不规则波作用下斜坡堤越浪量试验研究

周 雅，林登荣，李庆银，陈国平，严士常

（1.河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京210098；2.温州瓯飞围垦管理委员会，温州325000；3.黄河水利委员会山东水文水资源局，济南250100）

不规则波作用下斜坡堤越浪量试验研究

周 雅1，林登荣2，李庆银3，陈国平1，严士常1

（1.河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京210098；2.温州瓯飞围垦管理委员会，温州325000；3.黄河水利委员会山东水文水资源局，济南250100）

考虑允许部分越浪对海堤设计十分重要。通过具体工程波浪断面物理模型试验，研究了不同波要素和断面尺度对斜坡堤越浪量的影响，比较了随机、规则两种扭王字块体摆放型式的消浪效果。结果表明：堤顶超高对越浪量的影响最大，随着相对堤顶超高的增大，越浪量呈指数形式递减。肩台及平台宽度和波陡对越浪量也有影响，相对肩台及平台宽度越大，越浪量越小；波陡越大，越浪量越小。护面层空隙率相同的不同扭王字块体摆放型式下，斜坡堤越浪量基本相同。典型越浪量公式计算值与文章试验值相比都偏小，陈国平公式计算结果较为准确。

不规则波；斜坡堤；平均越浪量

波浪作用在海堤上上爬越过堤顶会产生越浪，单位时间单位堤宽上越过的平均水量称为平均越浪量。理论上讲，只要堤顶足够高，越浪是可以避免的。但一方面，海堤按照完全不允许越浪标准设计建造往往不经济；同时，由于当地地基处理条件不具备或虽经处理仍达不到地基承载力要求时，堤身高度会受到限制；另一方面，由于设计水位及波浪要素的不确定性，特别是在风暴潮作用下，越浪量会大大增加，对海堤造成破坏，导致严重后果［1］。因此考虑允许部分越浪对海堤设计十分重要。

从20世纪50年代开始，国内外专家学者对越浪量进行了大量研究：1955～1958年T.Saville［2-3］进行了规则波作用下斜坡堤越浪量物模试验；1965年Yuichi Iwagaki［4］研究了水深和波高对越浪量的影响；1980～1991年Owen［5-7］针对简单斜坡堤和带肩台的斜坡堤进行了较为系统的越浪量试验并给出了不规则波平均越浪量计算公式。国内学者中2005年陈国平［8］通过具体工程越浪试验提出斜坡上越浪量不仅与护面类型有关，还与护面消浪结构所处位置有关；2006年范红霞［1］采用最普通的典型断面进行系列物模试验，分析了影响越浪量的各种参数，建立了适用于我国海堤结构型式的平均越浪量计算公式，并结合收集到的试验资料提出对具体工程进行计算时的应用建议；2010年陈国平［9］采用波浪爬高和堤顶超高两个主要因子研究了海堤越浪量的变化规律，并根据越浪量对堤后不同防护情况下的冲刷破坏情况提出了允许越浪量标准；2014年常江［10］探讨了斜坡堤堤顶宽度对越浪量的影响机理，分析并给出了堤顶宽度对越浪量衰减系数的影响关系式。从前人研究成果中可以看出，斜坡堤越浪过程十分复杂，影响因素众多，各家公式、各国标准都有自己的适用范围和局限性，公式计算结果和试验值存在较大差异，因此继续开展斜坡堤越浪量问题研究十分必要。本文基于前人结论通过具体工程波浪断面物理模型试验对斜坡堤越浪量做了进一步研究。

1试验概况

1.1设计断面和工况

工程设计断面见图1。迎浪面堤脚为-7.6 m，堤脚采用挖入置换抛石棱体保护，棱体底高程为-10.43 m，迎浪面设置1：1.5斜坡，斜坡上采用20 t扭王字块体护面，6.2 m高程处设置肩台，肩台上采用20 t扭王字块体护面，起到掩护挡浪墙的作用，扭王字块体宽度为5.9 m，顶高程为8.87 m，堤顶设置直立式挡浪墙，挡浪墙顶高程为9.3 m。断面二与断面一相比，堤身结构型式不变，相对位置后移了100 m，肩台高程降为2.63 m，肩台上扭王字块体顶高程降为5.3 m，堤顶设置直立式带挑檐挡浪墙，挡浪墙顶高程降为8.5 m。断面三与断面一相比主要区别在于平台高程降为2.63 m，扭王字块体顶高程降为5.3 m，平台后接一个1：1.5斜坡，6.33 m高程处设置肩台，肩台上扭王字块体顶高程为9 m，挡浪墙顶高程为9.5 m。工程设计断面四迎浪面堤脚棱体底高程为-8 m，迎浪面设置1：2.5斜坡，斜坡基础为砾石混砂，上面铺设土工布，再施工垫层块石及护面结构。斜坡上采用1 t扭王字块体护面，扭王字块体随机摆放，肩台上扭王字块体宽度为2.55 m，顶高程为5.28 m，挡浪墙顶高程也为5.28 m。断面五与断面四相比主要区别在于-8 m平台前接一个1：2.5的斜坡，-8.0 m平台以下，采用0.6 m×0.6 m×0.4 m混凝土块体护面，随机安放2层，迎浪面堤脚棱体底高程为-15.65 m。

