规则波对台阶式海堤冲击的试验研究

骆文广，杨国录，张小飞, 周成

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072; 2. 武汉大学 污淤泥研究中心，湖北 武汉 430072;3.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)



规则波对台阶式海堤冲击的试验研究

骆文广1,2，杨国录1,2，张小飞3, 周成1,2

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072; 2. 武汉大学 污淤泥研究中心，湖北 武汉 430072;3.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

摘要：为了研究台阶式海堤在规则波浪冲击作用下堤身的动压力分布特性，在广西大学水利实验室二维玻璃水槽中建立了不同结构参数的台阶式海堤物理模型，通过分别对比海堤的水平台阶面和直立台阶面上的规则波浪冲击后的动压力，得出了波浪冲击海堤后的动压力与台阶式海堤坡度和台阶高度的相关规律。研究表明：在一定的海堤坡度范围内，同一入射条件下，当海堤台阶高度一定时，海堤坡度越缓，海堤台阶面上的动压力越小；而当海堤坡度一定时，海堤台阶高度越大，海堤台阶面上的动压力越大。

关键词：动压力；波浪冲击；水平台阶面；直立台阶面；二维玻璃水槽；海堤结构

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160308.1257.004.html

在长期的海堤建设实践中，发现台阶式海堤具有较好的消浪效果和良好的自身结构安全性，同时还能满足亲水性海岸休闲空间的规划需求。目前台阶式海堤在国内外已得较好应用，日本有许多海堤已经按台阶式海堤设计。在我国就有浙江仁和的条块石塘、绍兴和海宁的台阶斜坡式海塘[1]，广西合浦县西沙海堤、南域海堤、防城区谭蓬海堤以及牛食水海堤、东兴市榕树头海堤等[2]。

对于台阶式海堤上的波浪冲击研究，可以认为是对海堤的台阶水平面和直立面上的波浪冲击的研究。目前，国内外学者对水平板结构冲击问题开展了大量的研究；任冰[3]和Cuomo[4]等通过物理模型试验研究了不规则波的冲击作用。为研究波浪冲击问题的方法，YU Yan等[5]还开展了水体冲击作用的有限体积法。在国外，Nuffel等[6]则采用垂直方向的波浪对水平准刚性圆柱体进行实验并与理论冲击压力做对比。Huera 等[7]在水平板上施加水荷后对面板进行冲击试验研究。直立墙上波压力的研究具有悠久的历史，Minikin基于Bagnold的气垫层理论于1950年提出,分布在直立堤面上的波压力由作用于水面附近的动水压力和作用于整个堤面的静水压力两部分组成，该方法在欧美各国至今仍在采用。2011年Kisacik等[8]研究了加载条件下由于在垂直结构的剧烈波动影响时，水平悬臂板所受波压力的影响。

参照水平板和直立墙上的波浪压力的研究，张传军[9]通过数值模拟的方法，研究分析了台阶式海堤在规则入射波条件下台阶面上动压力的分布规律。程禹平[10]以规则波水槽试验对卷波台阶式防浪堤进行了试验研究，揭示台阶防浪堤的波浪压力与浮托力的分布特征。总结这些学者的研究成果，发现他们缺乏对台阶式海堤上的波浪冲击作用与海堤台阶结构的相关性方面的研究。本文为了填补这方面的不足，采用了物理实验来研究台阶式海堤结构参数对海堤上波浪压力的影响规律。该项研究成果能有助于台阶式海堤在工程上的设计以及应用。

1试验设计

目前采用数值模型模拟非规则波还很难实现，因此在规则波的模拟中引入了一些假定，使得计算结果具有近似性。为了更加清晰直观地分析台阶式海堤上波浪压力的变化规律，有必要通过物理模型试验深入研究台阶式海堤结构参数对海堤上的波浪压力的影响规律。物理模型试验是在二维波流水槽中进行的，水槽长30.0 m，宽1.5 m，高1.5 m，水深1.0 m。

