不同型式斜坡堤弧形胸墙波浪压力的试验研究

李雪艳，王庆，范庆来，王岗

（1.鲁东大学 海岸研究所，山东 烟台 264025；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

不同型式斜坡堤弧形胸墙波浪压力的试验研究

李雪艳1，王庆1，范庆来1，王岗2

（1.鲁东大学 海岸研究所，山东 烟台 264025；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

本研究设计前仰式、深弧式和后仰式3种弧形胸墙以及直立式胸墙进行物理模型试验，通过安装在胸墙迎浪面上的压力传感器测量所受波浪压力，讨论不同型式斜坡堤弧形胸墙迎浪面所受波浪压力的分布规律及其影响因素。试验结果表明：弧形胸墙迎浪面所受波浪压力随着测点高程的增大呈现振荡减小的变化趋势，最大值出现在弧顶处。随着入射波周期的增大呈现先增大后减小再增大的变化趋势。相同波浪要素条件下，斜坡堤弧形胸墙波浪压力大于直立式胸墙波浪压力；而在斜坡堤弧形胸墙中，后仰式胸墙波浪压力较前仰式和深弧式的大。

弧形胸墙；波浪压力；斜坡堤；试验研究

斜坡堤作为防波堤的一种主要结构型式，具有对波浪反射弱、对地基不均匀沉降不敏感、施工较简单等优点，在海岸及近海工程中得到广泛的应用（张金牛等，2014；Jensen et al，2014）。防波堤除了具有防御波浪侵袭（刘必劲等，2015；杨家轩等，2015）、维护港内水域平稳的基本作用外，堤顶用作通道或堤内兼作码头的情况下，通常在堤顶设置胸墙。胸墙的稳定性直接影响着其后方掩护水域以及工程设施的安全，因此研究胸墙所受波浪压力，分析不同结构型式胸墙受力的特点具有重要意义。

国内外学者对胸墙结构开展了大量的研究工作，主要集中于直立式胸墙的作用力和越浪量（张九山等，2006；曾婧扬等，2013；张金牛等，2014；Tuan et al，2010，2013，2014；Nørgaard et al，2013），并提出了带有直立式胸墙斜坡堤波浪力和越浪量的计算方法（李昌良等，2008；周勤俊等，2005；郭立栋等，2014）。而针对其他结构型式胸墙的研究还不多见。虽有学者针对弧形胸墙受力和越浪做过相关研究（Anand et al，2010；李玉龙等；2010；王颖 等，2007；李雪艳 等，2013），但大部分是针对单一直立堤或斜坡堤的弧形胸墙开展。本文将以4种不同结构型式的胸墙为对象，探讨其迎浪面所受波浪压力的分布规律和影响因素，为工程设计提供理论依据。

1 试验设计

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室溢油水槽中进行，水槽尺寸为23 m×0.8 m× 0.8 m，造波周期为0.5～3.0 s。胸墙测点的波浪压强采用天津水运科学研究所生产的SG-2000型多点压力测量系统进行测量，压力传感器的自振频率为500 Hz，采样间隔为0.003 s。斜坡堤胸墙放置在水槽的末端，距消能网约1 m处（图1）。

图1 弧形胸墙断面布置示意图

本文共设计前仰式、深弧式和后仰式3种弧形胸墙结构（图2），进行相关的物理模型试验。作为对比，同时考虑了直立式胸墙。胸墙结构采用有机玻璃制作，圆弧部分的高度为12 cm，圆弧上部距离胸墙顶1 cm。前仰式、深弧式和后仰式胸墙的圆弧半径分别为11 cm，7 cm和8 cm；圆心到胸墙圆弧起点的垂直距离分别为4 cm，6 cm和7 cm（图2）。斜坡堤堤身高40 cm，宽80 cm，采用石子砌筑。选定斜坡坡度为1.75，护面采用重约0.5kg的扭王字块体规则排列，保证波浪作用时斜坡不受损坏；护面块体下方为9～14 g的块石（图3）。压力传感器间隔布置于胸墙迎浪面中心线两侧，其边缘距离中心线0.5 cm，自下而上进行编号（图3），具体坐标值列于表1。

试验的入射波浪为规则波，入射波高H分别为6cm、8cm、10cm和12cm，周期T分别为1.0s、1.2s、1.5 s、1.8 s和2.0 s，试验水深d分别为40 cm和45 cm。每一个胸墙模型不同水深、波高和周期进行组合，共确定40个试验组次，每个组次至少重复试验3次。

