科伦坡港口城潜堤长度优化的试验研究

杨婷，蔡东胜，张智凯

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510230）

科伦坡港口城潜堤长度优化的试验研究

杨婷1，蔡东胜2，张智凯1

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510230）

为了优化科伦坡港口城潜堤的长度，通过物理模型试验，对3种不同长度的潜堤，在不同设计水位条件，不同重现期波浪作用下的波高分布及越浪量作观测比较，并对结果进行分析研究。试验结果表明，有潜堤条件下的波高值及越浪值较无潜堤条件下小；潜堤越长，受潜堤掩护的区域的波高值及越浪量越小，但是当潜堤达到一定的长度后，潜堤最前端位于水深变化较缓的区域后，波高折减系数变化不大。

科伦坡港口城；潜堤；物理模型试验；长度优化；波高分布；越浪量

波浪是造成海滩侵蚀的主要动力因素之一，在开敞式海岸地区尤为明显[1]。当波浪从外海传到近岸时，会对海滩和近岸建筑物造成一定的冲击。在部分海岸防浪工程设计中，在海堤前设置离岸式潜堤以有效地减小波浪对海堤的冲击。理论上，潜堤堤顶高程合理，长度足够，波浪对海堤的冲击是可以避免的。但由于工程投资有限以及设计水位与波高的不确定性，完全避免不切实际。

目前，关于潜堤的波浪研究成果主要基于潜堤与海堤之间的相对距离，潜堤的断面形式、潜堤的堤顶高程及宽度等。陈兆林[2]等通过物理模型试验，对斜坡堤、大圆筒以及板桩直立堤的3种潜堤断面，在3种不同水位、波高作用下的消波效果进行了观测对比，并对其结果进行分析研究。常江[3]等针对斜坡堤的堤顶宽度，对不规则波作用下越浪量的影响进行了系统研究，给出了堤顶宽度对越浪量衰减系数的影响关系式。陈谦[4]等针对不同的潜堤与海堤距离以及不同的堤顶高程进行研究，得出潜堤位置对越浪的影响。许小峰等[5]对带离岸式潜堤的斜波堤越浪进行数值模拟，得出潜堤断面形式、高程、顶宽、潜堤与海堤相对距离对海堤不同程度越浪的影响。

本文以科伦坡港口城基础设施发展项目[6]为例，通过物理模型试验，对潜堤的长度与受其影响的近岸水域波高分布进行研究，为工程设计提供相关的参考依据。

1 工程概况

科伦坡港口城项目位于斯里兰卡科伦坡市，科伦坡港南防波堤南侧。工程建设游艇外护岸和防波堤，防波堤后建有人工沙滩、游艇水域等。外防波堤总长度约3 445 m，南侧设有口门，宽度约277 m，南口门两侧分别为外防波堤堤头和南游艇码头区外护岸，口门处设有拦沙堤，顶高程为-5.0 m。南口门外建有潜堤，顶高程为-1.0 m（见图1）。

图1 港口城平面布置图Fig.1 Layout of the Colombo Port City

2 物模试验

试验在长70 m，宽52 m，深1.2 m的波浪水池中进行，水池的一端配有消浪设施，另一端配有多向不规则造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。港池两端设有消浪设施以及消除及减少反射波。港池侧边设导波板，在防波堤等建筑物反射区域内设消浪坡，以保证入射波不受干扰[7]。

试验采用正态模型，根据场地条件、工程的平面尺寸以及研究内容，本次试验选取的模型比尺取1∶49。在游艇护岸与潜堤间的水域布置21个测点，测量工程区近岸水域波浪要素。本文仅对图2中的A1～A11共11个测点进行研究。在游艇外护岸挡浪墙和原有Galle路沿岸护岸（顶高程4.5 m）后布置17个测点，量测堤顶越浪量。潜堤分别为无港口城项目，230 m，350 m及430 m。波浪方向为225°（SW向），波浪重现期为200 a、100 a和1 a。

测点位置A1～A11的布置见图2，其中A1～ A3布置在距离潜堤最近处，A4～A7布置在护岸与潜堤之间，A8～A11布置在距离护岸最近处。

3 试验结果与分析

3.1 潜堤后波高

试验结果见表1。

图2 测点位置布置图Fig.2 Layout of measuring points

表1 潜堤后波高测量值Table 1 Measurement of the wave height behind the submerged breakwater

从表1中看出，项目未建设时，100 a一遇波浪的工况条件下，A3～A7测点的波高值均大于入射波高，尤其在A5及A7测点达到波浪最高值（K2=1.13）。从图2中地形可知，该区域沙滩坡度较陡，在100 a一遇波浪的作用下，波浪破碎，易形成较高的破碎波高。当项目建设后，位于潜堤与游艇外护岸中间的4个测点（A4～A7）的波高值均较项目未建设时波高值大；同时，从表1中可知，各工况条件下，本工程最大波高值的区域均位于潜堤与护岸的中点处。这是由于该处环境较为复杂，波浪受潜堤、游艇外护岸及原Galle护岸的相互作用，波高值较工程实施前有一定的增加。因此，为充分利用潜堤的消能作用，要使入射波尽量在潜堤附近破碎，以便最大波高值区域可远离护岸，从而达到显著减少护岸附近波高的目的。当港口城项目建设后，护岸前的波高值随着A8，A9，A10，A11递减分布，其中测点A11处波高值最小，说明该处波高值随着水深减小而减小。

