深水斜坡堤胸墻波浪力計算方法研究＊

于定勇，蘇 耀

（中國海洋大學工程學院，山東青島266100）

深水斜坡堤胸墻波浪力計算方法研究＊

于定勇，蘇 耀

（中國海洋大學工程學院，山東青島266100）

通過物理模型試驗研究中國《海港水文規范》（JTJ213－98）中斜坡式防波堤頂部胸墻波浪力計算公式在深水情況下的適用性。試驗測量4種不同水深波浪作用下斜坡堤頂部胸墻的波浪力和作用高度。通過對胸墻迎浪面的波浪壓強分布、總水平作用力和波浪作用高度的試驗結果與《海港水文規范》結果的對比分析，發現胸墻迎浪面的實測波壓分布不同于規范采用的均勻分布；規范計算得到的總水平力和波浪作用高度均小于實測值。本文改進規范中斜坡堤胸墻波浪力計算方法，使其更適用于深水堤頂部胸墻受力計算。

深水；斜坡堤；胸墻；波浪力

防波堤是海岸工程中的1種重要水工建筑物，傳統的防波堤型式有斜坡式、直立式和混合式。斜坡堤是防波堤常用型式之一，具有反射波浪弱，對地基承載力要求較低等優點。隨著港口建設向深水發展，已出現水深超過20m防波堤。如日本的大船渡港防波堤，水深為38m；下田港防波堤，水深為42m；釜石港防波堤，水深達到了63m。葡萄牙錫尼斯港曾建造了最大水深50m、長2km的斜坡堤；我國海南某港、上海洋山港導流堤水深都超過30m；岱山連島堤水深達到50m。為減輕波浪越浪，通常會在斜坡堤上設置直立式胸墻。但防波堤常因胸墻基底淘空、胸墻移位失穩而造成破壞［1－2］。因此如何準確的計算作用于胸墻上的波浪力是保證防波堤結構安全的基礎。

目前我國《海港水文規范》［3－4］中計算斜坡堤頂部胸墻波浪力的方法采用了河海大學研究成果：即將入射波浪在胸墻迎浪面上產生的壓強按沿高度均勻分布處理，在確定平均壓強珚p和波浪作用高度d1＋Z后由公式P＝珚p（d1＋Z）計算得到胸墻受到的總水平波浪力。但是波浪產生的壓強沿胸墻迎浪面均勻分布的處理并不符合實際情況，琚烈紅［5］通過物理模型試驗發現直立式胸墻迎浪面上的波浪壓強極大值附近的一定范圍內，波浪壓強值變化較小，在這個范圍外，是波浪破碎后上涌對胸墻形成的壓強，隨著高度的增加而減小。王穎［6］通過物理模型試驗測得了胸墻前無掩護情況下的波浪力，并與《海港水文規范》中的方法進行了對比，結果顯示實測的波浪力遠大于規范的計算值?！逗８鬯囊幏丁分械挠嬎惴椒▋H適用于胸墻前無掩護的情況。柳玉良等［7］對比了水深較大、在墻前有（無）掩護的情況下物理模型試驗實測結果與上述方法計算水平力的差異，結果發現防波堤胸墻在半掩護、全掩護情況下，水平力實測值與規范計算值的差異超過20%。

西班牙的Francisco L.Martin［8］等人在一系列試驗觀測結果基礎上，于1999年提出了1種計算斜坡堤頂部胸墻波浪遠破波壓力的方法。他認為，當波浪在護面斜坡上破碎后，沖擊到胸墻上的波浪壓強可以分為動態壓強pd和反射壓強pr。pd和pr都與入射波浪爬高形成的水舌呈線性關系。這個計算斜坡堤胸墻波壓力的方法把波浪力和胸墻前肩臺的寬度，護面塊體的種類等各種因素聯系了起來，考慮的因素比較全面。但是Francisco L.Martin等人只對利用平行六面體塊體掩護的情況進行了研究，對于其他型式的護面塊體的估算方法，還需要進一步探討。

目前，我國的深水防波堤工程不多，對于在大水深中建設防波堤的經驗較少。王美茹［1］在探討深水防波堤設計方法時也強調目前國內外針對深水堤設計原則和方法的研究成果還不多。在波浪作用下深水堤與一般防波堤（相對水淺）相比，作用性質、機理雖然沒變，但深水堤無論斜坡式、直立式還是混合式，其斷面型式、尺度和構造要求等方面多與一般防波堤有所差別。這些差別或作用規律及《海港水文規范》方法在深水中的適用性仍有待進一步研究。

本文在物理模型試驗基礎上，根據胸墻迎浪面的壓強分布、總水平力大小、和波浪作用高度測量結果，對比分析了其與《海港水文規范》方法計算結果的差異及產生的原因，探討了規范方法在深水情況下的改進。

