削角沉箱防波堤波浪力特性實(shí)驗(yàn)分析

郄祿文，陶佳驥，夏乾（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定071002）

削角沉箱防波堤波浪力特性實(shí)驗(yàn)分析

郄祿文，陶佳驥，夏乾
（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定071002）

通過(guò)物理模型試驗(yàn)，分析作用在削角沉箱防波堤上水平波浪力、斜面豎向力以及堤底浮托力時(shí)程曲線。通過(guò)比較沖擊波浪力的作用時(shí)間范圍與峰值，得到防波堤沖擊波浪力與沖擊時(shí)間隨上部胸墻的削角值、波浪周期、堤前水深、基床高度等主要影響因素的變化規(guī)律，獲得了波浪力的相對(duì)作用時(shí)間與各影響因素的關(guān)系，建議不規(guī)則波作用下削角沉箱防波堤上的總水平力峰值和浮托力峰值可以在規(guī)則波波浪力峰值的基礎(chǔ)上乘以一系數(shù)來(lái)計(jì)算。

削角沉箱防波堤；物理模型實(shí)驗(yàn)；波浪力特性；時(shí)程曲線

0 引言

防波堤是海港工程的重要組成部分，建造費(fèi)用十分昂貴，有時(shí)可占港口工程總投資的一半左右；且防波堤一旦發(fā)生破壞，后果嚴(yán)重，因此防波堤的合理設(shè)計(jì)已成為急需解決的重要課題。

直立沉箱防波堤是建立最早、使用最廣泛、研究最深入的防波堤。日本合田良實(shí)[1]提出適用于立波和破浪波的直立堤波浪力計(jì)算公式，已被許多國(guó)家應(yīng)用。在直立堤基礎(chǔ)上發(fā)展出削角沉箱防波堤，結(jié)構(gòu)特征是上部胸墻靠海側(cè)為與水平面成銳角（如30°，45°等）的傾斜面，不僅可以有效降低水平波浪力，斜面上產(chǎn)生的向下波浪力也有利于防波堤的整體穩(wěn)定。削角沉箱防波堤具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、胸墻受力性能好、穩(wěn)定性好、造價(jià)低等特點(diǎn)。憑借其良好的外觀、優(yōu)越的力學(xué)特性，削角沉箱防波堤被視為深水海域較好的新型防波堤形式，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外防波堤工程建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用。最早的削角沉箱防波堤是1906年建成于意大利的那不列斯（Naples）港。20世紀(jì)60年代丹麥漢斯霍爾姆（Hanstholm）港建造了削角沉箱防波堤，之后削角沉箱防波堤在我國(guó)的大陸、臺(tái)灣，利比亞以及日本的新澙（Niigata）、宮崎（Miyazaki）的深水海域相繼建成。日本那霸（Naha）港建成了削角直立堤前布置消浪塊體的混合式防波堤。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)削角直立堤進(jìn)行了研究，斜面上產(chǎn)生的向下波浪力有利于防波堤的整體穩(wěn)定，同時(shí)在相同潮位、波浪、堤頂高程的情況下，其越浪量比直立堤略大。對(duì)此，日本港灣技術(shù)研究所Takahashi等[2]對(duì)削角直立防波堤上波浪力進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出計(jì)算削角直立防波堤上波浪力的經(jīng)驗(yàn)公式——合田良實(shí)修正公式，但他們采用的削角角度為45°和56°，與我國(guó)常用的削角直立堤的削角角度（約30°～45°）相差較大。我國(guó)學(xué)者鐘聲揚(yáng)等[3]提出削角直立堤的波浪力計(jì)算簡(jiǎn)單方法，康海貴等[4]分析了削角沉箱防波堤上不規(guī)則波浪力的概率特征，李景輝等[5]針對(duì)削角直立堤斷面穩(wěn)定性及波浪力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。基于物理模型實(shí)驗(yàn)，謝世楞[6]、蔣學(xué)煉[7]、郄祿文[8]等針對(duì)30°和45°削角直立防波堤在不同水深下波浪力分布和防波堤抗滑移、抗傾覆的可靠性做了一定的理論研究。

本文通過(guò)物理模型波浪試驗(yàn)，采集波浪力作用下削角防波堤波浪壓力值，分析作用在防波堤上水平波浪力、斜面豎向力以及堤底浮托力時(shí)程曲線。針對(duì)各個(gè)時(shí)程曲線，比較沖擊波浪力的作用時(shí)間范圍與峰值，得到防波堤沖擊波浪力與沖擊時(shí)間隨上部胸墻的削角值、波浪周期、堤前水深、基床高度等主要影響因素的變化規(guī)律，對(duì)這種新型防波堤波浪力的動(dòng)力特性進(jìn)行探討，可為設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)資料，并為進(jìn)一步開(kāi)展研究提供理論依據(jù)。

