涌浪作用下宽肩台式斜坡堤的试验研究

桑高亚，何 波，王 敏，马小舟

（1.大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中远海运港口有限公司，上海 200080）

引 言

斜坡堤作为海港工程中使用最广泛的防波堤结构型式，根据发展年代可分为三个阶段，分别为抛石斜坡堤，由堤心石、垫层和护面块石或块体组成的斜坡堤和宽肩台式斜坡堤[1]。宽肩台式斜坡堤在国内自20 世纪90 年代后期建成第一座后，20 年间虽有所增加但仍然较少，这导致国内学者对其研究仅停留在总结其特点和探究其稳定断面的层面，较国外的研究不够深刻。刘子琪等[2]总结了大连北良粮食中转港宽肩台式斜坡堤设计方案稳定性的试验研究成果；郑子龙等[3]对青岛造船厂宽肩台式防波堤在不规则波作用下的断面演化和动力平衡断面的形成进行了试验研究；缪亚欣[4]以福州港松下港区防波堤为基础浅谈宽肩台式斜坡堤的优点及其在应用中的局限性；刘志远等[5]研究并总结了块石级配对宽肩台式斜坡堤形成稳定断面的规律性影响；李姗等[6]对试验中选用的护面块石外形及摩擦系数与现场的相似度、采用的块石级配是否合理、描述最终剖面形态的方法是否恰当进行了详细阐述；陈谦等[7]针对某一工程将人工块体护面斜坡堤与宽肩台式斜坡堤从稳定性及造价等方面进行对比分析，得出一定结论；Alf Tørum 等[8]系统地研究了不同石料密度情况下宽肩台式斜坡堤的稳定性和越浪量，并推导出均质堤的退水方程；Mohammad Reza Shekari 等[9]对不规则波作用下的肩台变形进行了试验研究；Farzad Milanian等[10]描述了宽肩台式斜坡堤的不同结构参数对波浪爬高的影响。相比之下，国内学者的研究成果的工程背景多集中在国内，且针对涌浪对宽肩台式斜坡堤的影响研究在国内外均较为有限。因此，对此堤型以国外工程为背景进行多方面研究并总结研究过程中的试验方法可以使国内学者和相关行业人员对此堤型的认识更加全面，具有重大意义。

本文以某一工程中典型宽肩台式斜坡堤为研究对象，应用三维扫描新技术和随机波浪理论探索涌浪作用下宽肩台式斜坡堤的稳定性、越浪量及其透、反射特征。

1 试验设计

本文以某一典型的宽肩台式斜坡堤为研究对象，其断面如图1 所示。

图1 宽肩台式斜坡堤断面

试验研究内容分为三部分，即在正向波浪作用下，宽肩台式斜坡堤的动态平衡断面变形率、越浪量及堤身的反射系数和透射特征。

涌浪作用下宽肩台式斜坡堤的试验研究在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室的不规则波流水槽中进行。试验水槽长69 m，宽2 m，深1.8 m，在距离造波机30 m 处水槽分隔为宽1.2 m和0.8 m 的两个窄水槽，模型布置在0.8 m 窄水槽内。水槽一端配备由本实验室研制生产的吸收式不规则波造波机，可模拟生成规则波和不规则波，并可有效减小造波机的二次反射影响，另一端设置消浪网，亦可有效减小水槽末端的反射对透浪研究的影响。

设计加工的模型与原型之间应该满足几何相似、弗劳德数相似及斯特劳哈尔数相似，防波堤护面块石和堤心石满足重力相似条件。综合考虑试验技术要求、造波能力和量测精度，试验模型几何比尺设为1:25。

宽肩台式斜坡堤对应的断面模型在水槽中的布置如图2 所示，其堤脚距造波机41 m。水槽底部根据防波堤附近实测的海底地形进行改造，构建地形。在堤前布置三根浪高仪，堤后布置两根浪高仪以测量波面变化情况。用电子摄像机在透明水槽侧面进行录像，监控断面变化以及波浪爬高和越浪情况。使用安装在水槽顶部、迎浪侧斜坡上部的KINECT 3D 扫描仪来实现断面形状的三维重建，从而可以精准绘制防波堤斜坡的形状以便分析断面变化。

图2 宽肩台式斜坡堤堤身典型断面模型试验布局

试验采用不规则波进行，以谱峰升高因子为1的JONSWAP 谱模拟并生成不规则波。根据试验波浪要素，由实验水槽和水池的造波机产生不规则波浪，在波浪控制点位置放置浪高仪采集不规则波的波高和周期数据，通过调整造波参数，反复修正，使实测波浪参数数据与试验要求的波浪参数相一致，并且实测波浪频谱与要求的理论频谱吻合，获得试验波浪造波信号。