1 試驗概況

1.1 試驗設備

試驗在海軍工程設計研究院港灣工程綜合試驗研究中心進行，水槽長81.0m，寬1.4m，高2.6m。水槽一端安裝有低慣量直流電機式不規則造波機，造波機由計算機控制，可模擬正弦波和橢圓余弦波、國內外常用的頻譜以及各種自定義譜，能夠滿足本次試驗使用要求，設備可產生的波高范圍為3～50cm，波周期變化范圍為0.5～5.0s。水槽另一端安裝有消能設施，其反射率小于5%。水槽寬度方向上分2格，分別為0.8和0.6m，寬度0.6m的一格放置防波堤模型，另一格用于消能以減小波浪的反射作用。試驗采用國內專業的波浪測試系統DS－30型數據采集處理系統。該軟件運行于WinXP操作系統下，具有使用簡便、實時監測、采集速度快、精度高、溫度自動修正、數據處理功能強大等優點。

1.2 試驗內容

《海港水文規范》（JTJ213－98）中關于斜坡堤頂部胸墻上的波浪作用力的計算公式，適用于胸墻前無塊體掩護的情況，因此，為了研究規范公式的適用性，試驗中胸墻前也沒有放置掩護塊體。

試驗采用規則波進行，試驗水深包括4種：25、30、36和42m，入射波高包括3種：6、6.5和7m，入射波浪周期均為8s。

試驗在胸墻迎浪面上設置了6個測點，底部設置了4個測點，具體測點布置見圖1。

圖1 胸墻上壓強測點布置圖（單位：cm）Fig.1 Position of pressure measuring gauges（Unit：cm）

1.3 測量方法

波浪力的測量使用DS－30型數據采集處理系統，該系統由計算機、測力探頭和數據采集箱所構成。斜坡堤上胸墻各點所受的波浪力由測力探頭直接測得，測力探頭安放在胸墻內部，并且使其與胸墻的表面相平。

通過在胸墻側面放置鋼尺，并利用攝像機拍攝試驗過程的方法得到胸墻迎浪面上波浪的作用高度。

2 試驗結果及分析

2.1 胸墻上波浪壓強分布比較

圖2～5給出了入射波高為7m，波浪周期8s時，4種不同的水深時《海港水文規范》方法計算得到的壓強分布與實測的壓強分布。

圖2 水深25m時胸墻迎浪面波壓強分布比較（單位：kPa）Fig.2 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

圖3 水深30m時胸墻迎浪面波壓力分布實測值和計算值（單位：kPa）Fig.3 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

圖4 水深36m時胸墻迎浪面波壓力分布實測值和計算值（單位：kPa）Fig.4 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

圖5 水深42m時胸墻迎浪面波壓力分布實測值和計算值（單位：kPa）Fig.5 Comparison of measured and calculated wave pressure distribution on the crown wall（Unit：kPa）

表1 胸墻迎浪面波浪力作用高度及總水平波壓力Table 1 Comparison of measured and calculated Fx

《海港水文規范》在計算斜坡堤上胸墻迎浪面所受到的波壓力時假設其沿胸墻高度是均勻分布的，但是由圖2～5的實測結果可見斜坡堤上胸墻迎浪面所受到的波壓力并非均勻分布。胸墻在靜水位附近有一個波浪作用的主要區域，該區域受到入射波浪的直接沖擊，因此產生的波浪作用力較大，且變化較小。該波浪作用主要區域的范圍，規范計算結果與試驗的實測結果基本相同，在這個區間，規范計算的平均壓強值珚p與實測值相差較小。

在該主要作用區域以上，還有一個波浪力的衰減區域，在這個區域里，波浪力會隨著高度的增加而明顯減小。這是因為，在這個波浪力的衰減區域，雖然胸墻也受到入射波浪的作用，但是波浪力是由波浪沖擊胸墻后爬升，以及波浪的濺射所形成的，所以波浪力較小，而且隨著高度的增加而減小。由表1亦可見胸墻迎浪面的波浪作用高度的實測值與規范計算結果差異較大。

2.2 胸墻上總水平波壓力比較

從表2、3、4可知隨著水深的增加，胸墻迎浪面上受到的水平波壓力Fx在不斷增加，這種波浪力隨著水深增加而增大的趨勢與《海港水文規范》的計算結果一致。

但是，入射波高和堤前水深相同時，胸墻受到的水平波壓力Fx的計算結果小于實測結果，兩者的差值又隨著入射波高的增加而增大。當入射波高為6m時，差值在10%～20%；入射波高為6.5m時，差值在20%～30%；入射波高為7m時，差值在30%～40%。

表2 H＝6m，T＝8s時水平波壓力Fx比較Table 2 Comparison of measured and calculated Fx（H＝6m，T＝8s）

表3 H＝6.5m，T＝8s時水平波壓力Fx比較Table 3 Comparison of measured and calculated Fx（H＝6.5m，T＝8s）

表4 H＝7m，T＝8s時水平波壓力Fx比較Table 4 Comparison of measured and calculated Fx（H＝7m，T＝8s）

