規(guī)則波對臺階式海堤沖擊的試驗(yàn)研究

駱文廣，楊國錄，張小飛, 周成

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072; 2. 武漢大學(xué) 污淤泥研究中心，湖北 武漢 430072;3.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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規(guī)則波對臺階式海堤沖擊的試驗(yàn)研究

駱文廣1,2，楊國錄1,2，張小飛3, 周成1,2

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072; 2. 武漢大學(xué) 污淤泥研究中心，湖北 武漢 430072;3.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

摘要：為了研究臺階式海堤在規(guī)則波浪沖擊作用下堤身的動壓力分布特性，在廣西大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室二維玻璃水槽中建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的臺階式海堤物理模型，通過分別對比海堤的水平臺階面和直立臺階面上的規(guī)則波浪沖擊后的動壓力，得出了波浪沖擊海堤后的動壓力與臺階式海堤坡度和臺階高度的相關(guān)規(guī)律。研究表明：在一定的海堤坡度范圍內(nèi)，同一入射條件下，當(dāng)海堤臺階高度一定時，海堤坡度越緩，海堤臺階面上的動壓力越??；而當(dāng)海堤坡度一定時，海堤臺階高度越大，海堤臺階面上的動壓力越大。

關(guān)鍵詞：動壓力；波浪沖擊；水平臺階面；直立臺階面；二維玻璃水槽；海堤結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160308.1257.004.html

在長期的海堤建設(shè)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)臺階式海堤具有較好的消浪效果和良好的自身結(jié)構(gòu)安全性，同時還能滿足親水性海岸休閑空間的規(guī)劃需求。目前臺階式海堤在國內(nèi)外已得較好應(yīng)用，日本有許多海堤已經(jīng)按臺階式海堤設(shè)計(jì)。在我國就有浙江仁和的條塊石塘、紹興和海寧的臺階斜坡式海塘[1]，廣西合浦縣西沙海堤、南域海堤、防城區(qū)譚蓬海堤以及牛食水海堤、東興市榕樹頭海堤等[2]。

對于臺階式海堤上的波浪沖擊研究，可以認(rèn)為是對海堤的臺階水平面和直立面上的波浪沖擊的研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水平板結(jié)構(gòu)沖擊問題開展了大量的研究；任冰[3]和Cuomo[4]等通過物理模型試驗(yàn)研究了不規(guī)則波的沖擊作用。為研究波浪沖擊問題的方法，YU Yan等[5]還開展了水體沖擊作用的有限體積法。在國外，Nuffel等[6]則采用垂直方向的波浪對水平準(zhǔn)剛性圓柱體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并與理論沖擊壓力做對比。Huera 等[7]在水平板上施加水荷后對面板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)研究。直立墻上波壓力的研究具有悠久的歷史，Minikin基于Bagnold的氣墊層理論于1950年提出,分布在直立堤面上的波壓力由作用于水面附近的動水壓力和作用于整個堤面的靜水壓力兩部分組成，該方法在歐美各國至今仍在采用。2011年Kisacik等[8]研究了加載條件下由于在垂直結(jié)構(gòu)的劇烈波動影響時，水平懸臂板所受波壓力的影響。

參照水平板和直立墻上的波浪壓力的研究，張傳軍[9]通過數(shù)值模擬的方法，研究分析了臺階式海堤在規(guī)則入射波條件下臺階面上動壓力的分布規(guī)律。程禹平[10]以規(guī)則波水槽試驗(yàn)對卷波臺階式防浪堤進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示臺階防浪堤的波浪壓力與浮托力的分布特征?？偨Y(jié)這些學(xué)者的研究成果，發(fā)現(xiàn)他們?nèi)狈ε_階式海堤上的波浪沖擊作用與海堤臺階結(jié)構(gòu)的相關(guān)性方面的研究。本文為了填補(bǔ)這方面的不足，采用了物理實(shí)驗(yàn)來研究臺階式海堤結(jié)構(gòu)參數(shù)對海堤上波浪壓力的影響規(guī)律。該項(xiàng)研究成果能有助于臺階式海堤在工程上的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前采用數(shù)值模型模擬非規(guī)則波還很難實(shí)現(xiàn)，因此在規(guī)則波的模擬中引入了一些假定，使得計(jì)算結(jié)果具有近似性。為了更加清晰直觀地分析臺階式海堤上波浪壓力的變化規(guī)律，有必要通過物理模型試驗(yàn)深入研究臺階式海堤結(jié)構(gòu)參數(shù)對海堤上的波浪壓力的影響規(guī)律。物理模型試驗(yàn)是在二維波流水槽中進(jìn)行的，水槽長30.0 m，寬1.5 m，高1.5 m，水深1.0 m。

