防波堤挡浪墙波浪力的研究进展

潘兴凯 桂劲松* 陈 丁

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)



·水利工程·

防波堤挡浪墙波浪力的研究进展

潘兴凯 桂劲松* 陈 丁

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

结合相关文献资料，介绍了波浪在挡浪墙前的破碎形态，探讨了防波堤挡浪墙所受到的波浪力，并分析了挡浪墙结构设计对波浪力产生的影响，为类似问题的研究提供了依据。

防波堤，波浪力，挡浪墙，结构设计

0 引言

防波堤是人工掩护的沿海港口工程中重要的水工建筑物。斜坡堤在工程应用中最为广泛，它具有对波浪反射弱，结构稳定性较好，对地基承载力要求较低、施工简单等优点，目前在海洋、河流和城市护岸中得到广泛应用。外海波浪在涌入到斜坡堤的过程中，波浪会沿着坡面向上爬升，此时波浪发生破碎，如果堤顶高程没有足够的高度，破碎波浪就会越过堤顶，涌入港池内侧，对港内停泊的船只及建筑物的安全造成极大威胁。为了保证结构的安全及港内水域的稳定通常在斜坡堤顶部设置挡浪墙。设置挡浪墙，不仅能够提高斜坡堤堤顶的有效高程，而且可以降低大量的施工成本，保证工程结构的稳定，大大提高工程效益。但斜坡堤常因堤顶挡浪墙基底被淘空、挡浪墙移位失稳而造成破坏[1]，随着港口建设的快速发展，工程设计人员越来越重视对作用于斜坡堤挡浪墙上波浪力计算方法的研究。

1 波浪在挡浪墙前的破碎形态

随着外海波浪冲击到斜坡堤护面，护面上人工混凝土块体阻碍了波浪的快速向前运动，会对波浪产生很大的摩擦作用，此时入射波浪流速迅速较小，一部分动能被消耗掉，另一部分直接转化为波浪势能，其波高会增大，水流继续向前运动，其上部越来越陡，并且向前倾斜，当达到某一临界值，波浪随即发生破碎。Kirkgz[2]通过一系列的物理模型试验，发现波浪以规则波入射时，波浪冲击到直立墙体上会发生破碎，此时的波浪为卷破波形态，在略低于静水位处，波浪力会达到极大值。但为了工程应用的方便和保证工程的安全运行，一般将静水位处的波浪力值取作最大值。

Oumeraci[3]指出，当外海波浪以立波的形态冲击到斜坡堤坡面上时，其压强的分布在一个时间序列下呈现双峰值现象，并且对称性良好。波浪受到摩擦阻碍作用，其动能减小，随着波陡的持续增大，对称的双峰值图形逐渐变得不对称，这一过程表明波浪形态正在从立波转变为破碎波。

入射波浪主要有3种破碎形态:崩破型破碎波、卷破型破碎波和激散波型破碎波。2010年，康海贵[4]采用激光粒子测速技术将入射波浪以近破波的形态冲击到直立式墙体上来观察该冲击过程中流场的变化规律，他发现当入射波为崩破型破碎波时，波压力过程线随时间的变化特征呈现出马鞍型形状。当波浪破碎形态过渡到卷破型破碎波时，冲击到墙体表面波压力以三角形分布为主。

