波浪斜向入射角对单向不规则波爬高的影响.doc

精品论文波浪斜向入射角对单向不规则波爬高的影响陈佳 河海大学交通学院、海洋学院，南京（210098） E-mail: jia@摘 要：不规则波波浪爬高的影响因素十分复杂，由于研究手段和方法的差异，国内外不同学者研究所得到的波浪爬高的计算方法也不尽相同，并且已有的研究成果大多数针对的是正 向入射波的情况，而对于波浪斜向入射情况的研究成果还是较少，但是，在大自然中斜向入射波现象较之波浪正向入射更为普遍，所以进行斜向波情况下的波浪爬高研究很有必要性本文在分析和总结前人斜向入射波波浪爬高的试验成果的基础上，通过三维波浪物理港池模 型试验研究了海堤上不规则波浪爬高，探讨了不规则波浪入射角度对不规则波浪爬高的影响规律，采用折减系数表示入射角度的影响，并分析折减系数随波浪入射角度变化规律及原因 1 -试验资料表明，该折减系数变化基本符合陈国平提出的 K β与该规律有着良好的一致性关键词：不规则波；波浪爬高；波浪入射角；折减系数1. 引言= cos0.5 β 的变化规律，试验值海堤护岸设计中，确定经济合理的堤顶高程至关重要，波浪爬高在斜坡堤设计中是一个很关键的参数，它直接影响堤高的大小；而堤身工程量系正比于堤高的平方，所以爬高对工 程量的影响极大，影响到工程的安全和投资[1]。

影响波浪爬高的因素很多，主要包括入射波 要素、入射波作用方向、风速、堤前水深、堤体结构型式及堤坡坡度等因素国内外的学者 对波浪爬高已经作了很多研究，并获得了很多成果斜坡堤断面的设计和试验一般基于波浪正向打击的情况，日前计算爬高方法中较为常见 的有《堤防工程设计规范》中推荐的公式、《海港水文规范》中 推荐的公式、莆田公式、北京水科院水调所推荐的公式、原苏联公式、钟可夫斯基公式、史 蒂文生计算公式、Hunf 公式等这些计算方法主要是针对正向来波，对斜向波特别是斜向 不规则波的研究成果较少规范方法考虑斜向作用主要是日本的合田方法国内外学者针对斜向波进行相关研究，并提出波浪入射角折减系数 K β ：K β =( R2% ) β( R2% )0主要成果来自于：英国水力试验站（HRS，1980）、日本（针对 1：2 斜坡所做试验）J.W.Van der meer [3]（荷兰）、陈国平[2]（南京水利科学研究院、河海大学） 由于波浪与建筑物相互作用的复杂性，各家所的结果不尽相同，并且过去的研究工作大多只限于波浪正向入射的情况，对于斜向波爬高的研究相对较少，因此本文对斜坡上的斜向 不规则波的爬高进行了比较系统的试验研究。

2. 模型试验2.1 试验原理影响波浪爬高的因素繁多，包括自然因素：堤前入射波要素，入射波的方向，风速；堤 坝工程的影响：即堤坡坡度，堤坡型式，堤面特性，堤前条件等本试验在深水条件下，采 用光滑不透水单坡，堤前为水平底坡，不考虑风速影响在此基础上，影响波浪爬高的主要因素可表示为（不规则波）：对上式进行量纲分析，可得：R = f ( H s ,TP , m,θ ,LL)R gT 2= f (m, ,θ )H H s2.2 试验设备试验在河海大学江宁校区水资源试验大厅的港池中进行港池长 30m，宽 18m试验 平面布置见图 1，港池的一端为多向不规则造波机，水池的另一端建有消能缓坡，侧壁设置 网孔塑料消浪栅消除结构物的横向反射的影响，造波信号由计算机自动控制，另一端布置消 浪缓坡为了避免波浪二次反射以及堤头绕射的影响，按照《波浪模型试验规程》的要求， 综合考虑试验波浪要素等因素，取试验模型长度为 5.0 米，波高数据使用电容式波高采集仪 采集控制，使用多功能采集系统，在模型上三等分置放测点，主要采用中间爬高仪的数据， 此处的波浪很少受到模型两端波浪绕射的影响，能较好地代表工程实际情况，模型距推波板 距离约 20m,。

每组试验重复三次，取均值以减少试验误差，确保结果的可靠性图 1 试验的平面布置2.3 试验参数确定试验中所采用的波谱为 JONSWAP 谱：4⎡ (ω − ω2)2 ⎤ωS (ω ) =α g 2exp⎡ ⎛ ω p ⎞ω⎢ − 1 . 25 ⎜ ⎟⎤ exp⎥ γ⎢ −⎣⎢ 2 σp ⎥⎦2 ω p ⎥5 ⎜ ⎟⎝ ⎠式中 α ～无因次常数γ ～谱峰升高因子，取 3.30.07− − − ω ≤ ω pα = ⎨0.09 − − − ω > ω pω p ～谱峰频率表 1 波谱特征量率定值目标值试验值堤前水深(cm)波高 HS (cm)周期 T(s)堤前水深 d(cm)波高 HS (cm)周期 T(s)508．001.00508.061.021.508.461.502.008.242，016．001.506.121.4912．001.5012.581.48408．001.00408.231.031.508.391.502.008.201.996．001.506.301.4812．001.5012.861.46从表 1 中可以看出，试验值和目标值间的误差很小，符合试验要求。

