圆弧形护面斜坡堤消浪特性分析

虞鑫，黄珊

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

圆弧形护面斜坡堤消浪特性分析

虞鑫，黄珊

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

基于物理模型试验提出了一种新型的防波堤结构形式，从相对超高、波陡、相对波高和开孔率这4个影响因素对该新型防波堤的消浪性能进行了分析。结果表明，在试验范围内，新型防波堤对于深水及大波陡的情况具有更好的消浪效果；当试验工况开孔率达到16.75%时，防波堤的消浪效果较其他几种开孔情况要好。

斜坡堤；物理模型试验；反射系数；透射系数

0 引言

斜坡式防波堤是海港工程中常用的防波堤结构形式，传统的斜坡式防波堤主要适用于水深相对较浅，波浪及设计波高相对较小的情况[1]。尽管斜坡式防波堤在港口建设中得到了广泛应用，但其研究成果仍主要是经验性的，而且传统斜坡式防波堤的失稳破坏的现象屡见不鲜。

斜坡式防波堤的稳定性主要取决于波浪作用下护面块体的稳定性。护面块体是抵御波浪，保护斜坡堤堤心石不被冲刷滚落的主要构件[2]。自20世纪50年代初以来，世界上已研制出百余种护面块体，但被广泛应用的仅是扭王字块体、扭工字块体、四角锥体、四脚空心方块等几种[3]。随着港口大型化、深水化的发展，传统的防波堤已经无法满足现代港口工程的需求，各种新型结构的防波堤如雨后春笋般开始大量涌现[4]。

本文研究的圆弧形护面防波堤，借鉴了半圆形防波堤的结构优势，寻求一种消浪效果良好的环境友好型防波堤结构形式。为此，基于波浪水槽的物理模型试验，对该护面形式防波堤的消浪特性进行了综合试验分析。

1 物理模型试验设备及仪器

本次物理模型试验所用的波浪水槽位于长沙理工大学云塘校区水利试验中心，水槽两侧为透明玻璃，总长45 m、宽0.8 m、高1.0 m。造波机后侧设有直立式消能网，水槽尾部设有消能坡，以消除波浪反射影响。

波浪水槽造波系统可产生单向规则波、不规则波、孤立波。波浪数据采集采用电容式浪高仪，型号为WG-50，精度0.4%，探测高度10～20 cm，线性度0.2%，反馈时间2 ms。

2 模型试验布置

模型布置于水槽中间位置，试验共安置7个浪高仪，其中1号浪高仪布置在水槽端部10 m左右位置，通过1号浪高仪反馈的波浪数据检测目标波浪要素的准确性。2号、3号、4号浪高仪负责采集防波堤前入射、反射波浪的合成波高，通过后续计算得出入射波高和反射波高；5号浪高仪布置在堤前，用于采集防波堤前波浪的雍高；6号、7号浪高仪布置在模型后端用于测量堤后透射波高。模型试验浪高仪布置见图1，模型横断面见图2。

图1 模型试验布置（单位：m）Fig.1 The sketch map of experiment plan（m）

图2 模型横断面（单位：mm）Fig.2 Cross-sectional of the model（mm）

3 试验参数及方法

按照重力相似原则选取模型比尺为1∶15[5]，在三组不同水深情况下，通过输入不同波浪参数进行规则波造波，以及改变模型护面的开孔率φ，得到不同影响因素对防波堤消浪效果的影响。

试验要素为：

水深D=0.35m、0.40m、0.45m；

周期T=1.0 s、1.2 s、1.4 s、1.6 s、1.8 s；

波高 H=0.10 m、0.12 m、0.14 m、0.16 m、0.18m、0.20m；

开孔率φ=8.37%、12.56%、16.75%、20.09%。

按各试验要素组合后每组工况采集2遍，共采集数据720组。

4 试验分析

4.1 波浪的反射与透射

波浪在传播过程中遇到陡峭的岸线或建筑物时，其全部或部分波能被反射而形成反射波，这种现象称为波浪的反射[6]。反射波具有与入射波相同的波长和周期，但其波高的大小则随反射波能的大小而定。反射波高与入射波高之比称为波浪的反射系数，可表示为：

