不规则波工况下弧形防浪墙波浪载荷试验研究

徐 斌，刘建华，沈超明

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

不规则波工况下弧形防浪墙波浪载荷试验研究

徐 斌，刘建华*，沈超明

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

现有关于弧形防浪墙的研究大多是针对越浪量的，对其上波浪载荷的研究涉及的不多．为弥补现有研究成果的不足并为弧形防浪墙稳定性设计提供参考，文中以复式海堤弧形防浪墙为例，以1∶15为比尺设计了不规则波断面模型试验．布置压力探头对弧形迎浪面的波压力信号进行采集，通过积分法得出合力．通过对不规则波作用下弧形防浪墙所受波浪载荷峰值的概率分布和波浪载荷变化规律进行研究，得出:威布尔分布公式对弧形防浪墙不规则波作用下波浪载荷的概率分布进行拟合效果良好;水平波浪力、垂直波浪力和波浪力矩的最大值、2%累计频率值以及1/3大值平均值均随水深的增大而增大，随波周期的增大而增大，随波高的增大而增大．

复式海堤;弧形防浪墙;不规则波;威布尔分布;波周期;波高

港口作为交通运输的枢纽，水陆联运的咽喉，对我国经济发展有着极其重要的作用．防波堤是港口及海岸防护工程中常见的一种结构型式，各种新型防波堤成为目前研究的热门课题［1－3］，其在维护港内水域平稳和堤后生活区域安全的同时可以起到很好的景观效果．弧形防浪墙作为一种传统斜坡堤基础上的新型墙结构型式，可以通过弧面的引导将波浪水体几乎全部折返，很好地起到降低越浪的作用，从而降低堤顶高程，减少造价［4］．但是弧形防浪墙由于其结构的特殊性，波浪水体在弧面发生几乎全部折返，堤前水体运动形态复杂，传统的研究成果及经验公式不能简单地照搬运用．目前关于弧形防浪墙的研究已有不少［5－12］，但尚未有比较系统完善的结论．不规则波与实际工程所处环境最为相似，通过不规则波工况进行试验研究弧形防浪墙波浪载荷的分布特性及其变化规律具有重要的现实意义．文中对复式海堤弧形防浪墙断面模型试验，通过统计分析，对不规则波作用下其所受波浪载荷峰值的概率分布和波浪载荷变化规律进行了研究．

1 试验设备及试验模型

试验水槽长50 m，净宽1.0 m，深1.5 m，一端配有消能结构，另一端为造波机．该造波机可以满足最大工作水深0.8 m、最大波高0.45 m、试验周期0.5～5 s的试验要求．使用动态应变测试系统对压力探头信号进行采集，信号采集频率为1 000 Hz．试验比尺为1∶15，模型布置如图1．

弧形胸墙内侧沿高度方向均匀开设9个孔布置压力探头(其中弧段开孔方向为弧面的法线方向)，从上到下依次为1#，2#，…9#，为避免同一截面上开孔过密影响探头布置和测试结果，探头开孔采用交错布置方式．胸墙相关尺寸及迎浪面压力探头布置如图2．

图1 模型布置Fig．1 Model layout

图2 压力探头布置(单位:mm)Fig．2 Arrangement of pressure probes(unit:mm)

2 工况安排

试验中不规则波波浪谱采用JONSWAP波谱:

式中:g为重力加速度;ω为频率;ωp为谱峰频率; α为无因次常数;当ω≤ωp时，σ=0.07;当ω＞ωp时，σ=0.09;γ为谱峰升高因子，文中取3.0．

试验组次安排如表1．

表1 波要素组合表Table 1 Amagement table of ware parameters

将各探头压力进行积分得到每延米弧形防浪墙模型上的水平波浪力Fh、垂直波浪力Fv以及波浪力矩M的时域t信号曲线，其中工况IR204条件下曲线如图3(水平波浪力向防浪墙后为正，垂直波浪力向上为正，波浪力矩以防浪墙向后倾覆为正)．

图3 工况IR204弧形防浪墙波浪载荷时域曲线Fig．3 Signal curves of wave load on arc wave crown under condition IR204

3 波浪载荷峰值概率分布

将试验所得波浪载荷信号统计峰值后，由大到小进行排序，排列次序为m的峰值出现的累计概率为:

式中:xm=Fm/Fmean，Fmean为峰值统计平均值;Fm为累计概率的波浪载荷峰值;N为峰值总数．

为了对不规则波作用下弧形防浪墙波浪载荷概率分布进行最优的曲线拟合，需要将实测值所得到的累计频率曲线与理论函数对应的曲线进行比对以选择最适合的分布形式［13］．相关的理论分布曲线有很多，如威布尔分布、高斯分布、对数正态分布等．通过前期尝试，威布尔分布对文中所研究的弧形防浪墙波浪载荷在不规则波作用下的累计频率分布拟合较好，故重点采用此方法对文中不规则工况下波浪载荷的概率分布进行曲线拟合．