图1 设计断面Fig.1 Test section

1.2试验方法

试验在河海大学风浪水槽中进行，水槽长80 m、宽1.0 m、高1.5 m。水槽纵向分为两部分，宽度都为0.5 m，一部分铺设试验断面，另一部分用以消除波浪的二次反射。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，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。

试验不规则波波谱为JONSWAP谱，谱峰升高因子g取3.3，波高及水舌厚度采用电容式波高仪和DJ800多功能监测系统采集，越浪量采用集水称重法量测。模型按正态重力相似准则设计，结合波要素、试验断面及设备性能等因素，确定断面一～三模型长度比尺为λ=35，断面四、五模型长度比尺为λ=20。本文试验具体工况见表1。

表1 试验组合Tab.1 Schemes of test

2试验结果及分析

根据前人研究成果及试验观察，本文重点分析有效波高Hs、平均周期T，堤顶超高Rc、设置的肩台及平台宽度l和扭王摆放型式（通过坡面糙渗系数γf来表示）对斜坡堤越浪量的影响。综合考虑这些因素并运用π定理得到越浪量的无因次表达式

2.1堤顶超高对斜坡堤越浪量的影响

堤顶超高是指堤顶高程与静水位之间的垂直高度差。图2为相对堤顶超高Rc/Hs与无因次越浪量之间的关系。从图中可以看出，堤顶超高对越浪量影响显著随Rc/Hs的增加呈指数形式递减。这是因为在波浪与建筑物相互作用的过程中，波浪的能量一部分被反射波带走，一部分被底摩阻消耗，还有一部分产生爬高转化为势能［11］。当Rc/Hs较小时，随着堤顶超高的增加，波浪爬高距离加长，波浪能中被护面块体消耗和转化为势能的能量增加，导致越浪量急剧减小；当Rc/Hs较大时，斜坡堤越浪量已经很小，但由于不规则波的随机性，在一个不规则波波列中偶尔仍会有一个或几个大波产生越浪，因此越浪量随堤顶超高增大缓慢减小。

2.2肩台及平台宽度对斜坡堤越浪量的影响

图2 堤顶超高对越浪量的影响Fig.2 The influence of superelevation of seawall top to wave overtopping

海堤设计中通常在迎浪面斜坡上设置肩台和平台，二者既可供施工使用，又有消浪效果。根据海岸动力学［12］理论，波浪能量主要集中在表层水体内。因此，本文断面二单坡肩台和断面三复坡平台都设在设计水位上下半倍波高范围内以达到最好的消浪效果，减小波浪的爬高和越浪。图3为相对肩台及平台宽度l/Hs与无因次越浪量之间的关系。可以看出，随着肩台及平台宽度的增加，消浪距离变长，波浪能量耗散增加随着l/Hs的增大出现明显减小。

图3 肩台及平台宽度对越浪量的影响Fig.3 The influence of the width of shoulder platform and platform to wave overtopping

2.3波陡对斜坡堤越浪量的影响

波高和波长之比称为波陡。图4为波陡Hs/L与无因次越浪量之间的关系，图中给出了断面四在坡度m=1.5和m=2.5两种工况下随Hs/L的变化曲线。从图中可以看出，两种坡度下都随Hs/L的增大而减小，且m=2.5时的越浪量小于m=1.5时的越浪量。

图4 波陡对越浪量的影响Fig.4 The influence of wave steepness to wave overtopping

图5 摆放效果图Fig.5 Displacement results

波浪自深水向岸边传播时，波长渐短，波高随水深减小开始时略有减小，但当传播到一定浅水后，波高迅速增大，波浪因波陡达到极限失去稳定而产生破碎［12］。试验中可以观察到，本文不同波要素条件下，波浪在斜坡上基本都呈卷破波波态，波浪已严重破碎，随着波陡的增大波浪破碎加剧，因此越浪量随波陡的增大而减小。m=2.5的斜坡与m=1.5的斜坡相比，越浪过程中波浪爬高距离更长，能量耗散更多，因此越浪也更小。

2.4扭王字块体摆放型式

本文对断面五进行了扭王字块体摆放型式对比试验，试验中两种工况+1.15 m高程以下到-8 m平台扭王字块体均为随机摆放，+1.15 m高程以上到挡浪墙前扭王字块体分别按随机和规则两种摆放型式进行摆放。扭王字块体的摆放型式按照The Rock Manual［13］的相关规定，换算到原型后，模型中随机摆放型式的扭王字块密度为113块/100 m2，规则摆放型式的扭王字块密度为115块/100 m2，摆放效果见图5。