1 物理模型試驗(yàn)

為測(cè)定破碎波浪作用下不同工況削角沉箱防波堤堤體上的總水平波浪力、斜面豎向力和堤底浮托力時(shí)程曲線，設(shè)計(jì)了多工況物理模型實(shí)驗(yàn)。

模型試驗(yàn)水槽長(zhǎng)92 m、寬4 m、高1.8 m，沿水槽寬度分隔成三部分（寬度分別為1 m、2 m和1 m）。模型置于其中1 m寬的部分，以減弱波浪反射的影響。生波采用大型不規(guī)則波造波機(jī)，該系統(tǒng)由液壓驅(qū)動(dòng)裝置、控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)構(gòu)成，根據(jù)試驗(yàn)要求，可產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。借助計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用波高、波速、波壓力傳感器記錄波浪對(duì)防波堤作用的荷載數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)采用30°、45°兩種削角角度的沉箱防波堤進(jìn)行不規(guī)則波與規(guī)則波同步壓力實(shí)驗(yàn)。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，幾何比尺1∶36。為研究堤上波浪力的分布特性，在各個(gè)模型的胸墻、沉箱和底板上沿周邊方向均勻布置25個(gè)小型壓力傳感器測(cè)點(diǎn)，同步采集25個(gè)點(diǎn)的壓力變化（見(jiàn)圖1）。

作用在斜面胸墻沉箱防波堤上的波浪選用規(guī)則波和不規(guī)則隨機(jī)波，試驗(yàn)波譜采用JONSWAP譜[9]（聯(lián)合北海波浪計(jì)劃譜），其譜函數(shù)為：

圖1 削角直立堤A斷面（削角30°和45°）測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 The sensor placements of test section A(chamfered 30°&45°)

表1 波浪要素Table1 The wave parameters

按照中、低明基床不同工況進(jìn)行4種斷面波浪實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表2）。各工況均以0.02 s間隔連續(xù)采集130個(gè)波作用下削角堤斷面上各點(diǎn)波浪壓力，試驗(yàn)重復(fù)4次，取各點(diǎn)壓力過(guò)程平均值。4種工況中進(jìn)行了9組不規(guī)則波試驗(yàn)及波高H1%=10 m，平均周期T=11 s、13 s和15 s的規(guī)則波試驗(yàn)。

表2 削角沉箱防波堤斷面尺度Table2 The section dimensions ofchamfered caisson breakwater

2 防波堤波浪力分析

本研究只針對(duì)迎浪面防波堤堤身波浪力動(dòng)力特性進(jìn)行分析，采集所有測(cè)點(diǎn)波浪壓力的數(shù)據(jù)，利用上跨零點(diǎn)法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

作用在削角斜面胸墻上各點(diǎn)的波浪力可分解為水平分量和垂直分量[9]，見(jiàn)圖2，由削角斜面上測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)度積分得到削角斜面上法向波浪力P2，分解后得到水平波浪力P2H和垂直波浪力P2V：

式中：P2為削角斜面上的波浪力；θ為削角斜面的坡角。

圖2 削角直立堤堤身受力示意圖Fig.2 The component diagram ofwave force on breakwater

水平波浪力分量P2H與直立部分上面的水平波浪力P1合成為削角直立堤的總水平波浪力PH，即PH=P1+P2H。P2V構(gòu)成削角斜面上波浪作用向下的垂向力PV，底面各點(diǎn)壓力（向上）構(gòu)成浮托力PU。

2.1 規(guī)則波浪力時(shí)程曲線

在規(guī)則波作用下，計(jì)算得出30°、45°削角沉箱防波堤斷面各瞬時(shí)刻承受總水平力PH、斜面垂向力PV和沉箱底板浮托力PU。由于削角斜面上波浪力的垂直分量將有利于堤身的穩(wěn)定，對(duì)穩(wěn)定有利，本次試驗(yàn)不做考慮，只針對(duì)總水平波浪力與堤底浮托力作出一個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)時(shí)程曲線對(duì)比圖，以斷面A為例，如圖3、圖4所示。

圖3 T=11 s時(shí)波浪力時(shí)程曲線（30°削角）Fig.3 The time-history curve of wave force (T=11 s,chamfered 30°)

圖4 T=13 s時(shí)波浪力時(shí)程曲線（45°削角）Fig.4 The time-history curve of wave force (T=13 s,chamfered 45°)

2.2 不規(guī)則波浪力時(shí)程曲線

為了獲得不規(guī)則波與規(guī)則波波浪力的相互關(guān)系，在本次試驗(yàn)中選取3種斷面分別在周期T=

11 s時(shí)的規(guī)則波與不規(guī)則波浪力時(shí)程曲線對(duì)比圖如圖5、圖6（以斷面B為例）。

圖5 水平力時(shí)程曲線（30°削角）Fig.5 The time-history curve of horizontalwave force (chamfered 30°)