试验工况及其对应的水深及波浪要素统计于表1。由几何比尺可以计算试验的时间比尺为1:5，则表中试验波浪的原始周期为18 s 和20 s，在真实海况中属于涌浪。试验在测量动态平衡断面时，不断改变水深与波浪要素对宽肩台式斜坡堤进行连续工况测试，工况作用顺序如表2 所示，正常工况每次模拟原型2 小时，总作用时间为9 小时。其中工况0 表示选择高水位下小周期、小波高的波浪条件对断面进行作用，形成初始剖面，时间范围展示的是原型数据。

表1 宽肩台式斜坡堤断面试验工况信息

表2 宽肩台式斜坡堤连续工况测试顺序

越浪量通过集水槽在模型上直接量取，不规则波接取一个完整波列的总越浪水体作为相应历时的总越浪量，继而称重并转化为体积，最后按比尺关系折算成工程原型单位宽度上的平均越浪量。

堤身前后的波浪要素测量采用DS30 型多通道波高采集系统，该系统采用电容式传感器即浪高仪测波，浪高仪量程范围为60 cm，测量相对误差小于0.5 %，配备采集分析软件，可同步测量多点波面过程并统计波高、周期数据。这里需要注意的是，研究堤身在长周期波浪作用下的透浪效果，堤心石的选用既要考虑模型的比尺，还要控制中值粒径和级配。筛选堤心石使其级配满足级配表中块石质量数据[11]即可计算堤心石中值粒径。但由于试验中堤心石体积较小，且堤心中的湍流耗散需要满足雷诺相似准则，按照几何相似和重力相似进行模拟试验，会导致出现孔隙率较小，水体耗散偏大，防波堤透浪特性被低估的结果。因此，本文参考Hughes[12]，采用Le Mehaute[13]和Keulegan[14]两种方法所得修正系数的平均值对堤心石的中值粒径进行修正。同时，在模型两侧设置阻水条以防止波浪从模型两侧的缝隙中透过，对试验结果造成影响。

2 试验结果

为保证试验结果的正确性，试验数据为重复性试验获得，平衡断面试验组合工况重复三次，越浪量和堤身前后波高测量均进行三次重复试验。

2.1 动态平衡断面测量

KINECT 3D 扫描仪配合Skanect 软件可进行3D 建模来实现断面形状的三维重建。KINECT 3D扫描仪内部含有红外发射器和摄像头，它从红外摄像头获取红外数据后，在内部进行处理[15]，产生深度数据保存并传入Skanect软件从而重建断面形状，其测量范围为0.5～5 m，测量相对误差小于1 %。试验在完成堤前断面稳定试验的同时也观察了堤后稳定情况。

此宽肩台式斜坡堤根据PIANC（2003）报告[16]建议和计算方法判断其断面形态为动态稳定断面。试验发现宽肩台式斜坡堤迎浪面护面块石发生变形。断面扫描位置如图3（a）中方框所示，初始断面三维扫描图像如图3（b）所示，连续波况作用后断面三维扫描图像如图3（c）所示。波浪作用前后两次防波堤扫描剖面对比如图4 所示，图中灰色轮廓为理论堤身轮廓，阴影部分为断面动态变化范围，以初始断面为基准，可计算得到断面动态变化率为3.4%。

此外，虽然工况1-2 和工况2-2 均有明显越浪，但试验中观察发现，波浪越过堤顶后并未直接作用于堤后块石，而是作用于堤后水面从而消耗水体冲击力，未发现堤后块石失稳。

图3 宽肩台式斜坡堤断面波浪作用前后扫描对比

图4 宽肩台式斜坡堤断面波浪作用前后形态对比

2.2 越浪量试验

采用不规则波作为入射波，四个工况下的越浪量测量结果如表3 所示。

表3 宽肩台式斜坡堤越浪量试验结果

针对上述越浪量试验结果，本文参考EurOtop manual[17]提出的越浪量分级来评价越浪量对防波堤的影响作用：

1）q＜0.1 L/(m·s)对胸墙和堤后结构无影响作用；

2）q=1 L/(m·s)堤顶和堤后斜坡表面开始受到越浪的侵蚀作用；

3）q=10 L/(m·s)堤顶可见显著越浪，堤后斜坡结构受到越浪的侵蚀作用；

4）q=100 L/(m·s)堤身产生透射波，堤后斜坡必须覆盖护面块体。

结合试验时摄像机对堤顶和堤后斜坡的监控发现，工况1-1 和工况2-1 的不规则波作用产生的越浪对堤顶和内侧斜坡无侵蚀作用；工况1-2 和工况2-2 的不规则波作用产生的越浪明显，堤后块石存在松动现象。试验结果基本满足上述越浪量分级标准但不完全一致。同时，试验结果符合PIANC（2003）报告中对宽肩台式斜坡堤越浪量与波陡关系的描述，即同一试验条件下波陡越小越浪量越大，堤后更容易破坏。