表2为不同扭王字块体摆放型式下的越浪量试验结果，从表中可以看出，不同潮位、波要素条件下，两种摆放型式的斜坡堤越浪量基本相同。

表2 不同扭王字块体摆放型式下的越浪量试验结果Tab.2 Experimental results of wave overtopping in different displacement of accordpod

表3 公式计算值与物模试验结果对比Tab.3 Comparison of the overtopping calculated by formulas and physical experiments

《防波堤设计与施工规范》［14］中给出了斜坡堤护面层人工块体个数公式

此中：N为人工块体个数，个；A为垂直于厚度的护面层平均面积，m2；n′为护面块体层数，层；c为块体形状系数；P′为护面层的空隙率（％），斜坡堤上随机安放一层扭王字块体时，护面块体空隙率为50％；γb为护面块体的重度，kN/m3；W为单个块体的稳定重量，t。

根据式（2），由前文所述两种摆放密度可计算得到斜坡堤上规则安放一层扭王字块体时，护面块体空隙率为49％。前人研究表明，护面块体对越浪的影响包括增大糙率和增加渗透水量两个方面［1］。一方面，两种摆放型式都是针对扭王字块体；另一方面，经过计算两种摆放型式护面层空隙率也基本相同，因此本文两种扭王摆放型式下越浪量试验结果基本一致。

3现有越浪量公式计算比较

本文选取陈国平公式、《海港水文规范》公式［15］以及欧洲广泛认可的Van der meer公式［16］对部分符合条件工况下的越浪量进行了计算，具体结果见表3。从表中可以看出，各方法计算的越浪量随堤顶超高的变化趋势与前述规律相同，都随堤顶超高的增大而减小。各家公式计算值与试验值相比都偏小，陈国平公式计算值与试验值最为接近。

4结论

本文通过物理模型试验对不规则波作用下斜坡堤越浪量与各个影响因素之间的关系进行分析，主要结论如下：对斜坡堤越浪量影响最大的因素为堤顶超高，无因次越浪量随相对堤顶超高Rc/Hs的增加呈指数形式递减。肩台及平台宽度l，波陡Hs/L，坡面糙渗系数γf也是重要的影响因子。随着相对肩台及平台宽度l/Hs的增加斜坡堤上消浪距离变长越浪量减小。随着波陡Hs/L的增加波浪破碎程度加剧，波浪能量耗散增大，越浪量也呈现减小趋势。护面不同扭王摆放型式下，护面层空隙率相同时，斜坡堤上越浪量也基本相同。

通过对现有越浪量公式的计算比较得出，各家公式计算值与本文试验值相比都偏小，陈国平公式计算值与试验值最为接近。

参考文献：

［1］范红霞.斜坡式海堤越浪量及越浪流试验研究［D］.南京：河海大学,2006.

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［9］陈国平,周益人,严士常.不规则波作用下海堤越浪量试验研究［J］.水运工程,2010（3）:1-6. CHEN G P,ZHOU Y R,YAN S C.Test study on wave overtopping under irregular wave action［J］.Port&Waterway Engineering, 2010,2010（3）:1-6.

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［16］Van der Meer J W.Technical report wave run⁃up and wave overtopping at dikes［R］.Delft:Technical Advisory Committee on Flood Defence,2002.

Experimental research of wave overtopping on sloping dike under irregular waves

ZHOU Ya1,LIN Deng⁃rong2,LI Qing⁃yin3,CHEN Guo⁃ping1,YAN Shi⁃chang1
(1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Wenzhou Oufei Reclamation Management Committee, Wenzhou 325000,China;3.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau of the Yellow River Water Conservancy Committee,Jinan 250100,China)

Considering allowable part wave overtopping is very important to the design of seawall.The influ⁃ence of different wave situations and size of seawall on wave overtopping was investigated in this paper,and the wave absorbing effects of the random displacement of accordpod were also compared with the rule one through phys⁃ical model test of concrete engineering.The results show that:the influence of superelevation of seawall top to wave overtopping is the largest.Wave overtopping decreases at an exponent function with the increase of relative superel⁃evation of seawall top.Wave steepness and the width of shoulder platform and platform also have certain influence. Wave overtopping decreases with the increase of width of shoulder platform and platform and also decreases with the increase of wave steepness.Under the condition of the same void fraction,wave overtopping on sloping dike is al⁃most the same in different displacement of accordpod.Overtopping calculated by several formulas is smaller than ex⁃perimental values.Chen Guo⁃ping′s results are more accurate.

irregular waves;sloping dike;average wave overtopping

TV 139.2+5

A

1005-8443（2016）04-0331-05

2016-02-01；

2016-03-29

周雅（1992-），男，江苏省扬州人，硕士研究生，主要从事波浪与建筑物相互作用方向研究。Biography：ZHOU Ya(1992-),male,master student.