防波堤擋浪墻波浪力的研究進展

潘興凱 桂勁松* 陳 丁

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

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·水利工程·

防波堤擋浪墻波浪力的研究進展

潘興凱 桂勁松* 陳 丁

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

結(jié)合相關(guān)文獻資料，介紹了波浪在擋浪墻前的破碎形態(tài)，探討了防波堤擋浪墻所受到的波浪力，并分析了擋浪墻結(jié)構(gòu)設(shè)計對波浪力產(chǎn)生的影響，為類似問題的研究提供了依據(jù)。

防波堤，波浪力，擋浪墻，結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

防波堤是人工掩護的沿海港口工程中重要的水工建筑物。斜坡堤在工程應(yīng)用中最為廣泛，它具有對波浪反射弱，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，對地基承載力要求較低、施工簡單等優(yōu)點，目前在海洋、河流和城市護岸中得到廣泛應(yīng)用。外海波浪在涌入到斜坡堤的過程中，波浪會沿著坡面向上爬升，此時波浪發(fā)生破碎，如果堤頂高程沒有足夠的高度，破碎波浪就會越過堤頂，涌入港池內(nèi)側(cè)，對港內(nèi)停泊的船只及建筑物的安全造成極大威脅。為了保證結(jié)構(gòu)的安全及港內(nèi)水域的穩(wěn)定通常在斜坡堤頂部設(shè)置擋浪墻。設(shè)置擋浪墻，不僅能夠提高斜坡堤堤頂?shù)挠行Ц叱?，而且可以降低大量的施工成本，保證工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，大大提高工程效益。但斜坡堤常因堤頂擋浪墻基底被淘空、擋浪墻移位失穩(wěn)而造成破壞[1]，隨著港口建設(shè)的快速發(fā)展，工程設(shè)計人員越來越重視對作用于斜坡堤擋浪墻上波浪力計算方法的研究。

1 波浪在擋浪墻前的破碎形態(tài)

隨著外海波浪沖擊到斜坡堤護面，護面上人工混凝土塊體阻礙了波浪的快速向前運動，會對波浪產(chǎn)生很大的摩擦作用，此時入射波浪流速迅速較小，一部分動能被消耗掉，另一部分直接轉(zhuǎn)化為波浪勢能，其波高會增大，水流繼續(xù)向前運動，其上部越來越陡，并且向前傾斜，當(dāng)達到某一臨界值，波浪隨即發(fā)生破碎。Kirkgz[2]通過一系列的物理模型試驗，發(fā)現(xiàn)波浪以規(guī)則波入射時，波浪沖擊到直立墻體上會發(fā)生破碎，此時的波浪為卷破波形態(tài)，在略低于靜水位處，波浪力會達到極大值。但為了工程應(yīng)用的方便和保證工程的安全運行，一般將靜水位處的波浪力值取作最大值。

Oumeraci[3]指出，當(dāng)外海波浪以立波的形態(tài)沖擊到斜坡堤坡面上時，其壓強的分布在一個時間序列下呈現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象，并且對稱性良好。波浪受到摩擦阻礙作用，其動能減小，隨著波陡的持續(xù)增大，對稱的雙峰值圖形逐漸變得不對稱，這一過程表明波浪形態(tài)正在從立波轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑椴ā?/p>

入射波浪主要有3種破碎形態(tài):崩破型破碎波、卷破型破碎波和激散波型破碎波。2010年，康海貴[4]采用激光粒子測速技術(shù)將入射波浪以近破波的形態(tài)沖擊到直立式墻體上來觀察該沖擊過程中流場的變化規(guī)律，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射波為崩破型破碎波時，波壓力過程線隨時間的變化特征呈現(xiàn)出馬鞍型形狀。當(dāng)波浪破碎形態(tài)過渡到卷破型破碎波時，沖擊到墻體表面波壓力以三角形分布為主。

