組合式拋石防波堤港外波高分布試驗研究

陳汨梨，嚴(yán)士常，楊越，張海明，陶愛峰*，潘志剛

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024；3.中國港灣西部非洲區(qū)域公司，科特迪瓦 阿比讓 06BP6687）

多孔結(jié)構(gòu)物在耗散波浪能量方面效果明顯，拋石防波堤透空孔隙對水波傳播產(chǎn)生重要影響，從而引起研究者和工程設(shè)計人員的重視。更重要的是，當(dāng)波浪與防波堤相互作用時，波浪在傳播過程中會發(fā)生反射、繞射、透射、折射等復(fù)雜的變形現(xiàn)象。波浪直接影響港域水動力環(huán)境，決定著港口建筑物的安全。在防波堤影響范圍內(nèi)，波浪變形的主導(dǎo)因素會因位置不同而發(fā)生變化。因此，在港口工程規(guī)劃設(shè)計中，必須充分考慮波高的分布規(guī)律。

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對防波堤物理模型開展模擬試驗。Andersen 等[1]通過三維物理模型試驗研究了波浪傳播方向?qū)伿啦ǖ淘嚼说挠绊?。Metallinos 等[2]通過在港池中的物模試驗，擴展了boussinesq 模型，以預(yù)測透水性拋石防波堤內(nèi)部水動力問題。Mares 等[3]在港池試驗中測量拋石防波堤在斜向波浪沖擊下的波浪荷載。李江峰等[4]通過物模試驗，研究了某島礁附近特殊海域波浪特性。楊婷等[5]開展港池試驗，探討了科倫坡港口城潛堤的優(yōu)化長度。高峰等[6]采用不同波向及重現(xiàn)期波浪作用，對印尼KARANG TARAJE 港防波堤進行了三維穩(wěn)定性與越浪量測試。陳春升等[7]通過波浪整體物理模型試驗，科學(xué)地論證港口整體布置合理性，修改方案滿足碼頭泊穩(wěn)條件。這些港池試驗都是為探究單一拋石防波堤在某些因素影響下的波浪變形情況，且研究多關(guān)注于堤身、堤前或堤后。目前，鮮有涉及組合式拋石防波堤周圍水動力環(huán)境的研究，但其對海港防波堤工程設(shè)計具有重要意義。張海明等[8]對某組合式拋石防波堤進行物模試驗，分析拋石防波堤港域內(nèi)波高分布特性。在此，本文研究組合式拋石防波堤港外波高分布，可為未來防波堤規(guī)劃建設(shè)提供參考。

1 模型建立

本次試驗是關(guān)于某港口防波堤穩(wěn)定性三維物理模型試驗，在波-流動床渾水港池內(nèi)進行，港池長70 m，寬40 m，深1.5 m，最大試驗水深1.0 m，配備34 m×56 m 的L 形造波機。港池周邊布置有多層消浪柵，用以減少波浪反射。按照防波堤布置圖紙，采用1∶39.5 的長度比尺，在港池內(nèi)修建地形以反映真實水深情況。如圖1 所示，港池內(nèi)地形等深線從-17.5 m 變化到-9.0 m，模型中的地形從-19 m 等深線開始模擬，并延伸至港池末端。地形制作采用斷面板法，允許誤差±1 mm。

圖1 組合式拋石防波堤平面布置Fig.1 Layout of a composite rubble mound breakwaters

2 波浪條件

多向不規(guī)則波采用頻譜為JONSWAP 譜，其中，控制JONSWAP 譜峰尖度的峰升因子γ=3.0。多向不規(guī)則波方向譜函數(shù)S（f，β）可表示為頻譜S（f）和方向分布函數(shù)G（f，β）的乘積：

式中：f、β分別為頻率、角度參量；A為方向分布函數(shù)系數(shù)；n為方向分布參數(shù)，n越小代表波浪能量的方向分布寬度越寬，波浪多向性越強；θ為隨機波浪的方向；θ0為入射波浪的主方向。本次試驗n取4，對應(yīng)的方向分布角度為19°，即|θ-θ0|max=19°。

