防波堤越浪量计算方法的试验验证与分析

陈恺，丁广佳，李景辉，李琛

（1.广东万山投资有限公司，广东 珠海 519100；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，中交海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

0 引言

海上防波堤是水工建筑物中的常见结构，它通过削减来港波浪的运动，维持堤后港池的平稳，从而保障港内船舶的正常停泊和航行。堤顶越浪量是防波堤设计工作中的必要环节，通常综合考虑结构经济性与安全因素，设计防波堤在不同工况下的合理越浪量[1]。因此，斜坡堤越浪量的研究具有重要的意义。

本文依托“珠海港万山港区外伶仃岛石涌湾陆岛交通客货运码头防波堤工程防波堤断面波浪物理模型试验研究”项目（简称依托项目），测定断面模型越浪量数据，比较水文规范、国外越浪量指导公式、学术领域最新成果和神经网络预测工具的计算结果，为以后类似工况下防波堤的设计提供更加丰富的参考。

1 依托项目简介

依托项目的主要内容包括：断面波浪物理模型试验，验证4个防波堤断面及各优化方案的护面块体、护底块石、胸墙及胸墙后直立式结构的稳定性；测试波浪爬高、堤顶越浪量及堤后次生波波高；测量胸墙沉箱临海面的波压强及胸墙沉箱底部的浮托力。

项目主体试验研究于2019年6月在中国交建海岸工程水动力重点实验室完成，有关试验结果为珠海港万山港区外伶仃岛石涌湾陆岛交通客货运码头防波堤工程设计提供了科学的试验依据。项目总平面图及越浪量试验断面的具体位置如图1所示。

图1 项目总平面及试验断面位置图Fig.1 General plan and locations of the test sections

2 越浪量计算方法

为准确计算不同截面形状防波堤平均越浪量，通常会根据断面关键参数对其进行结构分类并分别提出对应计算公式。本文通过归纳试验工况与防波堤形式，对各计算公式进行了具体化表达。

本文涉及的防波堤断面包括：北堤堤头灯桩处断面、客运滚装码头断面（优化方案二）和货运码头断面（顶高程5.7 m的胸墙段），具体参数如图2所示。3个防波堤断面的近似条件为：迎浪面坡角cot琢=1.5；无肩台结构；堤顶无直立胸墙（或不在墙后测量越浪）；坡面铺有扭王字块护面；JONSWAP谱、极端高水位和设计高水位下的趾前波浪破碎系数 孜m-1，0逸4.9。

图2 越浪试验防波堤断面图Fig.2 Sections of breakwaters in the wave overtopping test

2.1 水文规范公式

JTS 145—2015《港口与航道水文规范》中第10.2.4.2节规定了斜坡堤在无挡浪胸墙情况下的平均堤顶越浪量计算经验公式[2]，本项目试验护面由单层扭王字块铺成，故其护面结构影响系数KA取0.45[3]。

2.2 EurOtop2018和Gallach-S佗nchez公式

EurOtop2018源于OPTICREST、PROVERBS、CLASH、VOWS和Big-VOWS等试验项目越浪数据结果，并在EurOtop2007的基础上进行了修正[3]。

2021年David Gallach-S佗nchez等为提高大坡陡（0臆cot琢臆1.5）、小堤顶超高（0臆Rc臆0.8）的工况下海岸建筑物平均越浪量计算精度，基于UG13、UG14和UG15越浪量数据集的统计分析，提出了Gallach-S佗nchez公式[4]，如式（1）。

2.3 XGB-Overtopping工具

XGB-Overtopping神经网络工具是由荷兰Deltares开发的用于估算各类海岸建筑物平均越浪量的预报工具。XGB-Overtopping虽并非行业标准，但在某些条件下已被证明较经验公式有一定的准确性优势[5]。

3 越浪量与计算方法分析

3.1 水槽试验

3个（优化）断面的越浪量试验在中交天津港湾工程研究院有限公司水工研究所的无反射造波机试验水槽中进行[6-10]。

1）波浪模拟

采用JONSWAP谱作为不规则波频谱，以有效波高H1/3和平均周期为控制条件进行波浪模拟，偏差值均控制在依5%之内。波谱模拟时，总能量偏差控制在依10%之内。

2）试验方法

越浪量的测定中，在胸墙顶部放置接水箱收集、测量一个波列中发生的总越浪水量，并给出断面的单宽平均越浪量。

为了能确切地反映出波浪作用下各断面的实际越浪量，试验中采用连续接水，持续时间相当于原型波浪作用3.0 h。由水槽试验得到的各工况主要参数及平均越浪量的测定值见表1。

表1 水槽试验各工况主要参数及越浪量测定结果Table 1 Main parameters of the flume tests and wave overtopping results

3.2 计算结果

将各（优化）断面的结构布置、尺寸和波浪参数分别输入到3个越浪量计算公式和神经网络模型中，得到不同工况下的越浪量计算值，将不同方法的计算结果与测定值进行比较。各方法的计算结果及与测定值的误差见表2。

表2 各越浪量计算方法的计算结果Table 2 Results of the calculation methods for overtopping

3.3 EurOtop和Gallach-S佗nchez公式分析

EurOtop2018公式与Gallach-S佗nchez公式具有相同的函数结构，通过对平均越浪量q和堤顶超高Rc进行无量纲化处理，给出两者间的连续函数关系。此外，根据其公式中统计参数的正态分布规律，可通过 滋（x）依1.64滓（x）分别求出两公式的90%置信区间[3]，如图3、图4所示。

图3 EurOtop2018公式计算与试验测点对比图Fig.3 Comparison between EurOtop2018 formula and test results

图4 Gallach-S佗nchez公式计算与试验测点对比图Fig.4 Comparison between Gallach-S佗nchez formula and test results

对比发现，两式的90%置信区间均完整覆盖0.4臆Rc/Hm0臆0.8内的所有实测点，且能较好地描述相对越浪量q/（gHm03）0.5随相对堤顶超高Rc/Hm0的变化趋势。计算结果见表2，EurOtop2018公式的计算值平均相对误差低于Gallach-S佗nchez公式，且随着相对堤顶超高的增大，后式的计算精度较前式有更明显的劣化趋势；此外，后式90%置信区间的覆盖面积大于前式，主要是由于其统计参数的标准差滓（2）=0.4，大于前式对应参数的标准差 滓（1.5）=0.15。

4 结语

本文基于“珠海港万山港区外伶仃岛石涌湾陆岛交通客货运码头防波堤工程防波堤断面波浪物理模型试验研究”项目的防波堤（优化）断面结构形式和尺寸，计算出EurOtop2018、Gallach-S佗nchez、港口与航道水文规范公式和XGB-Overtopping神经网络工具在各工况下的越浪量计算值，主要结论如下：

1）水文公式、EurOtop2018和Gallach-S佗nchez公式的计算结果与试验结果差别均不大，在本项目试验中具有较好的可靠性；而XGB-Overtopping的误差相对较大，因此不适于在以水文规范为准的防波堤越浪量设计中参考XGB-Overtopping计算结果。

2）通过比较EurOtop2018与Gallach-S佗nchez公式的计算结果，虽然两者的公式结构、计算原理相近，但由于EurOtop2018给出的置信区间更窄，因此更适合作为国内防波堤越浪量设计的辅助参考。