图 2 实测谱图与目标谱图的比较由图 2 可知波谱特征量率定实测谱图与目标谱图吻合较好，符合试验的误差要求 试验中所采用的其他参数如下：坡度：m=0、1.5、3入射角度 β=00，100，200，300，400，500，600，700，800波浪的入射角度 β 如图 3 所示，β 为波浪斜向作用于建筑物时，波峰线与防波堤法线的 交角当正向波作用于建筑物时，即 β=00 的情况3. 试验结果与分析图 3 模型示意图本文用折减系数 K β 表示波浪入射角对波浪爬高的影响用 β 表示波浪的入射角度，K β = (R2% ) β高(R2% ) 0 ，(R2% )β 和 (R2% )0 分别为入射角为 β 和正向入射的情况下的波浪爬图 4 为波浪爬高与折减系数关系曲线，从图中可以看出，波浪入射角度对波浪爬高有较 大的影响当 00 ≤ β < 300 时，波浪入射角对爬高的影响较小，随着入射角 β 的增加，爬高减小并不明显，折减系数 K β 在 0.9 左右当 300 ≤ β ≤ 600 时，波浪入射角对爬高的影响十分显著，随着入射角的增加，波浪爬β高迅速减小，当 β = 600 时，折减系数 K值约为 0.6 左右。

当 β > 600 ，波浪爬高折减系数 K β 随波浪入射角度增加的变化不大，趋于平缓m=1.5,D=50cm,8cm,1.5sKβ 试验数据1.210.80.60.40.200 10 20 30 40 50 60 70 80 90波浪入射角β（°）Kβ1.210.80.60.40.20m=3,D=50cm,8cm,1.5s试验数据0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 波浪入射角β（°）图 4 波浪入射角度的变化与折减系数 K β 的变化关系当波浪斜向传播至建筑物堤脚时，一部分能量因为波浪反射被反射波带走或因为波浪破碎损耗，另一部分继续传播，继续传播的能量亦可分成两部分，一部分随着水体沿斜面上爬 表现为水体势能，另一部分随着顺堤脚前进表现为沿岸流的水体继续向前传播β < 300由合田良实所提出的理论，考虑波向不稳定性，在时 KP 变化不大,所以在反射能量减少的同时,压能变化基本上不大，可以解释当 β < 300 时，随着波浪入射角的增加，爬高减下幅度有限当 300 ≤ β ≤ 600 时，随着波浪入射角的增加，沿斜面上爬的水体能量逐渐减小，爬高逐渐减小，爬高折减系数逐渐减小。

当 β > 600 时，随着波浪入射角的增加，波浪反射和破碎作用减小，继续传播的总能量增加，虽然沿斜面上爬的水体能量在继续传播的总能量中所占的比重减小，但能量值并未明显减小，基本上保持不变，所以，爬高基本上变化不大，爬高折减系数曲线基本上是以水平 线0当波浪斜向入射，波浪要上爬到同一高度，所经过的距离 L 变长，这意味着沿程的波 浪紊动能量损耗也变多从能量守恒角度考虑，当波浪到达堤脚时能量都一样，如果波浪要 上爬到一定高度，在相同条件下，当 β=00 时，波浪要上爬到某一高度，所经过的距离记为 L ，它的紊动能量损耗最少，当波浪入射角为 β 时，波浪要上爬到同一高度，所经过的距离记为Lβ ，可知 Lβ= L0cos(β ) ，随着 β 的增大，波浪上爬路径的也在增长，由于爬行距离增加波浪紊动消耗的能量也增加，那么，依靠能量才能维持波浪上爬的波浪爬高也就随着入射β角度 β 的增大而减小但当 00 ≤ β < 300 时，随着波浪入射角的增加， L 增加并不明显；β当 300 ≤ β ≤ 600 时， L 明显增加4. 数据比较将前人结果绘制成 K β ~ β 曲线并与本文试验数据系列进行比较：试验数据与各家公式、结果比较Kβ 陈国平1.210.80.60.40.200 20 40 60 80 100 波浪入射角β（°）日本J.W.Van der meer试验数据图 5 试验结果与前人研究结果比较图 5 为前人成果绘制成 K β ~ β 曲线并与本文试验数据系列比较图，从图中可知，本文的数据系列和陈国平公式 K β= cos0.5 β 吻合良好，并且K β ≥ 0.6 。

5. 结论通过系列物理模型试验，对不规则波斜向入射下，引起波浪爬高的变化进行了研究并将试验结果与前人主要研究结果进行比较，发现试验结果与陈国平法（ K β= cos0.5 β ）相关0性最好当入射角较小， β < 30时波浪爬高折减系数 K β 基本不变等于 1， β > 30 时，波浪爬高折减系数 K β 随着入射角的变大而减小，β = 600左右，爬高折减系数 K β 大约减β小到 0.6，当 β > 600 时，从工程安全性的角度出发，建议取 K= 0.6 由于波浪爬高的影响因素很多，并且本身波浪的随机性较大，不规则波波浪爬高很复杂 本文尽管比较全面地考虑了波浪入射角度的变化对不规则波波浪爬高的。