图2 胸墙结构示意图

图3 胸墙模型照片

表1 不同胸墙压力测点的坐标值（水槽底部至测点的距离）

2 试验结果

2.1胸墙波浪压力历时曲线

图4给出了水深d=40 cm，周期T=1.2 s，波高H=12 cm时，前仰式、深弧式、后仰式、和直立式4种不同结构型式胸墙迎浪面上4#测点处波浪压力历时曲线。

2.2入射波高对波浪压力的影响

周期一定（T=1.2 s）条件下，4种结构型式胸墙波浪压力均随着入射波高的增大而增大，随着测点高程的增大呈现不同的变化趋势（图5）。不同波高下，水深d=40 cm时，前仰式与深弧式胸墙波浪压力随着测点高程的增大振荡减小。前仰式胸墙波浪压力极值发生在1#或2#测点附近，深弧式胸墙波浪压力极值发生在3#测点附近。后仰式胸墙波浪压力随着测点高程的增大先增大后减小，极值发生在3#测点附近。直立式胸墙波浪压力随着测点高程的增大近似线性减小，极值发生在1#测点附近（图5）。

不同波高下，水深d=45 cm时，前仰式与深弧式胸墙波浪压力均随着测点高程的增大先增大后减小。具体而言，波高H=10cm，12cm作用时，两种胸墙波浪压力的振荡现象较波高H=6 cm，8 cm作用时显著。此外，前仰式胸墙4#测点以上高程波浪压力的振荡现象较其以下显著，而深弧式胸墙与之相反。两者波浪压力极值均发生在4#测点附近。后仰式胸墙波浪压力随测点高程的增大变化不同。具体而言，波高H=6 cm，8 cm作用时，波浪压力随着测点高程的增大先缓慢增大后快速减小。波高H=10 cm，12 cm作用时，波浪压力随着测点高程的增大呈现增大—减小—增大—减小的变化趋势。小波高作用时，极值发生在4#测点附近，而大波高作用时，极值发生在5#测点附近。直立式胸墙波浪压力随着测点高程的增大先近似线性增大后近似线性减小，极值发生在3#测点附近（图5）。

图4 不同结构型式胸墙4#测点波浪压力历时曲线（d=40 cm，T=1.2 s，H=12 cm）

图5 不同结构型式胸墙在不同波高下波浪压力垂向分布实测结果

2.3入射波周期对波浪压力的影响

波高一定（H=8 cm）条件下，4种结构型式胸墙波浪压力随着入射波周期的增大呈现先增大后减小再增大的变化趋势（图6），主要由于波浪与胸墙之间存在冲击作用（图4），不同周期波浪对胸墙的冲击效果不同。不同周期下，水深d=40 cm时，前仰式胸墙波浪压力随着测点高程的增大振荡减小。周期T=1.0 s，1.2 s时波浪压力的振荡现象较周期T=1.5 s，1.8 s，2.0 s时显著。深弧式胸墙波浪压力随着测点高程的增大振荡减小，尤以周期T=1.0 s，1.2 s时的振荡现象最为显著。此外，深弧式胸墙4#测点以下高程波浪压力的振荡现象较其以上高程显著。后仰式胸墙波浪压力在周期T= 1.0 s，1.2 s时振荡减小，周期T=1.5 s，1.8 s，2.0 s时近似线性减小。直立式胸墙波浪压力随着测点高程的增大近似线性减小（图6）。

不同周期下，水深d=45 cm时，前仰式胸墙波浪压力随着测点高程的增大先缓慢增大后快速减小。深弧式胸墙波浪压力随着测点高程的增大先振荡增大后振荡减小，周期T=1.0 s，1.2 s时波浪压力较T=1.5 s，1.8 s，2.0 s时的振荡现象更为显著，且深弧式胸墙4#测点以下高程波浪压力的振荡现象较其以上高程显著。后仰式胸墙波浪压力随着测点高程的增大呈现增大—减小—增大—减小的变化趋势。直立式胸墙波浪压力随着测点高程的增大先近似线性增大后近似线性减小（图6）。

2.4胸墙结构型式对波浪压力的影响

不同波浪要素条件下，不同结构型式胸墙迎浪面所受波浪压力呈现不同的分布特性，且胸墙所受波浪压力大小也存在显著差异。弧形胸墙波浪压力明显大于直立式胸墙波浪压力。在弧形胸墙结构中，前仰式胸墙波浪压力最小，后仰式胸墙波浪压力最大，深弧式胸墙波浪压力居中（图7）。

具体而言，水深d=40 cm时，弧形胸墙波浪压力随着测点高程的增大波动减小，周期T=1.0 s，波高H=6 cm和周期T=1.5 s，波高H=12 cm情境下的波动现象更为显著。直立式胸墙波浪压力随着测点高程的增大近似线性减小（T=1.0 s，H=6 cm除外）。周期T=1.8 s，波高H=10 cm和周期T=2.0 s，波高H=10 cm两种情境下，深弧式胸墙波浪压力较前仰式胸墙波浪压力略大。水深d=45 cm时，胸墙波浪压力随着测点高程的增大先波动增大后减小。在3#测点及以下高程，不同胸墙结构之间波浪压力大小差别不显著，但后仰式胸墙波浪压力仍最大。而3#测点以上高程，不同胸墙结构之间波浪压力大小差别显著（图7）。