試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型，模型幾何比尺采用1∶10，根據(jù)試驗(yàn)正交性原則，從臺階式海堤的高度與坡度兩個方面設(shè)計(jì)了五種結(jié)構(gòu)方案的臺階式海堤，各種方案的模型參數(shù)如表1所示。

臺階式海堤的堤面上沿波浪傳播方向布置了H1～H5等5個水平向的壓力傳感器和S1～S5等5個豎向壓力傳感器，其中前4組傳感器按照水深方向均勻地從下到上布置在臺階面上，第5組是在靜水面處，如圖1所示，i為海堤坡度，h為臺階高度。波壓力采用北京水利科學(xué)研究院所生產(chǎn)的DJ800多功能監(jiān)測系統(tǒng)的脈動壓力測量系統(tǒng)測定。

試驗(yàn)入射波浪為規(guī)則波：入射波的波高H分別為10、15、20和25cm，周期T分別為1.00 s和1.25 s。按照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[11]要求，每個試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌ɡ祟愋椭貜?fù)了3次試驗(yàn)以上。在試驗(yàn)中測試海堤臺階面上測點(diǎn)的波壓力，試驗(yàn)中壓力傳感器采樣頻率為1 kHz，采樣時間為25 s，處理數(shù)據(jù)時取10～15個周期內(nèi)的沖擊壓力峰值取平均值作為沖擊壓力峰值的代表值。在數(shù)據(jù)分析時采用小波濾波與信號重構(gòu)方法對采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,詳細(xì)的處理方法及過程見文獻(xiàn)[12]。試驗(yàn)是研究臺階式海堤結(jié)構(gòu)對臺階水平面和直立面上波壓力分布的影響規(guī)律。

圖1　海堤上脈動壓力測點(diǎn)布置圖Fig.1　The layout for the monitoring points of dynamic water pressure

模型方案模型的尺寸參數(shù)水上海堤高度/cmih/cm實(shí)際的尺寸參數(shù)水上海堤高度/mih/mi4h0.03361∶433.61∶40.3i3h0.03361∶333.61∶30.3i2h0.03361∶233.61∶20.3i2h0.02361∶223.61∶20.2i2h0.04361∶243.61∶20.4

2試驗(yàn)結(jié)果分析

波浪作用于海堤上，當(dāng)波浪沒有發(fā)生破碎的情況下，由于波浪的動壓力沖擊作用，必然會對海堤堤面產(chǎn)生一定的振動作用。為了研究出波浪對海堤堤面臺階振動程度的影響規(guī)律，可以選擇海堤堤面上的動壓力作為表征臺階振動程度的影響因子[13]。分析研究這個具有代表性的影響因子能達(dá)到研究目的，且掌握海堤上波浪的動壓力可以為海堤結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

海堤的坡度和海堤臺階的高度是影響海堤臺階面上動壓力的兩個重要因素[9]。通過海堤模型堤面布置的壓力傳感器記錄了相應(yīng)測點(diǎn)的沖擊壓力歷時曲線，分析波浪動壓力歷時曲線可得到波浪動壓力最大值[12]。

2.1對海堤水平臺階面上動壓力試驗(yàn)研究

根據(jù)大量學(xué)者的研究可知，在水平板上動壓力與入射波高H、水平板的相對寬度B/L及相對凈空S/H密切相關(guān)[14]，其中B為海堤臺階從堤腳到測點(diǎn)的寬度，L為入射波的波長，S為測點(diǎn)處距離靜水面的高度。為了進(jìn)一步研究臺階式海堤的結(jié)構(gòu)對其水平臺階面上動壓力的影響，選擇從海堤坡度和臺階高度兩個方面著手，研究不同入射波條件下海堤臺階的相對寬度B/L及相對凈空S/H對水平臺階面上動壓力的影響規(guī)律。

2.1.1海堤坡度對水平臺階面動壓力的影響

為了研究海堤坡度對海堤水平臺階面上動壓力的影響，基于變量控制法的原理進(jìn)行試驗(yàn)，選取海堤臺階高度為0.03 m，海堤坡度分別是1∶2、1∶3、1∶4三種方案進(jìn)行試驗(yàn)。