2.3 透、反射特征

对于堤身的透浪特征，其一为波浪透射系数的计算，计算以堤后浪高仪测量试验透射波高 Ht，以设计波高的理论值作为入射波高 Hi，则透射系数Kt采用如下公式进行计算：

其二为堤后波浪周期的变化，本文以能量谱描述堤后周期变化。堤前反射系数采用Goda 两点法计算，Goda 两点法将不规则波视作由若干个不同频率的规则波线性叠加，组成波之间以各自的相速度传播，多次反射后其频率值不变，先分别计算出各组成波的入反射波高，再进行合成求出平均波高。

不同波况下宽肩台式斜坡堤断面试验的波浪透射系数如表4 所示。可以发现，在水位、波高及周期变化不大的情况下，宽肩台式斜坡堤的透射系数基本一致。水位变化时，试验工况1-1 与工况2-1比较、工况1-2 和工况2-2 比较，波浪作用于宽肩台式斜坡堤均存在低水位比高水位透射系数略小的现象，因为同样波高和周期的波浪在低水位中传播并作用于堤前时，水体越浪量较高水位时小，能量耗散也较小，从而更容易聚集并向外海侧扩散造成港内侧透射系数较小的现象。水位不变时，工况1-2 和工况2-2 波浪的波高及周期均比工况1-1 和工况2-1 波浪大，由于波浪的波高和周期均对堤身的透、反射特征有影响，因此采用波陡来描述透、反射系数的变化规律。定义入射波波高为h，波长为L，则h/L 为波陡。宽肩台式斜坡堤的透、反射特征类似于抛石防波堤，堤身的透射系数随波陡增大而增大，反射系数随波陡增大而减小，则此宽肩台式斜坡堤的试验数据满足一般规律，且透浪系数较小利于港内船舶作业。

表4 宽肩台式斜坡堤断面试验波浪透射系数

对于宽肩台式斜坡堤的堤后透浪特征，试验同步分析了堤后透射波浪的周期规律。试验结果以（指数坐标）能量谱图的形式呈现，如图6 所示。可以看出，此宽肩台式斜坡堤堤后的透射波浪其频率主要集中在原谱峰频率附近，高频成分即短周期波在透射波浪中占比较低，透射波浪基本为长周期波。

图5 宽肩台式斜坡堤入射波与透射波能量谱对比

不同波况下宽肩台式斜坡堤断面试验的波浪反射系数如表5 所示。可以发现，在水位、波高及周期变化不大的情况下，宽肩台式斜坡堤的反射系数基本一致。水位变化时，试验工况1-1 与工况2-1比较、工况1-2 和工况2-2 比较，波浪作用于宽肩台式斜坡堤均存在低水位比高水位反射系数略大的现象，其规律与透射系数规律相互印证。水位不变时，此宽肩台式斜坡堤堤身反射系数随波陡的变化规律与透射系数随波陡的变化规律相互印证，满足一般规律。

表5 宽肩台式斜坡堤断面试验波浪反射系数

3 结 语

1）此宽肩台式斜坡堤在设计波浪作用下堤前发生变形，符合PIANC（2003）报告中宽肩台式斜坡堤特殊的动态平衡断面的标准和要求，但动态平衡断面变形率仅为3.4 %。

2）试验发现，工况1-2 和工况2-2 波浪的堤顶越浪量均大于10 L/(m·s)，但堤后块石仅发生少量滚动，堤后结构未发生明显改变或失稳，这种现象基本但不完全符合EurOtop manual提出的越浪量对防波堤影响作用的分级标准，有待进一步研究。同时，试验结果与PIANC（2003）报告中波陡越小越浪量越大，堤后更容易破坏的结论一致。

3）此宽肩台式斜坡堤的透、反射系数数据一致性很好，相互印证。透射系数较小，利于港内船舶作业，且其随水深减小而减小、随波陡增大而增大的变化规律和堤后透射波浪均为长周期波的特征符合抛石堤和普通斜坡堤的一般规律。

4）反射系数随水深减小而增大、随波陡增大而减小的变化规律符合普通斜坡堤的一般规律。