超标准潮波作用下越浪量及越浪流特性研究

安蒙华，蒋勤

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.河海大学，江苏南京210029）

超标准潮波作用下越浪量及越浪流特性研究

安蒙华1，蒋勤2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.河海大学，江苏南京210029）

为探求台风等引起的超标准风暴潮过境时海堤的破坏机理，通过物理模型试验对超标准水动力条件下带胸墙斜坡堤的越浪量及越浪流特性进行了研究。基于规则波的试验数据，建立了相对堤顶超高、相对墙顶超高以及相对胸墙高度与越浪量之间的经验关系公式。同时提出了在研究堤顶前端水舌厚度与越浪量关系时应采用的无因次参数形式以及在研究越浪流堤顶沿程变化时应采用的相对位置参数。

超标准潮位；超标准波高；斜坡式海堤；胸墙；越浪量；越浪流

0 引言

我国地处太平洋西岸，由于受到形成于西北太平洋的热带风暴的影响，夏季东南沿海经常发生风暴潮灾害。海堤作为海岸防护的工程设施，是抵御风暴灾害的重要屏障。近年来，东南沿海地区发生了多次超过海堤原有设计标准的风暴潮灾害，使得海堤因波浪越顶而破坏，甚至溃决。但要保证海堤不发生越浪是不现实的，在综合考虑安全性及经济性的基础上，很多国家包括我国东南沿海的部分省份都采用了允许部分越浪的海堤设计标准。对于这一类海堤，平均越浪量就成为衡量其安全性的一个重要设计指标。

自20世纪初，国内外学者对海堤越浪量课题开展了深入的研究。譬如，T.Saville[1]、合田良实[2]、Owen[3]、Van Der Meer[4-5]等先后对海堤的越浪量问题进行了大量的试验研究和分析工作。特别是Van Der Meer提出的越浪量计算公式，被列入许多欧洲国家的海堤设计规范。在我国也有大量针对斜坡堤越浪的研究报告及相关的经验公式。虞克等[6]（1992）、贺朝敖等[7]（1995）、周益人[8]（2007）、陈国平[9]（2010）都各自提出了斜坡堤平均越浪量计算公式。随着对海堤越浪问题研究的不断深入，学者们开始关注越浪流水动力特性及其对海堤安全稳定性的影响。Holger Schüttrumpf[10]（2001）及Van-Gent[11]（2002）、代英男[12]（2011）、朱伟娜[13]（2012）相继对越浪流进行了研究，探讨了越浪流及相关参数的计算方法。

尽管目前已经有许多关于越浪量及越浪流的试验成果及相应的经验计算公式，但这些计算公式适用的海况及海堤的结构形式不同，几乎每个经验公式都存在适用性的限制。目前针对风暴过境时产生的超过设计标准的水动力条件对斜坡式海堤影响的研究尚不成熟。因此本文通过物理模型试验方法，针对超标准潮位及波浪条件，对带胸墙斜坡堤的越浪量及越浪流的变化特性进行了研究，基于规则波的试验结果，提出了越浪量值与胸墙相关参数的经验公式，并对堤顶前端的水舌厚度及其在堤顶的沿程变化特性进行了分析。本研究提出的分析方法对把握台风对海堤的破坏机理，评估超标准潮位和波高条件下斜坡式海堤越浪量及越浪流特性都具有一定的参考意义和实用价值。

1 模型试验

本次试验选取了设计标准为30 a一遇的海堤断面。试验采用规则波。选取的潮位和波浪条件分别为30 a，50 a，100 a及200 a一遇，并进行潮位和波浪的不同组合，试验工况均属于超设计标准的水动力条件。

1.1 仪器设备

物理模型试验水槽长80 m、宽1.0 m、高1.5 m。其中一端安装由计算机自动控制的不规则造波机，生成所需要模拟的波浪要素，另一端设置消波系统。试验时将水槽分割为宽0.5 m的两部分，一部分铺设试验断面，另一部分用以消除波浪的二次反射。