在波浪的主要作用區域，規范計算的平均壓強值與實測值差異不大，總水平波壓力的規范計算結果和試驗結果差異較大的原因是規范相關公式計算得到的入射波浪在胸墻迎浪面上的作用高度偏小。

3 對《海港水文規范》方法的改進

本文依據試驗結果對《海港水文規范》方法進行了改進：

將入射波浪在斜坡堤胸墻上的作用力計算分成2部分（見圖6）。

第1部分是波浪作用的主要區域，在這個區域入射波浪直接沖擊胸墻，波浪在胸墻迎浪面上產生的壓強值較大，且變化較小。在這個區域內，壓強的大小和分布與《海港水文規范》（JTJ213－98）中的方法計算得到的結果相同，即從胸墻的底面高程向上d1＋z（d1＋z為波浪作用高度）的范圍內，波浪壓強為均勻分布，壓強與《海港水文規范》（JTJ213－98）中方法計算得到的平均壓強珚p基本一致。

第2部分是波浪力的衰減區域，它在波浪作用的主要區域上方，區域范圍大小與波浪作用的主要區域相同，也是d1＋z，壓強分布為三角形分布，壓強由珚p向上線性減小到0。

圖6 修正后的壓強分布圖Fig.6 Wave pressure distribution on the crown wall

表5給出了入射波高為6.5m時的實測結果和規范方法改進前、后計算結果的對比。由該表可見本文提出的改進方法，在考慮了《海港水文規范》（JTJ213－98）方法中未考慮的波浪力衰減區域的波浪作用后計算得到的結果與實測值更接近。

4 結論

本文通過物理模型試驗測量了4種不同水深、3種不同波高，波浪作用下斜坡堤頂部胸墻的波浪力、作用高度，給出了不同情況下波浪作用的分布，對比分析了其與《海港水文規范》的計算結果存在的差異及產生的原因，并對規范方法進行了改進。

表5 改進前后的計算結果對比（H＝6.5m）Table 5 Comparison of results obtained by code method and modified method

（1）對比分析結果表明在水深較大情況下利用現行《海港水文規范》中相關公式計算得到的胸墻迎浪面的壓強分布形式、總水平波浪力大小和波浪的作用高度都與實測結果有差異。

（2）規范方法將胸墻迎浪面的波浪壓強處理為均勻分布，但試驗結果顯示波壓強在胸墻迎浪面的靜水位附近有一個波浪的主要作用區域，在該區域中波浪力較大，而且變化較小。在其上的區域波浪力隨著在作用點高度的增加而減小，且衰減較快。

（3）由規范中公式得到的波浪作用高度小于實測值，規范中的計算方法沒有考慮波浪衰減區域，這導致了計算得到的總水平波浪力偏小，其差值隨著入射波高的增加而增加。

（4）本文提出了1種計算斜坡堤胸墻波浪力的改進方法，該方法計算得到的胸墻波浪力比《海港水文規范》方法得到的結果與實測值更接近。

［1］ 王美茹.深水防波堤設計方法初探［J］.港工技術，2010，47（3）：1－7.

［2］ 李炎保，吳永強，蔣學煉.國內外防波堤損壞研究進展評述［J］.中國港灣建設，2004，（006）：53－56.

［3］ 交通部，港口工程技術規范［S］，JTJ213－87.北京：人民交通出版社，1988.

［4］ 交通部，海港水文規范［S］，JTJ213－98.北京：人民交通出版社，1998.

［5］ 琚烈紅.典型胸墻的波浪力和越浪量物理模型試驗與分析［D］.南京：南京水利科學研究院，2004.

［6］ 王穎.弧形防浪墻波浪力的試驗研究，［D］.上海：上海交通大學，2007.

［7］ 柳玉良，韓炳辰，李玉龍.斜坡式防波堤護面對胸墻波浪力的影響［J］.水運工程，2010，（8）：36－38.

［8］ Martin F L，Losada M A，Medina R.Wave loads on rubble mound breakwater crown walls［J］.Coastal Engineering，1999，37（2）：149－174.

Study on Calculation Method for Wave Loads on Deep Water Breakwater Crown Wall

YU Ding－Yong，SU Yao
（College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on experimental results，this paper analyzes the suitability of Code method to calculate wave loads in deep water.Wave loads on crown wall of rubble mound breakwater and their action heights are measured for 4different water depths and 3different wave heights.Comparisons are carried out between the measured results and the obtained results by the Code.It is shown that differences exist for the wave pressure distribution，the value of wave loads and their action heights.The measured wave pressure distribution is no longer uniform，the values of wave loads and their heights are larger than the Code's results.A modification of the Code's method is made so as to make the Code's method more suitable for deep water.

deep water；rubble mound breakwater；crown wall；wave loads

P751

A

1672－5174（2012）1－2－136－05

山東省科技發展計劃項目（2008GGB01099）資助

2011－05－03；

2011－07－04

于定勇（1964－），男，博士，教授，主要從事海岸工程水動力方面的研究。E－mail：dyyu01＠ouc.edu.cn

責任編輯 陳呈超