波浪與臺階式海堤作用時，因?yàn)椴ɡ说淖矒?、爬升、破碎、漩滾都會對臺階面沖擊。在入射波波高一定時，波浪對海堤沖擊的動壓力越大，那么海堤的微振動越明顯。將海堤臺階面上的動壓力無量綱化為相對動壓力p=Pc/γH(Pc為測點(diǎn)處的最大動壓，γ為水的容重)，可更客觀地分析不同入射波波高條件下海堤臺階面上的動壓力。

由于試驗(yàn)時水槽中水深一定，當(dāng)臺階高度一定時，海堤的臺階寬度B即能夠反映海堤坡度對波浪的影響。又由于在同一測點(diǎn)處凈空高度S是一定的，所以測點(diǎn)處的相對凈空S/H能夠反映出測點(diǎn)凈空高度S和入射波H對波動力的影響規(guī)律。當(dāng)臺階高度一定時，海堤水平臺階面上的各參數(shù)如表2所示。

圖2是海堤的水平臺階面上相對動壓力p隨海堤的相對寬度B/L及每個測點(diǎn)的相對凈空S/H的變化圖。

表2　海堤水平臺階面上的無量綱參數(shù)表

圖2　水平臺階面上p隨B/L和S/H的變化Fig.2　p of horizontal steps with the change of B/L and S/H

當(dāng)水槽中水深一定，同一入射波作用下，如果海堤的臺階高度相同時，海堤坡度越緩，海堤的相對寬度B/L越大。當(dāng)測點(diǎn)處的凈空S相同時，隨著入射波波高的增大，其相對凈空S/H減小，則海堤水平臺階面上相對動壓力p增大。當(dāng)入射波的波高一定時，其周期越小，那么單位時間內(nèi)海堤的水平臺階面上的波數(shù)就越多，因此波浪對臺階的作用就越劇烈，海堤水平臺階面上相對動壓力p越大。

圖2中對比三種不同坡度的海堤在不同工況下各測點(diǎn)處的相對動壓力p可知：在同一相對凈空S/H下，海堤的相對寬度B/L越小時，其相對動壓力p越大。即在同一入射波作用下，海堤臺階高度相同時，海堤的坡度越陡，海堤臺階的寬度就越小，那么在海堤堤身單位距離上的波數(shù)越多，波浪與海堤水平臺階面作用就越劇烈。在圖2(a)中，在入射規(guī)則波的周期為1.00s，測點(diǎn)處的相對凈空S/H=8.500時，三種不同坡度的海堤的相對寬度B/L分別為0.039、0.029和0.019，測點(diǎn)上的相對動壓力p分別是0.070、0.085和0.114。

2.1.2臺階高度對水平臺階面上動壓力的影響

為了研究臺階高度對海堤水平臺階面上動壓力的影響，基于變量控制法的原理進(jìn)行試驗(yàn)，選取海堤坡度為1∶2，臺階高度分別是0.02、0.03和0.04m三種方案進(jìn)行試驗(yàn)。

由于試驗(yàn)時水槽中水深一定，當(dāng)海堤的坡度相同，入射波周期一定時，海堤的相對寬度B/L是不變的，但是水下部分的臺階級數(shù)會因?yàn)榕_階高度的不同而不同。當(dāng)水深一定時，臺階的高度越小，臺階的角點(diǎn)越多，對波能消耗越大，那么臺階面上沖擊動能越小，其動壓力也就越小。故定義海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)為ε，設(shè)海堤水下部分臺階面上角點(diǎn)的個數(shù)為N，而從坡腳處開始，測點(diǎn)處臺階面上角點(diǎn)的個數(shù)為n，那么損耗系數(shù)ε=1-n/N。因此在海堤的相對寬度B/L一定時，為了研究臺階高度對水平臺階面上動壓力的影響規(guī)律，可以分析海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε及每個測點(diǎn)的相對凈空S/H對臺階面上相對動壓力p的影響規(guī)律。當(dāng)海堤坡度相同時，海堤水平臺階面上的參數(shù)如表3所示。

圖3是海堤的水平臺階面上相對動壓力p隨海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε以及每個測點(diǎn)的相對凈空S/H的變化圖。