3.1 威布尔分布

威布尔分布在工程中应用广泛［14］，其概率密度函数为:

式中:a，b为威布尔函数的2个参数，a＞0为形状参数;b＞0为比例参数;γ为位置函数，文中取为0，e为自然常数．

对式(3)进行积分简化后可以得到其累计分布函数:

由式(4)可知:威布尔分布具有较好的适应性，使用参数a，b即可进行各种变化，当b=1时，威布尔分布转变为指数分布当 b=2时，威布尔分布则转变为瑞利分布．

3.2 威布尔分布相关参数拟合

通过对数变换可将式(2)转换成线性方程的形式:

其中:Fi为累计频率为i%的波浪载荷峰值;为波浪载荷峰值统计平均值; P(x)为累计频率．通过Matlab对试验数据进行拟合处理，得出参数a，b，然后绘制实测点与拟合曲线进行对比．限于篇幅，以部分工况为例，其威布尔分布拟合效果如图4～6，d为水深．

图4 水平波浪力峰值概率分布Fig．4 Probability distribution of horizontal wave loads

图5 垂向波浪力峰值概率分布Fig．5 Probability distribution of vertical wave loads

图6 波浪力矩概率分布Fig．6 Probability distribution of wave overturning moments

通过上述分析可知:使用威布尔分布对弧形防浪墙不规则波作用下的波浪载荷的概率分布进行拟合效果良好，不同工况下拟合的威布尔参数有差异，但差别不大，参数a，b均在1上下波动．水平波浪力最大值Fhmax和波浪力矩最大值Mmax基本保持在7.0附近，垂直波浪力最大值Fvmax在3～6区间波动．

不同水深d条件下的拟合结果(参数a，b的范围)汇总如表2所示．

表2 参数拟合结果Table 2 Parameters fitting results

4 波浪载荷随波要素变化关系分析

为研究不规则波条件下弧形防浪墙波浪载荷的变化规律，文中从水平波浪力最大值Fhmax、累计频率为2%的水平波浪力Fh2%值以及水平波浪力的1/3大值平均值Fh1/33个角度进行统计分析，结果如图7～9．

由图7～9可以看出:在不规则波工况下，波浪载荷随着水深的增大而显著增大，随波周期的增大而增大，随波高的增大而增大，3个波浪载荷指标的最大值、累计频率2%的值以及1/3大值平均值3个指标均可以证实．

5 结论

1)威布尔分布对弧形防浪墙不规则波作用下的波浪载荷的概率分布进行拟合效果良好，不同工况下拟合的威布尔参数有差异，但差别不大，参数a，b均在1上下波动．

2)水平波浪力最大值Fhmax和波浪力矩最大值Mmax

3)在文中所涉及的不规则波条件内，弧形防浪墙波浪载荷(水平波浪力、垂直波浪力和波浪力矩)最大值、2%累计频率值以及1/3大值平均值均随水深的增大而增大，随波周期的增大而增大，随波高的增大而增大．

4)不同累计频率的波浪载荷可以综合文中拟合的威布尔分布和给定波浪载荷变化关系图进行求解．

图7 不规则工况波浪载荷随水深变化关系Fig．7 Graph of wave loads changing with water depth

图8 不规则工况波浪载荷随波周期变化关系Fig．8 Graph of wave loads changing with wave period

图9 不规则工况波浪载荷随波高变化关系Fig．9 Graph of wave loads changing with wave height

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(责任编辑:贡洪殿)

Test research of the wave loads on arc crown wall in irregular waves

Xu Bin，Liu Jianhua*，Shen Chaoming
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Current researches on arc crown wall are mostly about overtopping，and only a few researches involve the wave loads on it．In order to make up for the current achievements and to provide reference for the stability design of arc crown wall，cross-section model test under irregular wave conditions is designed with the scale 1∶15，taking composite sea embankment arc crown wall as the example．Wave loads are calculated by integration of pressure signals collected through pressure probes set on the surface of the arc crown wall．The probability distribution of wave loads as well as the wave loads variation on arc crown wall in irregular waves is studied．Test results show that Weibull distribution in well with the probability distribution of wave loads on arc crown wall in irregular waves;The maximum value，the 2%cumulative frequency value and the one third big average value of horizontal wave load increase significantly with the increase of water depth，wave period and wave height，so do those of the vertical wave load and the wave moment．

composite sea embankment;arc crown wall;irregular waves;Weibull distribution;wave period; wave height

U656.3

:A

:1673－4807(2015)05－0409－07

10．3969/j．issn．1673－4807．2015．05．001

2015－07－09

徐斌(1990—)，男，硕士研究生．*通信作者:刘建华(1963—)，男，副教授，研究方向为工程力学．E-mail:jianhua-liu@163．com

徐斌，刘建华，沈超明．不规则波工况下弧形防浪墙波浪载荷试验研究［J］．江苏科技大学学报:自然科学版，2015，29(5):409－415．