2 防波堤挡浪墙受到的波浪力

20世纪80年代，Fenton[5]通过对波浪在未达到破碎时对防波堤挡浪墙表面的冲击作用而产生的波浪力进行了研究，并提出一种波浪力的计算方法。然而在实际工程中，破碎波对挡浪墙的破坏程度要远远大于立波，因此他提出的该种波浪力的计算方法并无太大实际工程意义。由于入射波浪破碎现象十分复杂，对于破波波浪力的计算，目前还未能用明确的理论方法来计算作用于挡浪墙上的破波波浪力，而只能根据实际工程经验的方法求得。其中很多学者便提出了一些假说:首先是射流理论。外海入射波浪涌向到斜坡堤坡面，由于护面块体的阻碍作用，波浪发生破碎，此时水质点会发生不连续现象，一些水体以极大速度冲击到挡浪墙表面，在局部位置会产生极大压强。此时的压强p=kγv2/2g，其中，k为一待定系数。在实际操作中k值取值有限，因此计算得到的波压力往往偏小。其次是在1939年，英国的Bagnold[6]提出了气垫理论，他认为外海入射波浪冲击到斜坡堤挡浪墙表面过程中，会在大气和墙体表面形成一个气泡层，该气泡受到瞬间挤压而对墙面产生较大的冲击压力。根据这个理论，空气袋内气体的密度的不同会对冲击波压力产生很大影响。再其次是水动量交换理论，该理论认为入射波浪以一定动量冲击到挡浪墙表面，由于墙体阻碍了波浪继续向前运动，此时波浪具有的动量转化为其对墙体的冲量，即Δmu=Ft。当入射波浪的动量一定的情况下，其对墙体的作用时间不等，波浪对挡浪墙的作用压强也会有较大变化，因此对波压力的定量研究有一定难度。最后是M.Kamel[7]于1970年提出的水锤理论，该理论将入射波浪冲击到挡浪墙表面视为波浪对斜坡堤挡浪墙的锤击过程，当波浪以较大速度撞击到墙体时，波浪水体会被迅速压缩，能量积聚，此时波浪会在短时间内对墙体表面形成很大的冲击力，该种理论能够很好地解释为什么近破波能够在很短的时间内对斜坡堤挡浪墙产生如此大的脉冲压力。

Minikin[8]在气垫学说的基础上进行了深入研究，提出了一个作用于挡浪墙表面破碎波波浪力的计算公式并且欧美各国至今仍在采用。他认为波压力由两部分组成：动水压强和静水压强。在静水位附近波压力呈现抛物线分布，此处主要集中的是动水压强，并且该处压强值达到最大；在静水位到墙底部范围内，波压力以三角形分布为主，此处主要集中的是静水压强。1973年，日本的合田良实通过收集大量的关于作用于挡浪墙上的波浪力的实验数据，并进行了一系列研究，提出了一种新的计算挡浪墙波浪力的计算方法[9]。他认为，作用于挡浪墙上的波浪压强在静水面以上1.5倍波高范围内呈现三角形分布形式，在静水面以下，压强的分布形式为四边形直线分布。

1999年，Martin等人[10]通过大量实验测出一系列实验数据并对其进行了系统分析，提出了一种计算在远破波波浪作用下斜坡堤顶部挡浪墙所受波浪力的计算方法。他们认为，入射波浪涌入到斜坡堤坡面，在护面块体的阻挡作用下，波浪发生破碎，然后冲击到挡浪墙表面，其形成的波浪压强分为两部分：反射压强Pd和动态压强Pr。这种计算斜坡堤挡浪墙波浪力的新方法有着其独特优势，因为该方法将斜坡堤护面肩台的宽度、掩护块体的种类以及掩护程度等多种因素考虑在内，更能反映实际工程状况，因此该方法也被国际上诸多学者所推崇。

琚烈红[12]在2004年通过物理模型试验展开了入射波浪对挡浪墙迎浪面作用波浪力的探究，研究发现，直立式挡浪墙在入射波浪作用下产生的压强沿挡浪墙迎浪面并不是均匀分布的，挡浪墙迎浪面受到入射波浪的冲击作用，在静水位附近压强达到极大值，在静水位以上波浪压强会沿着挡浪墙高度的增加而迅速减小。

3 挡浪墙结构设计对波浪力产生的影响

2004年，杨洪旗、柳玉良等人[13]采用断面物理模型试验，通过对斜坡堤肩宽进行调整，以此来探究肩宽的变化对斜坡堤挡浪墙所受波浪力的影响规律，他们对实验数据进行了整理与分析并绘制了波压力分布图和挡浪墙波压力P与肩宽B的关系曲线，结果表明：挡浪墙受到的波浪力随着肩宽的增大而减小。并且从关系曲线中还发现，适当加大肩宽就可以大大减小防浪墙的波浪力。因此，斜坡堤肩宽的大小对挡浪墙上的波浪力影响甚大。