圖6 水平力時(shí)程曲線（45°削角）Fig.6 The time-history curve of horizontalwave force (chamfered 45°)

2.3 波浪力和作用時(shí)間與各影響因素的關(guān)系

波浪作用過(guò)程中削角沉箱防波堤各點(diǎn)的波壓力在不斷變化，形成的合力也隨之改變，設(shè)計(jì)計(jì)算的控制條件為合成的最大波浪力。由實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)壓力計(jì)算出水平力與浮托力的作用時(shí)間及峰值等周期特性見(jiàn)表3、表4。

表3 削角堤水平波浪力周期特性Table3 The periodicalcharacters of PHon breakwater

續(xù)表3

表4 削角堤浮托力周期特性Table4 The periodicalcharacters of PUon breakwater

由表中結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于波高一定的前提下，在防波堤胸墻削角角度、工況一定的情況下，總水平波浪力和堤底浮托力隨著波浪周期的增大而增大，堤底浮托力的相對(duì)作用時(shí)間都隨著周期的增大而減?。辉诓ɡ酥芷?、工況一定的情況下，總水平波浪力隨著胸墻削角角度的增加略有增加。

2.4 不規(guī)則波與規(guī)則波的波浪力相互關(guān)系

本次試驗(yàn)中選取斜面胸墻30°和45°在斷面B、斷面C，周期T=11 s時(shí)的波浪力數(shù)據(jù)為例，探求不規(guī)則波與規(guī)則波的波浪力峰值相互關(guān)系，防波堤總水平波浪力和浮托力時(shí)程曲線的波浪力峰值及其比值，即不定系數(shù)，列于表5。

表5 削角堤波浪力峰值不定系數(shù)Table5 The uncertainty coefficients of maximum wave force(chamfered 30°)

在相同工況下，不規(guī)則波的水平波浪力與浮托力均比規(guī)則波的波浪力大。當(dāng)基床高度與堤前水深一定時(shí)，不定系數(shù)隨著削角角度的增大也在增大；當(dāng)斜面削角角度一定時(shí)，不定系數(shù)隨著基床高度與堤前水深的增大而增大?？紤]不定系數(shù)變量的隨機(jī)特性，建議不規(guī)則波作用下的波浪力峰值可以在規(guī)則波波浪力的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)系數(shù)，水平力系數(shù)為2.66，浮托力系數(shù)為2.50。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于物理模型試驗(yàn)對(duì)削角沉箱防波堤波浪力的動(dòng)力特性進(jìn)行了多工況的研究。通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，得到了削角沉箱防波堤水平波浪力、斜面豎向力以及堤底浮托力的時(shí)程曲線。

在同一波高條件下，分析了削角沉箱防波堤波浪力與各影響因素的關(guān)系，總水平波浪力和堤底浮托力都隨著周期的增大而增大，并且總水平波浪力隨著胸墻削角角度的增加也略有增大?？偹讲ɡ肆偷痰赘⊥辛Φ南鄬?duì)作用時(shí)間都隨著周期的增大而減??；但胸墻削角角度、堤前水深與基床高度對(duì)總水平波浪力和堤底浮托力的相對(duì)作用時(shí)間影響不明顯。

建議不規(guī)則波作用下削角沉箱防波堤上的總水平力峰值和浮托力峰值可以在規(guī)則波波浪力峰值的基礎(chǔ)上乘以一系數(shù)來(lái)計(jì)算，水平力系數(shù)建議值為2.66，浮托力系數(shù)建議值為2.50。

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Experimental study on wave force characteristics of chamfered caisson breakwater

QIE Lu-wen,TAO Jia-ji,XIA Qian
（College ofCivil Engineering&Architecture,Hebei University,Baoding,Hebei071002,China）

Based on physical model test,we analyzed the time-history curves of wave force components,i.e.horizontal wave force,verticalwave force and upliftwave force,acting on chamfered caisson breakwaters.Comparing the acting time ranges and crest values of wave forces in different cases,we obtained the dynamic variation phenomena with respect to main influence factors,such as the chamfered angle,wave period,water depth before breakwater,bedding heights and so on,and got the relationship between wave acting time ranges and influence factors.The modify factor was proposed to calculate the irregular wave forces on chamfered caisson breakwater by thatofregular ones.

chamfered caisson breakwater;physical model test;wave force characteristic;time-history curve

U656.111；P731.22

A

2095-7874（2015）12-0016-05

10.7640/zggwjs201512004

2015-07-28

2015-08-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61374184）

郄祿文（1966—），男，河北阜平人，教授，博士，主要從事波浪與建筑物相互作用方向研究。E-mail：qieluwen@hbu.edu.cn