对比同一潜堤长度条件下的波浪要素可以看出，重现期越大，则潜堤对波浪的削减能力越弱。这是由于波高值越大，则波浪越易破碎，形成较高的波高值，而潜堤的作用则相对减弱。当波浪重现期为1 a一遇时，潜堤长度越长，潜堤对波浪的削弱能力越强，其中K1（潜堤长430 m时较潜堤长230 m，下同）平均减少23%，K2平均减少18%，K3平均减少7%。当波浪重现期为100 a一遇时，潜堤长430 m时，除A1～A3外，其他测点的波高值与潜堤350 m时的波高值相差不大；但是较230 m时的波高值有一定的减少，其中K1平均减少36%，K2平均减少3%，K3平均减少2%。当波浪重现期为200 a一遇时，与波浪重现期为100 a一遇时情况基本一致。从试验看出，潜堤对入射波浪有一定的削弱作用，尤其是堤后水域（A1～A3），波浪折减最多；潜堤越长，波高值越小，但是当潜堤增加到一定的长度（430 m），潜堤最前端位于水深变化较缓的区域，潜堤长度对于波浪的削弱作用相对而言不显著。

3.2 潜堤后越浪量

本次试验各岸段越浪量测量结果见表2所示。由于Y1～Y13段皆未测到越浪量，在此处不再单独列出。

表2 越浪测量值Table 2 Measurements of overtopping

从表2可知，Y14，Y15，Y17测点，受工程掩护，无潜堤下的越浪量大于有潜堤下的越浪量，说明潜堤确实具有消波消能的作用。在相同水深及波浪条件下，随着潜堤长度的减小，其对护岸的掩护作用逐渐减弱。而由于潜堤处局部岸段（Y16）受工程影响，越浪较工程未建时有所增大。

4 结语

通过对3种不同长度的斜坡式潜堤的波浪试验测量结果并进行比较与分析，可得出如下4点结论与建议。

1）在相同水深及波浪条件下，有潜堤条件下的波高值（A4～A7）、越浪量（Y15及Y17）较无潜堤条件下的波高值及越浪小。潜堤对距离其最近的区域的作用最大，越靠近潜堤，其波浪折减系数越大。

2）潜堤越长，受潜堤掩护的区域的波高值及越浪越小；但是当潜堤达到一定的长度后，潜堤最前端位于水深变化较缓的区域后，波高折减系数变化不大。

3）原则上，潜堤长度越长，波浪对护岸的冲击作用越弱，但实际工程应用中需考虑工程造价及施工难度的问题，以便得到最利于施工的方案。

[1]龚崇准，陈美发，朱宪伟，等.桩式离岸堤保滩促淤工程消浪效果试验研究[J].海洋工程，2001，19（4）：72-77. GONG Chong-zhun,CHEN Mei-fa,ZHU Xian-wei,et al.An experimental study on effects of offshore pile dikes for beach protection[J].Ocean Engineering,2001,19(4):72-77.

[2]陈兆林.不同结构离岸式潜堤消浪效果试验研究[J].海岸工程，2005，24（2）：1-6. CHEN Zhao-lin.Experimental study of wave dissipating effect of offshore submerged dikes with different structures[J].Coastal Engineering,2005,24(2):1-6.

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[4]陈谦，吴卫，卢永金，等.离岸式潜堤对海堤越浪量影响的实验研究[J].力学季刊，2006，27（2）：262-266. CHEN Qian,WU Wei,LU Yong-jin,et al.Experimental study of effects of offshore submerged dike on overtopping against seawalls [J].Chinese Quarterly of Mechanics.2006,27(2):262-266.

[5]许小峰.带离岸式潜堤的斜波堤越浪数值模拟研究[D].青岛：中国海洋大学，2011. XU Xiao-feng.The numerical simulation of overtopping of the inclined breakwater with offshore submerged-dike[D].Qingdao：Ocean University of China,2011.

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[7]周益人，沈雨生.斯里兰卡科伦坡港口城项目南口门局部整体波浪泥沙物理模型试验研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2015. ZHOU Yi-ren,SHEN Yu-sheng.3-D physical model test south part of Colombo Port City Development Project[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2015.

Experimental study on length optimization of submerged breakwater in Colombo Port City

YANG Ting1,CAI Dong-sheng2,ZHANG Zhi-kai1
（1.CCCC FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.Engineering Design Institute Co.,Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

To optimize the length of submerged breakwater in Colombo Port City,by using physical model tests.We compared the wave heights and the wave overtopping while under 3 different length of submerged breakwater,within different water levels and different return period,and the analyzed the results.The test results show that the wave height and overtopping which under the condition of submerged breakwater are both smaller than that with no submerged breakwater.The longer the submerged breakwater,the wave height and wave overtopping of the submerged breakwater cover area are smaller.When the submerged breakwater reaches a length,and the forefront submerged breakwater is located in the area of water depth changes slow,the height reduction coefficient changes little.

Colombo Port City;submerged breakwater;physical model test;length optimization;wave height distribution; wave overtopping

U656.2

A

2095-7874（2017）01-0029-04

10.7640/zggwjs201701006

2016-06-03

2016-09-06

杨婷（1987— ），女，浙江杭州市人，硕士研究生，工程师，主要从事港口与航道工程工作。E-mail：baiyeyangting@126.com