Kr=Hr/Hi（1）

式中：Kr为反射系数；Hr为反射波高；Hi为入射波高。

波浪在传播过程中遇到障碍物时，除可能在障碍物前发生波浪反射外，还有可能透过障碍物继续传播，这种现象称为波浪透射。透射波高与入射波高的比值称为波浪透射系数，可表示为：

Kt=Ht/Hi（2）

式中：Kt为透射系数，Ht为透射波高，Hi为入射波高。

波浪在防波堤中的反射系数Kr和透射系数Kt是衡量防波堤消浪能力的重要指标。本文通过Goda两点法[7-8]分离出反射波高和入射波高，从而求出反射系数和透射系数。

4.2 反射、透射系数与影响因素分析

4.2.1 相对超高对反射和透射系数的影响

相对超高表示如下：

式中：Hc为超高值；H为试验波高；D为试验水深；D0为堤顶高程。相对超高是影响防波堤波浪爬高和越浪的重要指标，是分析反射系数的重要因素。

图3为3组试验水深下，波浪周期为T= 0.14 s时不同波高情况下的相对波高与反射和透射系数的相互关系。

图3 相对超高对反射、透射系数的影响Fig.3 The influence of relative high on the reflection and transmission coefficient

从图中可以看到：3组水深条件下，相对超高对反射系数和透射系数的影响规律基本相同，反射系数随相对超高值的增大呈V形走势，即存在一个相对超高值使防波堤的反射系数最小。也即为在防波堤堤顶标高确定的情况下，在某设计水深条件下存在一固定的波高值使得防波堤的反射系数最小。

透射系数随相对波高值的增大呈增长趋势但变化幅度不大，透射系数一直保持在一个较小区间。表明相对超高对透射系数的影响不大，即波浪对堤后水域的扰动很小，堤后波面较平稳，防波堤效果较好。

从试验数据分析，当D=0.35 m时，在相对超高值约为0.93的时候反射系数达到最小，此时Kr=0.24；D=0.40 m时，在相对超高值约为0.62的时候反射系数达到最小，此时Kr=0.22；D=0.45 m时，在相对超高值约为0.27的时候反射系数达到最小，此时Kr=0.15。由3种试验水深条件下的试验测值可知，随着水深的增大，反射系数逐渐减小。综上所述，在3组试验水深条件下，此新型防波堤在水深D=0.45 m时的消浪效果较好。

4.2.2 波陡对反射和透射系数的影响

图4给出了3组试验水深条件下，入射波高H=0.16 m时，波陡H/L与防波堤反射、透射系数的相互关系[9]。

图4 波陡对反射、透射系数的影响Fig.4 The influence of wave steepness on the reflection and transmission coefficient

从图4（a）中可以看到，在3组不同试验水深条件下，随着水深的增加反射系数呈递减趋势。这与上述相对超高值与反射系数之间的相互关系所得到的结论一致。当水深D=0.45 m时，此时防波堤整体的反射系数都要远小于其他2种水深条件。而随着波陡的增加，反射系数则表现出先增大，后减小，再缓慢增长的趋势。当波陡处于0.055～0.06时，3种不同水深的反射系数都达到最大。随着波陡的继续增大，反射系数则开始迅速减小，而且水深越小，这种下降的趋势越明显。当波陡处于0.08～0.09时，此时反射系数都达到最小。之后，随着波陡的增大，反射系数开始相应的增大，但是增长幅度都较小。

从图4（b）中可以看到，透射系数总体变化不大，基本保持在3%～7%之间。当水深D=0.35 m时，透射系数最小。而其他2种水深条件下透射系数随波陡增大呈递减趋势。而水深D=0.45 m时的透射系数较0.40 m时小，分析原因可能是由于波浪爬高后大部分波浪被堤顶的胸墙挡住，然后回流至消浪室进行了二次消能的结果。

