体试验开展进一步研究。