试验按重力相似准则设计模型，模型几何比尺采用1∶10，根据试验正交性原则，从台阶式海堤的高度与坡度两个方面设计了五种结构方案的台阶式海堤，各种方案的模型参数如表1所示。

台阶式海堤的堤面上沿波浪传播方向布置了H1～H5等5个水平向的压力传感器和S1～S5等5个竖向压力传感器，其中前4组传感器按照水深方向均匀地从下到上布置在台阶面上，第5组是在静水面处，如图1所示，i为海堤坡度，h为台阶高度。波压力采用北京水利科学研究院所生产的DJ800多功能监测系统的脉动压力测量系统测定。

试验入射波浪为规则波：入射波的波高H分别为10、15、20和25cm，周期T分别为1.00 s和1.25 s。按照《波浪模型试验规程》[11]要求，每个试验模型在不同波浪类型重复了3次试验以上。在试验中测试海堤台阶面上测点的波压力，试验中压力传感器采样频率为1 kHz，采样时间为25 s，处理数据时取10～15个周期内的冲击压力峰值取平均值作为冲击压力峰值的代表值。在数据分析时采用小波滤波与信号重构方法对采集的压力数据进行了处理,详细的处理方法及过程见文献[12]。试验是研究台阶式海堤结构对台阶水平面和直立面上波压力分布的影响规律。

图1　海堤上脉动压力测点布置图Fig.1　The layout for the monitoring points of dynamic water pressure

模型方案模型的尺寸参数水上海堤高度/cmih/cm实际的尺寸参数水上海堤高度/mih/mi4h0.03361∶433.61∶40.3i3h0.03361∶333.61∶30.3i2h0.03361∶233.61∶20.3i2h0.02361∶223.61∶20.2i2h0.04361∶243.61∶20.4

2试验结果分析

波浪作用于海堤上，当波浪没有发生破碎的情况下，由于波浪的动压力冲击作用，必然会对海堤堤面产生一定的振动作用。为了研究出波浪对海堤堤面台阶振动程度的影响规律，可以选择海堤堤面上的动压力作为表征台阶振动程度的影响因子[13]。分析研究这个具有代表性的影响因子能达到研究目的，且掌握海堤上波浪的动压力可以为海堤结构参数的设计提供一定的理论依据。

海堤的坡度和海堤台阶的高度是影响海堤台阶面上动压力的两个重要因素[9]。通过海堤模型堤面布置的压力传感器记录了相应测点的冲击压力历时曲线，分析波浪动压力历时曲线可得到波浪动压力最大值[12]。

2.1对海堤水平台阶面上动压力试验研究

根据大量学者的研究可知，在水平板上动压力与入射波高H、水平板的相对宽度B/L及相对净空S/H密切相关[14]，其中B为海堤台阶从堤脚到测点的宽度，L为入射波的波长，S为测点处距离静水面的高度。为了进一步研究台阶式海堤的结构对其水平台阶面上动压力的影响，选择从海堤坡度和台阶高度两个方面着手，研究不同入射波条件下海堤台阶的相对宽度B/L及相对净空S/H对水平台阶面上动压力的影响规律。

2.1.1海堤坡度对水平台阶面动压力的影响

为了研究海堤坡度对海堤水平台阶面上动压力的影响，基于变量控制法的原理进行试验，选取海堤台阶高度为0.03 m，海堤坡度分别是1∶2、1∶3、1∶4三种方案进行试验。

波浪与台阶式海堤作用时，因为波浪的撞击、爬升、破碎、漩滚都会对台阶面冲击。在入射波波高一定时，波浪对海堤冲击的动压力越大，那么海堤的微振动越明显。将海堤台阶面上的动压力无量纲化为相对动压力p=Pc/γH(Pc为测点处的最大动压，γ为水的容重)，可更客观地分析不同入射波波高条件下海堤台阶面上的动压力。