平均越浪量的测量采用图1所示的接水装置，其中导水槽宽10 cm。

图1 越浪量测量方法示意图Fig.1Metering method of overtopping rate

越浪流的测定采用电容式浪高仪及DJ800波浪采集系统，采样频率取100 Hz，采样时长取60 s。

在设置波高仪时，首先在光滑平板上挖出与波高仪底部绝缘体相同尺寸的空隙，再将波高仪置入其中，以消除波高仪震动对波高数据测量精度的影响。

1.2 试验方法

本试验采用正态模型，模型几何比尺取1∶15，根据Froude数相似率，各物理量模型比尺如下：

此外，采用规则波造波，每组试验的持续造波时间为120 s，并重复3次。越浪量取3次量测结果的平均值。

1.3 试验断面

试验断面如图2所示，试验中取断面前坡坡度为1∶2.5，后坡坡度为1∶2，堤顶高度为46 cm（原型6.9 m），堤顶宽度为53.3 cm（原型8 m）。采用4种不同的堤前水深，在34.9～41.7 cm之间（原型5.24～6.25 m），直立式胸墙选取3种不同的高度，在3.3～10 cm之间（原型0.5～1.5 m）。

图2 试验断面图Fig.2Dike profile of experiment

模型制作过程中要保证其重量和几何相似，重量误差控制在3%以内，几何误差控制在1%以内。

1.4 试验组次

不同的潮位和规则波组合如表1所示，分别对胸墙高度P为0 cm、3.3 cm、6.7 cm、10 cm（原型0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m）的4种海堤断面进行了64组工况的越浪量试验。

2 试验结果分析

2.1 越浪量

影响斜坡堤越浪量的因素包括水动力要素和海堤结构形式，即：

式中：H为堤前波高；T为波周期；Hc为胸墙顶到静水面的距离；Rc为堤顶到静水面的距离；P为胸墙高度；B为堤顶宽度；d为堤前水深；m为前坡坡度；mb为堤前底坡；k△为糙渗系数。

表1 海堤越浪量试验各工况中潮位波浪条件Table 1Tide and wave conditions for overtopping rate experiment in different conditions

为考察胸墙高度对越浪量的影响，本次试验中取B=8 m，m=2.5，mb=+∞，k△=1，并取H/L=0.49为固定值，保持各试验工况下的波陡基本相同。鉴于Hc=Rc+P，将堤前波高H作为基本变量，可建立如式（2）所示的海堤越浪量Q与相对墙顶超高Hc/H，相对堤顶超高Rc/H及相对胸墙高度P/H之间的定量关系，进而考察这3个无因次变量对海堤越浪量的影响。

式中：Rc/H为堤顶相对高度；Hc/H为墙顶相对高度；P/H为胸墙相对高度。

2.1.1 越浪量与墙顶超高的关系

贺朝敖[7]（1995）基于水力学中流量系数的概念，将相对墙顶超高Hc/H作为基本变量，利用最小二乘法原理对试验数据进行线性回归，建立了海堤越浪量与各影响参数的经验关系式，指出流量系数2πQ/HL与Hc/H具有指数关系。

参照贺朝敖[7]的方法，本研究以相对墙顶超高Hc/H和相对越浪量Q/（gH3）0.5作为基本变量，对试验数据进行整理，得到图3所示的关系曲线。

图3 相对越浪量Q/(gH3)0.5与Hc/H之间的关系Fig.3Relation between dimensionless overtopping rate Q/(gH3)0.5and Hc/H

相对越浪量与相对堤顶超高间具有明显的指数关系。在Hc/H=0.3～2.0之间，越浪量随堤顶超高以指数关系减少，这与贺朝敖[7]（1995）对一般外海潮波条件下越浪量与堤顶超高间的研究结论相吻合。

2.1.2 越浪量与堤顶超高的关系

对于相对堤顶超高Rc/H和相对越浪量Q/（gH3）0.5，试验数据显示两者并没有特定的相关关系，数据较散乱。如图4所示。

通过拟合分析，得到置信度为95%的超标准风暴潮条件下相对越浪量Q/（gH3）0.5与相对墙顶超高Hc/H的经验关系公式如下：

图4 相对越浪量Q/(gH3)0.5与Rc/H之间的关系Fig.4Relation between dimensionless overtopping rate Q/(gH3)0.5与Rc/H

2.1.3 越浪量与胸墙高度的关系

周益人[9]（2008）基于物理模型试验指出胸墙高度P对堤顶越浪量具有重要影响，并提出了考虑胸墙高度的斜坡式海堤越浪量计算公式。参照其方法，本节以相对胸墙高度P/H和相对越浪量Q/（gH3）0.5为基本参数，对胸墙高度P>0工况的试验数据进行整理。通过拟合分析，发现二者间具有指数关系，其经验关系式为：

从图5可见，在P/H=0.2～0.95之间，尽管试验值的分布相对分散，但是相对越浪量值随相对胸墙高度的变化的总体趋势与拟合得到的指数曲线一致，表明当相对胸墙高度增加时，相对越浪量值随之成指数关系减少。

