组合式抛石防波堤港外波高分布试验研究

陈汨梨，严士常，杨越，张海明，陶爱峰*，潘志刚

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210024；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210024；3.中国港湾西部非洲区域公司，科特迪瓦 阿比让 06BP6687）

多孔结构物在耗散波浪能量方面效果明显，抛石防波堤透空孔隙对水波传播产生重要影响，从而引起研究者和工程设计人员的重视。更重要的是，当波浪与防波堤相互作用时，波浪在传播过程中会发生反射、绕射、透射、折射等复杂的变形现象。波浪直接影响港域水动力环境，决定着港口建筑物的安全。在防波堤影响范围内，波浪变形的主导因素会因位置不同而发生变化。因此，在港口工程规划设计中，必须充分考虑波高的分布规律。

近年来，国内外诸多学者对防波堤物理模型开展模拟试验。Andersen 等[1]通过三维物理模型试验研究了波浪传播方向对抛石防波堤越浪的影响。Metallinos 等[2]通过在港池中的物模试验，扩展了boussinesq 模型，以预测透水性抛石防波堤内部水动力问题。Mares 等[3]在港池试验中测量抛石防波堤在斜向波浪冲击下的波浪荷载。李江峰等[4]通过物模试验，研究了某岛礁附近特殊海域波浪特性。杨婷等[5]开展港池试验，探讨了科伦坡港口城潜堤的优化长度。高峰等[6]采用不同波向及重现期波浪作用，对印尼KARANG TARAJE 港防波堤进行了三维稳定性与越浪量测试。陈春升等[7]通过波浪整体物理模型试验，科学地论证港口整体布置合理性，修改方案满足码头泊稳条件。这些港池试验都是为探究单一抛石防波堤在某些因素影响下的波浪变形情况，且研究多关注于堤身、堤前或堤后。目前，鲜有涉及组合式抛石防波堤周围水动力环境的研究，但其对海港防波堤工程设计具有重要意义。张海明等[8]对某组合式抛石防波堤进行物模试验，分析抛石防波堤港域内波高分布特性。在此，本文研究组合式抛石防波堤港外波高分布，可为未来防波堤规划建设提供参考。

1 模型建立

本次试验是关于某港口防波堤稳定性三维物理模型试验，在波-流动床浑水港池内进行，港池长70 m，宽40 m，深1.5 m，最大试验水深1.0 m，配备34 m×56 m 的L 形造波机。港池周边布置有多层消浪栅，用以减少波浪反射。按照防波堤布置图纸，采用1∶39.5 的长度比尺，在港池内修建地形以反映真实水深情况。如图1 所示，港池内地形等深线从-17.5 m 变化到-9.0 m，模型中的地形从-19 m 等深线开始模拟，并延伸至港池末端。地形制作采用断面板法，允许误差±1 mm。

图1 组合式抛石防波堤平面布置Fig.1 Layout of a composite rubble mound breakwaters

2 波浪条件

多向不规则波采用频谱为JONSWAP 谱，其中，控制JONSWAP 谱峰尖度的峰升因子γ=3.0。多向不规则波方向谱函数S（f，β）可表示为频谱S（f）和方向分布函数G（f，β）的乘积：

式中：f、β分别为频率、角度参量；A为方向分布函数系数；n为方向分布参数，n越小代表波浪能量的方向分布宽度越宽，波浪多向性越强；θ为随机波浪的方向；θ0为入射波浪的主方向。本次试验n取4，对应的方向分布角度为19°，即|θ-θ0|max=19°。

本试验目的是模拟防波堤抵御各种真实海洋状况来分析防波堤的稳定性。根据特定海域发生极端波况的记录，原定试验方案中共设置16 组波浪条件，每组波浪条件模拟2 次。依托原定试验方案从中选取6 组波浪条件进行研究，所以，每组波浪条件只有2 次重复试验数据。试验采用LG1 型电容式波高仪和DJ800 型多功能监测系统采集测点的波高数据。统计发现，这2 组数据的波高相差不大，因此，取这2 组数据的均值作为该组波浪条件的有效值。6 组波浪条件的率定测点为1 号～6 号，如图1 所示，主要分析1 号～4 号测点波高，将其作为率定6 组波浪条件的依据。

本文主要研究了由2 道圆形堤头抛石防波堤所组成的港池外部区域P1～P5 测点在6 组波况的波高分布特性特征。测点波高见表1。

如表1 所示，试验设置6 组波浪条件，均采用多向不规则波。为探究不同水深h和不同波周期TP对港外区域波高的影响，试验中保证6 组波浪条件的有效波高Hm0和波向Dir保持不变，统一设置为Hm0=3.03 m，Dir=170°N。170°N 指的是海图方位角，正北向为0°N，沿顺时针方向旋转，正东向为90°N，正南向为180°N，正西向为270°N。

表1 6 组波浪条件下P1～P5 测点波高Table 1 Wave heights of P1～P5 under six groups of wave conditions

3 试验结果与分析

在不发生越浪情况下，统计汇总P1～P5 测点的波高数据，如表1 所示。P1～P5 测点分布在港外区域不同位置，在6 组波况下表现出不同的波高分布特性。

P1 位于两道防波堤的交汇处。No.1、No.2、和No.4 中P1 波高变化幅度较小，而No.3、No.5和No.6 中P1 波高变化幅度较大。整体分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 时，P1 波高基本呈现随着波周期TP增大而增大。波周期TP相同时，较浅的水深（h=14.8 m）对P1 波高增大影响明显。

P2 位于主防波堤正前方。No.1～No.6 中P2 波高变化幅度很大，P2 波高会呈现出极端增大和减小情况。No.1 中P2 波高增大1 倍，而No.3 和No.6中P2 波高减小明显。整体分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 时，P2 波高基本呈现随着波周期TP增大而减小。在波周期TP相同时，水深h=17.1 m 或14.8 m 对P2 波高变化影响均较大。

P3 位于主防波堤前方一定距离处。No.1～No.6中P3 波高增幅均较大，No.3 和No.6 中P3 波高增大明显。整体分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 时，P3 波高基本呈现随波周期TP的增大而增大。在波周期TP相同时，较浅的水深（h=14.8 m）对P3 波高影响较大。

P4 位于口门处。No.1～No.6 中P4 波高虽有一定变幅，但P4 波高基本呈现减小趋势。整体分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 时，TP=16 s对P4 波高减小影响明显。

P5 位于口门一定距离处。No.1～No.6 中P5 波高变化幅度均较小。整体分析No.1～No.6，P5 波高随水深h和波周期TP变化基本呈现微小变动。

4 结语

当波浪正向作用于主防波堤时，由于入射波与反射波在堤前叠加的位置会随波周期和水深变化而不同，所以最大波高位置会随之变化，且短波作用下危险区域会靠近主堤，而长波作用下危险区域在主堤前方远端处，P2 和P3 受到入反射波叠加影响而容易成为危险位置；当波浪斜向作用于主防波堤圆形堤头时，波浪基本无反射，且因绕射作用而耗散波浪能量，P4 和P5 波高变化幅度最小且相对稳定；当波浪作用于2 个防波堤交汇处时，由于波浪发生反射、折射、透射、破碎等复杂变形作用下而耗散能量，P1 波高变化不大。