由于试验时水槽中水深一定，当台阶高度一定时，海堤的台阶宽度B即能够反映海堤坡度对波浪的影响。又由于在同一测点处净空高度S是一定的，所以测点处的相对净空S/H能够反映出测点净空高度S和入射波H对波动力的影响规律。当台阶高度一定时，海堤水平台阶面上的各参数如表2所示。

图2是海堤的水平台阶面上相对动压力p随海堤的相对宽度B/L及每个测点的相对净空S/H的变化图。

表2　海堤水平台阶面上的无量纲参数表

图2　水平台阶面上p随B/L和S/H的变化Fig.2　p of horizontal steps with the change of B/L and S/H

当水槽中水深一定，同一入射波作用下，如果海堤的台阶高度相同时，海堤坡度越缓，海堤的相对宽度B/L越大。当测点处的净空S相同时，随着入射波波高的增大，其相对净空S/H减小，则海堤水平台阶面上相对动压力p增大。当入射波的波高一定时，其周期越小，那么单位时间内海堤的水平台阶面上的波数就越多，因此波浪对台阶的作用就越剧烈，海堤水平台阶面上相对动压力p越大。

图2中对比三种不同坡度的海堤在不同工况下各测点处的相对动压力p可知：在同一相对净空S/H下，海堤的相对宽度B/L越小时，其相对动压力p越大。即在同一入射波作用下，海堤台阶高度相同时，海堤的坡度越陡，海堤台阶的宽度就越小，那么在海堤堤身单位距离上的波数越多，波浪与海堤水平台阶面作用就越剧烈。在图2(a)中，在入射规则波的周期为1.00s，测点处的相对净空S/H=8.500时，三种不同坡度的海堤的相对宽度B/L分别为0.039、0.029和0.019，测点上的相对动压力p分别是0.070、0.085和0.114。

2.1.2台阶高度对水平台阶面上动压力的影响

为了研究台阶高度对海堤水平台阶面上动压力的影响，基于变量控制法的原理进行试验，选取海堤坡度为1∶2，台阶高度分别是0.02、0.03和0.04m三种方案进行试验。

由于试验时水槽中水深一定，当海堤的坡度相同，入射波周期一定时，海堤的相对宽度B/L是不变的，但是水下部分的台阶级数会因为台阶高度的不同而不同。当水深一定时，台阶的高度越小，台阶的角点越多，对波能消耗越大，那么台阶面上冲击动能越小，其动压力也就越小。故定义海堤台阶面上动压力的损耗系数为ε，设海堤水下部分台阶面上角点的个数为N，而从坡脚处开始，测点处台阶面上角点的个数为n，那么损耗系数ε=1-n/N。因此在海堤的相对宽度B/L一定时，为了研究台阶高度对水平台阶面上动压力的影响规律，可以分析海堤台阶面上动压力的损耗系数ε及每个测点的相对净空S/H对台阶面上相对动压力p的影响规律。当海堤坡度相同时，海堤水平台阶面上的参数如表3所示。

图3是海堤的水平台阶面上相对动压力p随海堤台阶面上动压力的损耗系数ε以及每个测点的相对净空S/H的变化图。

表3　海堤水平台阶面上的无量纲参数表

图3　水平台阶面上的p随ε和S/H的变化Fig.3　p of horizontal steps with the change ofεand S/H

当水槽中水深一定，测点处的净空S相同时，随着入射波波高的增大，其相对净空S/H减小，则海堤水平台阶面上相对动压力p会因为入射波的波能增大而增大。当入射波的波高一定时，其周期越小，那么单位时间内海堤的水平台阶面上的波数就越多，因此波浪对台阶的作用就越剧烈，海堤水平台阶面上相对动压力p越大。