2 防波堤擋浪墻受到的波浪力

20世紀80年代，F(xiàn)enton[5]通過對波浪在未達到破碎時對防波堤擋浪墻表面的沖擊作用而產(chǎn)生的波浪力進行了研究，并提出一種波浪力的計算方法。然而在實際工程中，破碎波對擋浪墻的破壞程度要遠遠大于立波，因此他提出的該種波浪力的計算方法并無太大實際工程意義。由于入射波浪破碎現(xiàn)象十分復(fù)雜，對于破波波浪力的計算，目前還未能用明確的理論方法來計算作用于擋浪墻上的破波波浪力，而只能根據(jù)實際工程經(jīng)驗的方法求得。其中很多學(xué)者便提出了一些假說:首先是射流理論。外海入射波浪涌向到斜坡堤坡面，由于護面塊體的阻礙作用，波浪發(fā)生破碎，此時水質(zhì)點會發(fā)生不連續(xù)現(xiàn)象，一些水體以極大速度沖擊到擋浪墻表面，在局部位置會產(chǎn)生極大壓強。此時的壓強p=kγv2/2g，其中，k為一待定系數(shù)。在實際操作中k值取值有限，因此計算得到的波壓力往往偏小。其次是在1939年，英國的Bagnold[6]提出了氣墊理論，他認為外海入射波浪沖擊到斜坡堤擋浪墻表面過程中，會在大氣和墻體表面形成一個氣泡層，該氣泡受到瞬間擠壓而對墻面產(chǎn)生較大的沖擊壓力。根據(jù)這個理論，空氣袋內(nèi)氣體的密度的不同會對沖擊波壓力產(chǎn)生很大影響。再其次是水動量交換理論，該理論認為入射波浪以一定動量沖擊到擋浪墻表面，由于墻體阻礙了波浪繼續(xù)向前運動，此時波浪具有的動量轉(zhuǎn)化為其對墻體的沖量，即Δmu=Ft。當(dāng)入射波浪的動量一定的情況下，其對墻體的作用時間不等，波浪對擋浪墻的作用壓強也會有較大變化，因此對波壓力的定量研究有一定難度。最后是M.Kamel[7]于1970年提出的水錘理論，該理論將入射波浪沖擊到擋浪墻表面視為波浪對斜坡堤擋浪墻的錘擊過程，當(dāng)波浪以較大速度撞擊到墻體時，波浪水體會被迅速壓縮，能量積聚，此時波浪會在短時間內(nèi)對墻體表面形成很大的沖擊力，該種理論能夠很好地解釋為什么近破波能夠在很短的時間內(nèi)對斜坡堤擋浪墻產(chǎn)生如此大的脈沖壓力。

Minikin[8]在氣墊學(xué)說的基礎(chǔ)上進行了深入研究，提出了一個作用于擋浪墻表面破碎波波浪力的計算公式并且歐美各國至今仍在采用。他認為波壓力由兩部分組成：動水壓強和靜水壓強。在靜水位附近波壓力呈現(xiàn)拋物線分布，此處主要集中的是動水壓強，并且該處壓強值達到最大；在靜水位到墻底部范圍內(nèi)，波壓力以三角形分布為主，此處主要集中的是靜水壓強。1973年，日本的合田良實通過收集大量的關(guān)于作用于擋浪墻上的波浪力的實驗數(shù)據(jù)，并進行了一系列研究，提出了一種新的計算擋浪墻波浪力的計算方法[9]。他認為，作用于擋浪墻上的波浪壓強在靜水面以上1.5倍波高范圍內(nèi)呈現(xiàn)三角形分布形式，在靜水面以下，壓強的分布形式為四邊形直線分布。

1999年，Martin等人[10]通過大量實驗測出一系列實驗數(shù)據(jù)并對其進行了系統(tǒng)分析，提出了一種計算在遠破波波浪作用下斜坡堤頂部擋浪墻所受波浪力的計算方法。他們認為，入射波浪涌入到斜坡堤坡面，在護面塊體的阻擋作用下，波浪發(fā)生破碎，然后沖擊到擋浪墻表面，其形成的波浪壓強分為兩部分：反射壓強Pd和動態(tài)壓強Pr。這種計算斜坡堤擋浪墻波浪力的新方法有著其獨特優(yōu)勢，因為該方法將斜坡堤護面肩臺的寬度、掩護塊體的種類以及掩護程度等多種因素考慮在內(nèi)，更能反映實際工程狀況，因此該方法也被國際上諸多學(xué)者所推崇。