图6 不同结构型式胸墙在不同波周期下波浪压力垂向分布实测结果

图7 不同结构型式胸墙波浪压力垂向分布

不同结构型式胸墙波浪压力极值发生的位置随着水深的增大而抬高。具体而言，前仰式胸墙波浪压力极值在水深d=40 cm时，发生在1#或2#测点附近；水深d=45 cm时，发生在4#测点附近。深弧式胸墙波浪压力极值在水深d=40 cm时，发生在3#测点附近；水深d=45 cm时，发生在4#测点附近。后仰式胸墙波浪压力极值在水深d=40 cm时，发生在3#测点附近；水深d=45 cm时，发生在4#或5#测点附近。直立式胸墙波浪压力极值在水深d=40 cm时，发生在1#测点附近；水深d=45 cm时，发生在3#测点附近（图7）。

在本次试验范围内，根据不同波浪要素条件下，不同结构型式胸墙不同测点波浪压力的统计分析可以得出，前仰式胸墙波浪压力是直立式胸墙波浪压力的1.00～1.88倍；深弧式胸墙波浪压力是直立式胸墙波浪压力的1.01～3.51倍；后仰式胸墙波浪压力是直立式胸墙波浪压力的1.05～3.95倍（图7）。

如前所述，不同型式胸墙迎浪面所受波浪压力的分布规律差异显著（图5～图7）。直立式胸墙波浪压力随着测点高程的增大呈近似线性变化趋势，最大波浪压力发生在静水位附近，这与王登婷（2004）结果一致。弧形胸墙波浪压力垂向分布呈现先增大后减小的趋势，最大值发生在弧顶处。弧形胸墙波压力较直立式大原因在于圆弧面有聚能作用。在3种弧形胸墙中，后仰式胸墙的圆弧向后倾斜，能够引导更多的水体爬上胸墙，在水体方向发生改变时对胸墙的反推力也较大，致使后仰式胸墙波浪压力较前仰式和深弧式大。而前仰式胸墙的圆弧较深弧式和后仰式胸墙略向前倾，迎浪面所受波浪压力最小。

3 结论

本次试验范围内，不同结构型式胸墙物理模型试验共得到以下几点结论：

（1）弧形胸墙迎浪面波浪压力的分布规律与直立墙显著不同。总体上来看，弧形胸墙波浪压力随着测点高程的增大先增大后减小，极值发生在弧顶处。直立墙波浪压力随着测点高程的增大近似线性减小，极值发生在静水位附近。

（2）入射波波高和周期对胸墙波浪压力影响均显著。不同结构型式胸墙波浪压力随着入射波高的增大而增大，随着波周期的增大呈现先增大后减小再增大的变化趋势。

（3）胸墙结构型式对其所受波浪压力影响显著。弧形胸墙波浪压力明显大于直立墙波浪压力。在弧形胸墙结构中，前仰式胸墙波浪压力最小，后仰式胸墙波浪压力最大，深弧式胸墙波浪压力居中。

致谢：本论文的研究工作曾得到大连理工大学任冰教授、王永学教授、王国玉副教授和高级工程师李广伟老师等的热心帮助，在此向上述各位教授表示诚挚地感谢!

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（本文编辑：袁泽轶）

Experimental research of wave pressures on different sloping breakwater arc crest walls

LI Xue-yan1,WANG Qing1,FAN Qing-lai1,WANG Gang2
（1.Coast Institute,Ludong University,Yantai 264025,China; 2.College of Harbor,Coastal and OffshoreEngineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

This study designs four crest walls,including forward-incline-arc type,upright-arc type,backward-incline-arc type and vertical type to carry out the physical model experiment and discuss the distribution and influence factors of wave pressures based on the pressure measurements on the seaward side of the crest wall.The experimental results show that the wave pressure on the arc crest wall decreases oscillatorily with the increase of the measuring elevation and the maximum occurs at the circular arc roof.The wave pressure firstly increases and then decreases and finally increases again with the increase of wave period.For the same wave condition,the wave pressure on the arc crest wall is bigger than that on the vertical crest wall.And among the arc crest walls,the wave pressure on the backward-incline-arc crest wall is bigger than that on the forward-incline-arc and upright-arc crest walls.

arc crest wall;wave pressure;sloping breakwater;experimental research

P753

A

1001-6932（2016）06-0702-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.013

2015-07-27；

2015-09-21

国家自然科学基金（51209081）；山东省高等学校科技计划项目（J14LH02）；烟台市科技发展计划项目（2014ZH075）。

李雪艳（1982-），女，博士，讲师，主要从事波浪与海洋结构物相互作用研究。电子邮箱：yanzi03@126.com。

王庆，博士，教授。电子邮箱：lxyldu@126.com。