图3中对比三种不同台阶高度的海堤在不同工况下各测点处的相对动压力p可知：在同一相对净空S/H下，海堤台阶面上动压力的损耗系数ε越大时，其相对动压力p越小。即在同一入射波作用下，海堤坡度相同时，海堤的台阶高度越小，那么海堤水下部分的台阶角点就越多，所以波浪在海堤台阶面上流下过程中消耗的能量越多，那么行进在海堤水平台阶面上波浪的动能就越小，因此其相对动压力越小。图3(b)中，在入射规则波的周期为1.25 s，测点处的相对净空S/H=4.333时，三种不同台阶高度的海堤的台阶面上动压力的损耗系数ε分别为0.744、0.746和0.753，测点上的相对动压力p分别是0.139、0.120和0.099。

2.2对海堤的直立台阶面上动压力试验研究

为了进一步研究台阶式海堤的结构对其竖直台阶面上动压力的影响，选择从海堤坡度和台阶高度两个方面着手，对不同相对水深S/d处测点的相对宽度B/L及相对波高H/S对海堤竖直台阶面上动压力的影响规律进行研究。

2.2.1海堤坡度对直立台阶面动压力的影响

为了客观地分析台阶式海堤的坡度对海堤竖直台阶面上相对动压力的影响规律，可以选择分析海堤的相对宽度B/L和相对入射波高H/S对海堤竖直台阶面相对动压力p的影响规律。当海堤的台阶高度一定时，海堤直立台阶面上的无量纲参数如表4所示。图4是直立台阶面相对动压力p随台阶相对宽度B/L以及相对入射波高H/S变化图。

表4　海堤直立台阶面上的无量纲参数表

图4　直立台阶面上的p随B/L和H/S的变化Fig.4　p of vertical steps with the change of B/L and H/S

不同测点位置处的p与B/L和/HS的变化曲线如图4所示。由图4可知：由于海堤直立台阶面上相对动压力不是由单参数控制的，是由多参数控制的。当B/L和H/S相同时，直立台阶面上相对动压力p随测点的相对水深S/d减小而增大。当S/d相同时，海堤的相对宽度B/L一定时，海堤直立台阶面上相对动压力p会随着相对入射波高H/S增大而增大。

在同一相对水深S/d处，相对入射波高H/S一定时，海堤直立台阶面上相对动压力p会随着海堤的相对宽度B/L减小而增大。即在同一入射波作用下，水深相同处，由于海堤的坡度越陡，海堤的台阶宽度越小，其相对宽度也就越小，那么平台消耗入射波浪的波能也就越少。海堤竖直台阶面上受到的波浪冲击动能越大，其竖直台阶面上的波动力就越大。在图4(c)中，在入射规则波的周期为1.00 s，入射波相对波高H/S=0.455，测点的相对水深S/d=0.44处，三种不同坡度的海堤的相对宽度B/L分别为1.104、0.828和0.552，海堤直立台阶面上相对动压力p分别是0.089、0.110和0.139。

2.2.2台阶高度对直立台阶面上动压力的影响

当海堤的坡度相同时，在相对水深S/d和入射波周期一定的条件下，海堤的相对宽度B/L不变。这时可以分析同一相对水深处海堤台阶面上动压力的损耗系数ε及相对入射波高H/S对台阶面上相对动压力p的影响规律。当海堤的坡度相同时，海堤直立台阶面上无量纲参数如表5所示。

图5是不同相对水深处海堤的竖直台阶面上相对动压力p随海堤台阶面上动压力的损耗系数ε以及相对入射波高H/S的变化而变化的曲线图。

表5　海堤直立台阶面上的无量纲参数表

图5　直立台阶面上的p随ε和H/S的变化Fig.5　p of vertical steps with the change ofεand H/S

不同测点位置处的p随ε和H/S的变化曲线如图5所示。由图5可知：当ε和H/S相同时，直立台阶面上相对动压力p随测点的相对水深S/d减小而增大的。当S/d相同时，在海堤台阶面上动压力的损耗系数ε一定，海堤直立台阶面上相对动压力p会随着相对入射波高H/S增大而增大。