图5 相对越浪量Q/(gH3)0.5与P/H之间的关系Fig.5Relation between dimensionless overtopping rate Q/(gH3)0.5and P/H

2.2 堤顶越浪流

当发生越浪时，无胸墙结构的斜坡式海堤，会形成连续的堤顶越浪流。这一水体会引起堤体的渗透及侵蚀，是造成海堤破坏的主要原因之一。在实际海堤设计中，不仅要评估海堤越浪量大小，还要对堤顶越浪流等因素进行定性及定量分析。本节针对超标准风暴潮作用下，堤顶越浪流水舌厚度与越浪量之间的关系及其沿程变化特性进行研究。

2.2.1 堤顶前端水舌厚度与越浪量的关系

Schüttrumpf及Van Gent以堤顶前端水舌厚度hc（xc=0）作为主要参数，分别给出了堤顶越浪流的流速及水舌厚度的计算公式。再利用堤顶末端流速与水舌厚度的乘积来计算堤顶越浪量。参照Schüttrumpf及Van Gent的方法，本节对堤顶前端水舌厚度与越浪量之间的关系进行了研究。

试验结果表明，相对越浪量Q/（gH3）0.5与以波高为基本参数描述的相对堤顶水舌厚度hc/H之间虽具有一定的线性关系，但是试验数据的分布相对散乱。而相对越浪量与以堤顶超高为基本参数描述的相对堤顶水舌厚度hc/Rc具有良好的指数关系。本次拟合区间为hc/Rc=0.03～0.09，结果如图6所示。

图6 相对水舌厚度hc(xc=0)/Rc与Q/(gH3)0.5的关系图Fig.6Relation between dimensionless overtopping flowthichness hc(xc=0)/Rcand Q/(gH3)0.5

以堤前波高H和堤顶相对超高Rc为基本参数描述的相对水舌厚度，后者较前者与相对越浪量之间的关系更加明显。建议在对堤顶水舌厚度与越浪量关系的研究中采用hc（xc=0）/Rc的形式描述相对水舌厚度。

2.2.2 堤顶水舌厚度沿堤顶位置xc/B的变化趋势

Schüttrumpf指出堤顶相对水舌厚度hc（xc）/ hc（xc=0）只与计算点在堤顶的相对位置xc/B有关。并以超出静水面的波浪虚拟爬高值作为计算堤顶越浪流水舌厚度的边界条件，计算越浪水体在堤顶的水舌厚度。

依据Schüttrumpf的研究思路，本节对hc（xc）/ hc（xc=0）随xc/B的变化规律进行探讨。图7为在30 a、50 a、100 a、200 a一遇的波浪条件下堤顶相对水舌厚度随位置的变化规律。其中不同类型的曲线代表不同重现期的水位条件。图中的虚线为由Schüttrumpf的理论公式得出的计算结果。

选用hc/Rc作为基本变量来描述相对水舌厚度与相对越浪量之间的经验关系公式为：

图7 不同波浪条件下hc/hc(xc=0)随xc/B的变化规律Fig.7Relation between hc/hc(xc=0)and xc/B withdifferent wave conditions

与Schüttrumpf的公式计算值相比，在30 a及50 a一遇的波浪条件下，实测水舌厚度在2号与3号测点存在一定的波动。从4号测点开始接近Schüttrumpf的公式计算值。在100 a一遇的波浪条件下，试验数据大于理论值，但差距较小。从5号测点处开始，贴近理论值。在200 a一遇波浪条件下，试验值大于理论值，在6号测点处才开始贴近理论值。

2.2.3 堤顶水舌厚度随xc/L0的变化趋势

Bosman[14]（2007）在对于堤顶越浪流的研究中引入无因次参数xc/L0（L0为深水波长）。参照其研究方法，以不同重现期水位分类，得到图8所示的堤顶相对水舌厚度与xc/L0之间的关系。其中，不同类型的曲线代表不同重现期的波浪条件。

图8 不同波浪条件下hc/hc(xc=0)随xc/L0的变化规律Fig.8Relation between hc/hc(xc=0)and xc/L0with different wave conditions

由图8可见，相同水位条件下堤顶中前部水舌厚度的规律性较之相同波浪条件下的情况要差。但水体在堤顶中后部达到稳定后所表现出来的规律性要明显优于前者。特别是在30 a及50 a一遇的工况下，堤顶中后部的数据基本在一条直线上。

综上所述，研究堤顶前端水体运动对于水舌厚度的影响，宜以xc/B作为相对位置参数进行考察。而对于研究堤顶中后部水舌厚度的变化趋势，宜选取xc/L0作为相对位置参数。