表3　海堤水平臺階面上的無量綱參數(shù)表

圖3　水平臺階面上的p隨ε和S/H的變化Fig.3　p of horizontal steps with the change ofεand S/H

當(dāng)水槽中水深一定，測點(diǎn)處的凈空S相同時，隨著入射波波高的增大，其相對凈空S/H減小，則海堤水平臺階面上相對動壓力p會因?yàn)槿肷洳ǖ牟茉龃蠖龃?。?dāng)入射波的波高一定時，其周期越小，那么單位時間內(nèi)海堤的水平臺階面上的波數(shù)就越多，因此波浪對臺階的作用就越劇烈，海堤水平臺階面上相對動壓力p越大。

圖3中對比三種不同臺階高度的海堤在不同工況下各測點(diǎn)處的相對動壓力p可知：在同一相對凈空S/H下，海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε越大時，其相對動壓力p越小。即在同一入射波作用下，海堤坡度相同時，海堤的臺階高度越小，那么海堤水下部分的臺階角點(diǎn)就越多，所以波浪在海堤臺階面上流下過程中消耗的能量越多，那么行進(jìn)在海堤水平臺階面上波浪的動能就越小，因此其相對動壓力越小。圖3(b)中，在入射規(guī)則波的周期為1.25 s，測點(diǎn)處的相對凈空S/H=4.333時，三種不同臺階高度的海堤的臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε分別為0.744、0.746和0.753，測點(diǎn)上的相對動壓力p分別是0.139、0.120和0.099。

2.2對海堤的直立臺階面上動壓力試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步研究臺階式海堤的結(jié)構(gòu)對其豎直臺階面上動壓力的影響，選擇從海堤坡度和臺階高度兩個方面著手，對不同相對水深S/d處測點(diǎn)的相對寬度B/L及相對波高H/S對海堤豎直臺階面上動壓力的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2.1海堤坡度對直立臺階面動壓力的影響

為了客觀地分析臺階式海堤的坡度對海堤豎直臺階面上相對動壓力的影響規(guī)律，可以選擇分析海堤的相對寬度B/L和相對入射波高H/S對海堤豎直臺階面相對動壓力p的影響規(guī)律。當(dāng)海堤的臺階高度一定時，海堤直立臺階面上的無量綱參數(shù)如表4所示。圖4是直立臺階面相對動壓力p隨臺階相對寬度B/L以及相對入射波高H/S變化圖。

表4　海堤直立臺階面上的無量綱參數(shù)表

圖4　直立臺階面上的p隨B/L和H/S的變化Fig.4　p of vertical steps with the change of B/L and H/S

不同測點(diǎn)位置處的p與B/L和/HS的變化曲線如圖4所示。由圖4可知：由于海堤直立臺階面上相對動壓力不是由單參數(shù)控制的，是由多參數(shù)控制的。當(dāng)B/L和H/S相同時，直立臺階面上相對動壓力p隨測點(diǎn)的相對水深S/d減小而增大。當(dāng)S/d相同時，海堤的相對寬度B/L一定時，海堤直立臺階面上相對動壓力p會隨著相對入射波高H/S增大而增大。

在同一相對水深S/d處，相對入射波高H/S一定時，海堤直立臺階面上相對動壓力p會隨著海堤的相對寬度B/L減小而增大。即在同一入射波作用下，水深相同處，由于海堤的坡度越陡，海堤的臺階寬度越小，其相對寬度也就越小，那么平臺消耗入射波浪的波能也就越少。海堤豎直臺階面上受到的波浪沖擊動能越大，其豎直臺階面上的波動力就越大。在圖4(c)中，在入射規(guī)則波的周期為1.00 s，入射波相對波高H/S=0.455，測點(diǎn)的相對水深S/d=0.44處，三種不同坡度的海堤的相對寬度B/L分別為1.104、0.828和0.552，海堤直立臺階面上相對動壓力p分別是0.089、0.110和0.139。

2.2.2臺階高度對直立臺階面上動壓力的影響

當(dāng)海堤的坡度相同時，在相對水深S/d和入射波周期一定的條件下，海堤的相對寬度B/L不變。這時可以分析同一相對水深處海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε及相對入射波高H/S對臺階面上相對動壓力p的影響規(guī)律。當(dāng)海堤的坡度相同時，海堤直立臺階面上無量綱參數(shù)如表5所示。

圖5是不同相對水深處海堤的豎直臺階面上相對動壓力p隨海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε以及相對入射波高H/S的變化而變化的曲線圖。