在同一相对水深S/d处，相对入射波高H/S一定时，海堤直立台阶面上相对动压力p会随着海堤台阶面上动压力的损耗系数ε减小而增大。即在同一入射波作用下，水深相同处，由于海堤的台阶高度越大，海堤水下部分的台阶角点越少，其动压力的损耗系数也就越大，那么波浪在海堤台阶上行进过程中的局部水头损失就越小，其消耗的波能就越少。因此海堤竖直台阶面上受到的波浪冲击动能越大，其竖直台阶面上的波动力就越大。在图5(d)中，在入射规则波的周期为1.25 s，入射波相对波高H/S=1.042，测点的相对水深S/d=0.24处，三种不同台阶高度的海堤台阶面上动压力的损耗系数ε分别为0.256、0.263和0.271，海堤直立台阶面上相对动压力p分别是0.524、0.483和0.446。

3结论

1)对于台阶式海堤的水平台阶面上的动压力，当海堤的高度一定时，随着海堤的坡度变陡，海堤的台阶宽度减小，当在同一入射波作用下，海堤堤身上的波数增多，波浪与海堤水平台阶面作用就更加剧烈，因此海堤水平台阶面上的动压力会随着海堤坡度的变缓而减小；当海堤的坡度一定时，随着海堤的台阶高度增大，海堤水下部分台阶的角点减少，当在同一入射波作用下，波浪在海堤台阶面溯上流下过程中消耗的能量减少，那么行进在海堤水平台阶面上波浪的动能就增大，因此其相对动压力减小。

2)对于台阶式海堤的直立台阶面上的动压力，当海堤的台阶高度一定时，随着海堤的坡度变陡，海堤的宽度减小，当在同一入射波作用下，海堤平台消耗入射波浪的波能也就越少。海堤竖直台阶面上受到的波浪冲击动能越大，海堤直立台阶面上的动压力会随着海堤坡度的变陡而增大；当海堤的坡度一定时，随着海堤的台阶高度增大，海堤水下部分的台阶的角点减少，当在同一入射波作用下，波浪在海堤台阶上行进过程中的局部水头损失就减小，其消耗的波能就减小。因此海堤竖直台阶面上受到的波浪冲击动能增大，其竖直台阶面上的波动力就增大。

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收稿日期：2014-12-29.

基金项目：国家科技重大专项课题(2014ZX07104005).

作者简介：骆文广(1988-)，男，博士研究生. 杨国录(1955-)，男，教授，博士生导师. 通信作者：杨国录, E-mail: Ygl516@sina.com.

doi:10.11990/jheu.201412027

中图分类号：TB53

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)04-0520-07

Experimental study of regular wave impact on stepped seawall structures

LUO Wenguang1,2, YANG Guolu1,2,ZHANG Xiaofei3, ZHOU Cheng1,2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China; 2. Sewage Sludge & Silt Research Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 3. College of Civil and Architecture Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：In this study, we performed experiments in a two-dimensional glass wave flume in the water resources laboratory at Guangxi University to investigate the dynamic pressure distribution characteristics of seawalls under regular wave impact. We then established a physical model of a stepped seawall structure with different structure parameters. By comparing the distribution of the dynamic pressure characteristics resulting from the wave impacts on the horizontal and vertical steps of a seawall, we analyzed the correlation between the dynamic pressure, the seawall slope, and height of the seawall step after the seawall had been impacted by sea waves. The study results show that, within a certain range of seawall slope, and under the same incidence conditions, if the height of seawall step is fixed, the lower the rate of change of seawall slope, the larger the dynamic pressure on the surface of the seawall.

Keywords：dynamic pressure; wave impact; horizontal steps; vertical steps; two-dimensional glass flume; seawall structure

网络出版日期：2016-03-08.