琚烈紅[12]在2004年通過物理模型試驗展開了入射波浪對擋浪墻迎浪面作用波浪力的探究，研究發(fā)現(xiàn)，直立式擋浪墻在入射波浪作用下產(chǎn)生的壓強沿擋浪墻迎浪面并不是均勻分布的，擋浪墻迎浪面受到入射波浪的沖擊作用，在靜水位附近壓強達到極大值，在靜水位以上波浪壓強會沿著擋浪墻高度的增加而迅速減小。

3 擋浪墻結(jié)構(gòu)設(shè)計對波浪力產(chǎn)生的影響

2004年，楊洪旗、柳玉良等人[13]采用斷面物理模型試驗，通過對斜坡堤肩寬進行調(diào)整，以此來探究肩寬的變化對斜坡堤擋浪墻所受波浪力的影響規(guī)律，他們對實驗數(shù)據(jù)進行了整理與分析并繪制了波壓力分布圖和擋浪墻波壓力P與肩寬B的關(guān)系曲線，結(jié)果表明：擋浪墻受到的波浪力隨著肩寬的增大而減小。并且從關(guān)系曲線中還發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)加大肩寬就可以大大減小防浪墻的波浪力。因此，斜坡堤肩寬的大小對擋浪墻上的波浪力影響甚大。

2013年，王海峰等人[14]結(jié)合工程實例，將入射波浪作用于弧形防浪墻上產(chǎn)生的波浪力與現(xiàn)行規(guī)范中波浪作用于直立式擋浪墻上計算得到的波浪力進行了對比分析，結(jié)果表明：擋浪墻由于其特殊的弧形結(jié)構(gòu)的存在，使得作用到擋浪墻表面的水平波浪力和浮托力都有較大增加，并且遠遠超出了規(guī)范計算值，但擋浪墻上的弧形結(jié)構(gòu)能夠有效的防止越浪的發(fā)生，其在防波堤工程中的應(yīng)用也比較廣泛。因此，在設(shè)計有弧形擋浪墻的斜坡堤工程中，可以考慮在規(guī)范計算基礎(chǔ)上增加一定的安全系數(shù)，這樣更有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，迫切需要港口的進一步開發(fā)和建設(shè)，然而斜坡堤擋浪墻受到的波浪力較為復(fù)雜，波浪破碎形態(tài)、不同擋浪墻結(jié)構(gòu)設(shè)計、肩臺寬度以及不同的掩護程度對擋浪墻所受到的實際波浪力都存在很大影響，《海港水文規(guī)范中》關(guān)于斜坡堤擋浪墻所受波浪力的計算方法在實際工程運用中有待進一步研究。當(dāng)實際工程中防波堤擋浪墻的結(jié)構(gòu)形式及掩護方式與規(guī)范存在較大差異時，有必要通過物理模型試驗加以驗證，以確保工程的安全運行。

[1] 王美茹.深水防波堤設(shè)計方法初探[J].港工技術(shù)，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] 康海貴，孫英偉.近破波對直立建筑物的作用力及沖擊流場研究[J].水運工程，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] 合田良實.港工建筑物的防浪設(shè)計[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，海港水文規(guī)范[S].

[12] 琚烈紅.典型擋浪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(xué)研究院，2004.

[13] 楊洪旗，柳玉良，陳兆林.斜坡堤擋浪墻波壓力的試驗與分析[J].海岸工程，2004(4):1-6.

[14] 王海峰，柳玉良，夏運強.有護面塊體掩護的斜坡堤弧形擋浪墻波壓力研究[J].水運工程，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

潘興凱(1992- )，男，在讀碩士; 陳 丁(1992- )，男，在讀碩士

桂勁松(1968- )，男，博士，教授

TV139.2

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