3 结语

本文采用物理模型试验方法，针对超标准潮位及波浪条件下带胸墙斜坡堤的越浪过程进行了研究。通过试验数据分析了斜坡式海堤相对越浪量与相对堤顶超高、相对墙顶超高以及相对胸墙高度之间的相关关系。同时，基于无胸墙工况下的越浪流试验结果，提出了在研究堤顶前端水舌厚度与越浪量关系时应采用的无因次参数形式以及在研究越浪流堤顶沿程变化时应采用的相对位置参数。

[1]SAVILLE T J R.Laboratory date on wave run-up and overtopping on shore structures[R].Washington D C:Beach Erosion Board,US. Army Corps of Engineers,1955.

[2]合田良实.港口建筑物的防浪设计[M].刘大中，孙巨才，译.北京：海洋出版社，1984.

GODA.Wave protection design of harbor structures[M].LIU Da-zhong,SUN Ju-cai,translate.Beijing:China Ocean Press, 1984.

[3]OWEN M W.Design of seawalls allowing for overtopping[R]. Wallingford:Hydraulics Research Station,1980.

[4]DE WAAL J P,VAN DEER MEER J W.Wave run-up and overtopping on coastal structures[C]//Proceedings of the twenty-third international conference on coastal engineer.Venice,Italy,1992.

[5]VAN DEER MEER J W.Wave run-up and wave overtopping at dikes[R].Delft,Netherland:Technical Advisory Committee on Flood Defence,2002.

[6]虞克，余广明.斜坡堤越浪实验研究[J].水利水运科学研究. 1992（3）：211-219.

YU Ke,YU Guang-ming.Experimental study of overtopping volume on sloping breakwater[J].Hydro-Science and Engineering, 1992(3):211-219.

[7]贺朝敖，任佐皋.带胸墙斜坡堤越浪量的试验研究[J].海洋工程，1995，5（2）：62-70.

HE Zhao-ao,REN Zuo-gao.Experimental study on wave overtopping of rubble mound breakwater with vertical wall[J].The Ocean Engineering,1995,5(2):62-70.

[8]周益人.波浪作用下堤坝防护问题试验研究[D].南京：河海大学，2008.

ZHOU Yi-ren.Research on dike protection issues under wave effect[D].Nanjing:Hohai University,2008.

[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 Guo-ping,ZHOU Yi-ren,YAN Shi-chang.Test study on wave overtopping under irregular wave action[J].Port&Waterway Engineering,2010(3):1-6.

[10]SCHÜTTRUMPF H.Wave overtopping flow on sea dikes-experimental and theoretical investigation[D].Braunschweig:Technical University of Braunschweig,2001.

[11]VAN GENT M R A.Low-exceedance wave overtopping events: measurements of velocities and the thickness of water-layers on the crest and inner slope of dikes[R].Delft:Report DC030202/H3803, 2002.

[12]代英男.斜坡堤越浪流厚度及堤后次生波的试验研究[D].大连：大连理工大学，2011.

DAI Ying-nan.Experimental research on layer thickness of wave overtopping flow and secondary wave conditions over sloping breakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology,2011.

[13]朱伟娜.规则波作用下海堤越浪流特征的实验研究[D].上海：上海交通大学，2012.

ZHU Wei-na.An experimental study on characteristics of overtopping flow against seadikes in regular wave[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2012.

[14]BOSMAN G.Velocity and flow depth variations during wave overtopping[D].Delft:Civil Engineering&Geosciences,2007.

Characteristics of overtopping rate and overtopping flow under the effect of superstandard tide and wave

AN Meng-hua1,JIANG Qin2
（1.CCCC Third Harbor Consultant Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

In order to study the destructive mechanism of superstandard storm surge caused by typhoon,we studied the overtopping rate and overtopping flow of the sloped seadike with parapet under superstandard tide and wave through physical experiments.The empirical formulas between the relative crest ultra-height,relative wall-top ultra-height,relative parapet height and the overtopping rate were established based on experimental data of regular waves.In addition,the appropriate dimensionless parameter was proposed for the research on the relation between overtopping flow thickness and overtopping rate. The proper relative position parameter was also defined to study the overtopping flow thickness on the dike crest.

superstandard tide;superstandard wave height;sloped seadike;parapet;overtopping rate;overtopping flow

U656.2；P731.22

A

2095-7874（2017）06-0011-06

10.7640/zggwjs201706003

2016-10-27

2016-12-26

安蒙华（1989—），男，浙江舟山人，硕士，助理工程师，主要从事港口及航道设计工作。E-mail：anmh@theidi.com