表5　海堤直立臺階面上的無量綱參數(shù)表

圖5　直立臺階面上的p隨ε和H/S的變化Fig.5　p of vertical steps with the change ofεand H/S

不同測點(diǎn)位置處的p隨ε和H/S的變化曲線如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)ε和H/S相同時，直立臺階面上相對動壓力p隨測點(diǎn)的相對水深S/d減小而增大的。當(dāng)S/d相同時，在海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε一定，海堤直立臺階面上相對動壓力p會隨著相對入射波高H/S增大而增大。

在同一相對水深S/d處，相對入射波高H/S一定時，海堤直立臺階面上相對動壓力p會隨著海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε減小而增大。即在同一入射波作用下，水深相同處，由于海堤的臺階高度越大，海堤水下部分的臺階角點(diǎn)越少，其動壓力的損耗系數(shù)也就越大，那么波浪在海堤臺階上行進(jìn)過程中的局部水頭損失就越小，其消耗的波能就越少。因此海堤豎直臺階面上受到的波浪沖擊動能越大，其豎直臺階面上的波動力就越大。在圖5(d)中，在入射規(guī)則波的周期為1.25 s，入射波相對波高H/S=1.042，測點(diǎn)的相對水深S/d=0.24處，三種不同臺階高度的海堤臺階面上動壓力的損耗系數(shù)ε分別為0.256、0.263和0.271，海堤直立臺階面上相對動壓力p分別是0.524、0.483和0.446。

3結(jié)論

1)對于臺階式海堤的水平臺階面上的動壓力，當(dāng)海堤的高度一定時，隨著海堤的坡度變陡，海堤的臺階寬度減小，當(dāng)在同一入射波作用下，海堤堤身上的波數(shù)增多，波浪與海堤水平臺階面作用就更加劇烈，因此海堤水平臺階面上的動壓力會隨著海堤坡度的變緩而減小；當(dāng)海堤的坡度一定時，隨著海堤的臺階高度增大，海堤水下部分臺階的角點(diǎn)減少，當(dāng)在同一入射波作用下，波浪在海堤臺階面溯上流下過程中消耗的能量減少，那么行進(jìn)在海堤水平臺階面上波浪的動能就增大，因此其相對動壓力減小。

2)對于臺階式海堤的直立臺階面上的動壓力，當(dāng)海堤的臺階高度一定時，隨著海堤的坡度變陡，海堤的寬度減小，當(dāng)在同一入射波作用下，海堤平臺消耗入射波浪的波能也就越少。海堤豎直臺階面上受到的波浪沖擊動能越大，海堤直立臺階面上的動壓力會隨著海堤坡度的變陡而增大；當(dāng)海堤的坡度一定時，隨著海堤的臺階高度增大，海堤水下部分的臺階的角點(diǎn)減少，當(dāng)在同一入射波作用下，波浪在海堤臺階上行進(jìn)過程中的局部水頭損失就減小，其消耗的波能就減小。因此海堤豎直臺階面上受到的波浪沖擊動能增大，其豎直臺階面上的波動力就增大。

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收稿日期：2014-12-29.

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)課題(2014ZX07104005).

作者簡介：駱文廣(1988-)，男，博士研究生. 楊國錄(1955-)，男，教授，博士生導(dǎo)師. 通信作者：楊國錄, E-mail: Ygl516@sina.com.

doi:10.11990/jheu.201412027

中圖分類號：TB53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0520-07

Experimental study of regular wave impact on stepped seawall structures

LUO Wenguang1,2, YANG Guolu1,2,ZHANG Xiaofei3, ZHOU Cheng1,2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China; 2. Sewage Sludge & Silt Research Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 3. College of Civil and Architecture Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：In this study, we performed experiments in a two-dimensional glass wave flume in the water resources laboratory at Guangxi University to investigate the dynamic pressure distribution characteristics of seawalls under regular wave impact. We then established a physical model of a stepped seawall structure with different structure parameters. By comparing the distribution of the dynamic pressure characteristics resulting from the wave impacts on the horizontal and vertical steps of a seawall, we analyzed the correlation between the dynamic pressure, the seawall slope, and height of the seawall step after the seawall had been impacted by sea waves. The study results show that, within a certain range of seawall slope, and under the same incidence conditions, if the height of seawall step is fixed, the lower the rate of change of seawall slope, the larger the dynamic pressure on the surface of the seawall.

Keywords：dynamic pressure; wave impact; horizontal steps; vertical steps; two-dimensional glass flume; seawall structure

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-03-08.