在D=0.35 m时，透射系数最小，而其反射系数最大。这表明在水深较浅的情况下，波能主要以反射波的形式重新传递回去，致使堤前波况紊乱；虽然防波堤保护了堤后水域，但并未充分发挥其消浪、消能的功能。而当D=0.45 m时，反射系数最小。即随着波陡的增大，其透射系数变化不太明显。这表明，当水深、波陡较大时，该新型防波堤消浪、消能效果较好。

4.2.3 相对波高对反射和透射系数的影响

图5给出了3组试验水深条件下，入射周期T=0.14 s时，相对波高H/D对防波堤反射、透射系数的影响关系。

图5 相对波高对反射、透射系数的影响Fig.5 The influence of relative wave height on the reflection and transmission coefficient

如图5（a）所示，在相同周期条件下，防波堤的反射系数随着水深的增加而减小，而随着相对波高的增大，其反射系数先减小后增大。当相对波高值达到约0.40时，该防波堤在3种水深条件下的反射系数均达到最小值。由此可知，不同水深条件下，此防波堤反射系数最小时，其相应波高不同，而相对波高是一定值。

如图5（b）所示，在相同周期条件下，透射系数受水深的影响不大，基本保持在同一数值范围。而透射系数受相对波高的影响较为明显，随着相对波高的增大，透射系数逐渐减小，其防波堤的透射系数基本维持在3%～9%左右。

4.2.4 开孔率对反射和透射系数的影响

文中防波堤的圆弧形护面采用了开孔形式，波浪通过开孔圆弧形护面进入消浪室，以达到消浪、消能的效果。护面的开孔率是该新型防波堤消浪效果的关键因素。在实验中拟定了4种开孔率（φ=8.37%，12.56%，16.75%，20.09%），通过对比分析这4种护面开孔率，寻求防波堤的消浪效果。

图6给出了相对波高、波陡及水深（引入无因次数D/R，其中：D为试验水深；R为圆弧面半径。本次试验中R为定值）在4种不同开孔率下与反射、透射系数的相互关系。

图6 开孔率对反射、透射系数的影响Fig.6 The influence of opening rate on the reflection and transmission coefficient

从以上图中可以看到：一般情况下，随着开孔率的增大，防波堤的反射系数和透射系数随之减小，当开孔率达到φ=16.75%时，反射系数和透射系数均达到最小值。而随着开孔率的继续增大，防波堤的反射系数和透射系数反而明显的增大。这表明，防波堤护面的开孔率并非越大消浪效果越好，而是存在一个最佳的开孔状况，使得防波堤的整体性能最好。

本次试验的最佳开孔率为16.75%。

5 结语

在物理模型试验的基础上，通过对试验所测量的波面数据进行分析，研究了圆弧形护面斜坡堤的消浪特性，结果表明：

1）存在一特定的相对超高值使防波堤的反射系数最小。

2）3组试验水深范围内，深水情况下的反射系数最小；并存在一固定的相对波高值使得防波堤反射系数最小。

3）此防波堤护面的开孔率并非越大消浪效果越好，而是存在一个最佳的开孔状况，使得防波堤的整体性能最好。在本次的物理模型试验中，开孔率为16.75%时，该新型防波堤的消浪效果最好。

4）在试验范围内，这种新型的防波堤对于大水深、大波陡的波况具有更好的消浪效果。

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Wave attenuation properties of mound breakwater with circular arc surface

YU Xin,HUANG Shan
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Based on the physical model experiment,we put forward a new type of breakwater structure,and analyzed the attenuation properties of this new type breakwater from four aspects of the relative super high,wave steepness,relative wave height and opening rate.The results show that within the scope of the test,this new type breakwater has better wave attenuation effect in deep water and big wave steepness.When opening rate reached 16.75%,wave attenuation effect of this breakwater is better than other opening situations.

mound breakwater;physical model experiment;reflection coefficient;transmission coefficient

U653.4

A

2095-7874（2016）12-0040-05

10.7640/zggwjs201612008

2016-07-07

2016-08-29

虞鑫（1988— ），男，浙江舟山人，硕士，助理工程师，主要从事港口水运工程领域的相关设计工作。E-mail：516925720@qq.com