本試驗?zāi)康氖悄M防波堤抵御各種真實海洋狀況來分析防波堤的穩(wěn)定性。根據(jù)特定海域發(fā)生極端波況的記錄，原定試驗方案中共設(shè)置16 組波浪條件，每組波浪條件模擬2 次。依托原定試驗方案從中選取6 組波浪條件進行研究，所以，每組波浪條件只有2 次重復(fù)試驗數(shù)據(jù)。試驗采用LG1 型電容式波高儀和DJ800 型多功能監(jiān)測系統(tǒng)采集測點的波高數(shù)據(jù)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，這2 組數(shù)據(jù)的波高相差不大，因此，取這2 組數(shù)據(jù)的均值作為該組波浪條件的有效值。6 組波浪條件的率定測點為1 號～6 號，如圖1 所示，主要分析1 號～4 號測點波高，將其作為率定6 組波浪條件的依據(jù)。

本文主要研究了由2 道圓形堤頭拋石防波堤所組成的港池外部區(qū)域P1～P5 測點在6 組波況的波高分布特性特征。測點波高見表1。

如表1 所示，試驗設(shè)置6 組波浪條件，均采用多向不規(guī)則波。為探究不同水深h和不同波周期TP對港外區(qū)域波高的影響，試驗中保證6 組波浪條件的有效波高Hm0和波向Dir保持不變，統(tǒng)一設(shè)置為Hm0=3.03 m，Dir=170°N。170°N 指的是海圖方位角，正北向為0°N，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，正東向為90°N，正南向為180°N，正西向為270°N。

表1 6 組波浪條件下P1～P5 測點波高Table 1 Wave heights of P1～P5 under six groups of wave conditions

3 試驗結(jié)果與分析

在不發(fā)生越浪情況下，統(tǒng)計匯總P1～P5 測點的波高數(shù)據(jù)，如表1 所示。P1～P5 測點分布在港外區(qū)域不同位置，在6 組波況下表現(xiàn)出不同的波高分布特性。

P1 位于兩道防波堤的交匯處。No.1、No.2、和No.4 中P1 波高變化幅度較小，而No.3、No.5和No.6 中P1 波高變化幅度較大。整體分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 時，P1 波高基本呈現(xiàn)隨著波周期TP增大而增大。波周期TP相同時，較淺的水深（h=14.8 m）對P1 波高增大影響明顯。

P2 位于主防波堤正前方。No.1～No.6 中P2 波高變化幅度很大，P2 波高會呈現(xiàn)出極端增大和減小情況。No.1 中P2 波高增大1 倍，而No.3 和No.6中P2 波高減小明顯。整體分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 時，P2 波高基本呈現(xiàn)隨著波周期TP增大而減小。在波周期TP相同時，水深h=17.1 m 或14.8 m 對P2 波高變化影響均較大。

P3 位于主防波堤前方一定距離處。No.1～No.6中P3 波高增幅均較大，No.3 和No.6 中P3 波高增大明顯。整體分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 時，P3 波高基本呈現(xiàn)隨波周期TP的增大而增大。在波周期TP相同時，較淺的水深（h=14.8 m）對P3 波高影響較大。

P4 位于口門處。No.1～No.6 中P4 波高雖有一定變幅，但P4 波高基本呈現(xiàn)減小趨勢。整體分析No.1～No.6，水深h=17.1 m 或14.8 m 時，TP=16 s對P4 波高減小影響明顯。

P5 位于口門一定距離處。No.1～No.6 中P5 波高變化幅度均較小。整體分析No.1～No.6，P5 波高隨水深h和波周期TP變化基本呈現(xiàn)微小變動。

4 結(jié)語

當(dāng)波浪正向作用于主防波堤時，由于入射波與反射波在堤前疊加的位置會隨波周期和水深變化而不同，所以最大波高位置會隨之變化，且短波作用下危險區(qū)域會靠近主堤，而長波作用下危險區(qū)域在主堤前方遠(yuǎn)端處，P2 和P3 受到入反射波疊加影響而容易成為危險位置；當(dāng)波浪斜向作用于主防波堤圓形堤頭時，波浪基本無反射，且因繞射作用而耗散波浪能量，P4 和P5 波高變化幅度最小且相對穩(wěn)定；當(dāng)波浪作用于2 個防波堤交匯處時，由于波浪發(fā)生反射、折射、透射、破碎等復(fù)雜變形作用下而耗散能量，P1 波高變化不大。