2013年，王海峰等人[14]结合工程实例，将入射波浪作用于弧形防浪墙上产生的波浪力与现行规范中波浪作用于直立式挡浪墙上计算得到的波浪力进行了对比分析，结果表明：挡浪墙由于其特殊的弧形结构的存在，使得作用到挡浪墙表面的水平波浪力和浮托力都有较大增加，并且远远超出了规范计算值，但挡浪墙上的弧形结构能够有效的防止越浪的发生，其在防波堤工程中的应用也比较广泛。因此，在设计有弧形挡浪墙的斜坡堤工程中，可以考虑在规范计算基础上增加一定的安全系数，这样更有利于结构的稳定。

4 结语

随着我国经济的飞速发展，迫切需要港口的进一步开发和建设，然而斜坡堤挡浪墙受到的波浪力较为复杂，波浪破碎形态、不同挡浪墙结构设计、肩台宽度以及不同的掩护程度对挡浪墙所受到的实际波浪力都存在很大影响，《海港水文规范中》关于斜坡堤挡浪墙所受波浪力的计算方法在实际工程运用中有待进一步研究。当实际工程中防波堤挡浪墙的结构形式及掩护方式与规范存在较大差异时，有必要通过物理模型试验加以验证，以确保工程的安全运行。

[1] 王美茹.深水防波堤设计方法初探[J].港工技术，2010(3):1-7.

[2] KIRKGZ M S.Influence of Water Depth On the Breaking Wave Impact On Vertical and Sloping Walls[J].Coastal Engineering,1992,18(3-4):297-314.

[3] OUMERACI H,KLAMMER P,PARTENSCKY H W.Classification of Breaking Wave Impact Loads On Vertical Structures[J].Journal of Waterway,Port,Coastal and Ocean Engineering,1993,119(4):381-397.

[4] 康海贵，孙英伟.近破波对直立建筑物的作用力及冲击流场研究[J].水运工程，2010，439(3):21-26.

[5] FENTON J D.Wave Forces On Vertical Walls[J].Journal of Waterway,Port,Coastal and Ocean Engineering,1985(4):693-717.

[6] BAGNOLD R A.Interim Report On Wave-Pressure Research[J].Jour.Institution of Civil Engineers,1938(12):202-226.

[7] KAMEL A M.Shock Pressure On Coastal Structures[J].Journal of the Waterways,Harbors and Coastal Engineering Division,1970,96(3):689-699.

[8] MINIKIN R.Winds,Waves,and Maritime Structures[M].London:Griffin,1950.

[9] 合田良实.港工建筑物的防浪设计[M].北京:海洋出版社，1984.

[10] MARTIN F L,LOSADA M A,MEDINA R.Wave Loads On Rubble Mound Breakwater Crown Walls[J].Coastal Engineering,1999,37(2):149-174.

[11] JTJ 142—2—2013，海港水文规范[S].

[12] 琚烈红.典型挡浪墙的波浪力和越浪量物理模型试验与分析[D].南京:南京水利科学研究院，2004.

[13] 杨洪旗，柳玉良，陈兆林.斜坡堤挡浪墙波压力的试验与分析[J].海岸工程，2004(4):1-6.

[14] 王海峰，柳玉良，夏运强.有护面块体掩护的斜坡堤弧形挡浪墙波压力研究[J].水运工程，2013，6(6):16-19.

Research progress of wave force on parapet of breakwater

Pan Xingkai Gui Jinsong* Chen Ding

(CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

Combining with the relevant literatures, this paper introduced the broken form of wave in front of wave retaining wall, discussed the wave force of breakwater wave retaining wall, and analyzed the influence of wave retaining wall structure design to wave force, provided basis for similar problems research.

breakwater, wave force, wave retaining wall, structural design

1009-6825(2017)14-0225-02

2017-03-08

潘兴凯(1992- )，男，在读硕士; 陈 丁(1992- )，男，在读硕士

桂劲松(1968- )，男，博士，教授

TV139.2

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