不同掩护程度弧形胸墙波压力及越浪量试验研究.docx

          不同掩护程度弧形胸墙波压力及越浪量试验研究                    李玉龙（海军工程设计研究院港湾工程综合试验研究中心，山东青岛266100）：1002-:3682(2010) 02-0017-06摘 要：为了明确斜坡堤弧形胸墙越浪量及波压力的变化规律，采用波浪水槽试验测量了弧形胸墙的越浪量和波压力试验从斜坡堤弧形胸墙前的掩护程度等因素入手对弧形胸墙的返浪效果及波压力进行初步研究，得出不同掩护程度弧形胸墙的越浪量及波压力，发现掩护程度越好，弧形胸墙所受波压力越小；半掩护情况下越浪量最小，为实际工程设计提供了依据关键词：掩护；弧形胸墙；波压力；越浪量U656.3：A在没计海堤、护岸等斜坡式防浪建筑物时，为减小堤身断面、降低造价，通常会在堤顶设置胸墙有关波浪对胸墙作用力及胸墙顶越浪已有很多研究，《海港水文规范》[1]给出了设置有胸墙斜坡堤波浪力和越浪量的计算方法，潘少华[2]进一步提出有消浪块体的斜坡堤胸墙波浪力的计算方法在胸墙的设计中顶标高是重要参数，其应根据越浪量的大小来确定，从20世纪50年代便有学者从不同方面来研究越浪量如Saville，A. Paape及合田良实[3]从波浪条件出发分别研究了在规则波与不规则波情况下斜坡堤的越浪量，并提出了相应的计算公式。

在此之后的数10年间，又有诸多学者(如Owenl[4-6])从不同来波方向及坡面的透水性对越浪量进行探讨；贺朝敖[7]则对带有直立式胸墙的斜坡堤进行了研究；王红等[8]从单坡情况下不同坡度对越浪量的影响人手进行了试验研究；陈国平等[9-10]学者还研究了坡面护面结构形式、胸墙高度及墙趾超高等方面对越浪量的影响；周勤俊、张几山和刘亚男[11-13]则通过数值手段对海堤越浪量进行了研究但上述研究主要针对直立式胸墙的返浪效果展开．而对其他形式胸墙的相关研究并不多目前，国内外实际工程中，以弧形胸墙为代表的新型胸墙得到越来越广泛的应用[14-19]这些研究在针对有胸墙时堤顶的越浪量及胸墙受力计算时，将胸墙简化处理，没有考虑不同胸墙型式对越浪及受力的影响以及它们之间的相互关系为了使弧形胸墙能够更好地在实际工程中得到应用，冈此必须对它的返浪效果进行研究本文在波浪水槽模型试验的基础上，从弧形胸墙前的掩护程度等冈素人手，对弧形胸墙的返浪效果及波压力进行初步研究，得出不同掩护程度弧形胸墙的越浪量及波压力，为实际工程设计提供科学依据l 试验概况1.1试验设备试验在海军工程设计研究院港湾工程综合试验研究中心进行，水槽长81.Om，宽1.4m，高2.6m。

水槽一端安装有低惯量直流电机式不规则造波机，造波机由计算机控制，可模拟正弦波和椭圆余弦波等规则波、国内外常用的频谱（包[]括P-M谱、MPM谱、B谱、J谱、港口水文规范谱）以及自定义频谱，满足各种试验使用要求，可产生波高范围为3～50cm，波周期变化范围为0.5～5.0s水槽另一端安装有消能设施，其反射率小于5%水槽宽度方向上分2格，分别为0.8m和0.6m，宽度0.6m的一格放置模型，另一格用于消能以减小波浪的反射作用1.2试验条件本次试验选取3种不同掩护程度的弧形胸墙来进行，分别称为断面A、断面B和断面C断面A弧形胸墙前没有掩护，断面B前有2排扭王字块体，断面C弧形胸墙平台上有3排扭王字块体，见图l～图3波浪为50年一遇，各个水位采用相同的波要素：H，t为7.2 m，H4%为6.1 m，H5%为5.9 m，H13%为5.0m，H为3.4m，T为8.9s越浪试验采用不规则波，胸墙波压力采用H1%规则波由于坡面的摩阻和前一个波回流的阻碍，波峰表面水体推进速度加快，底部水体推进速度减慢，使得波峰前坡变陡，后坡变坦，波高也稍有增加，在斜坡上继续推进到一定水深，波峰因失去平衡而破碎若胸墙前没有块体掩护，破碎波直接打击胸墙，胸墙波压力将很大，当安放上块体后，波浪在块体上释放一部分能量，使胸墙波压力减小，随着胸墙前掩护程度的改变，能量得到进一步释放，胸墙波压力逐渐减小。

图6和图7列举了弧形胸墙不同掩护型式迎浪面和底面卜水平力和浮托力，纵坐标为波压力，横坐标表示不同的断面，由图可以直观地看出：由于断面A胸墙没有块体掩护，其所受的波浪水平力及浮托力最大，断面C掩护得最好，所受的波浪力最小2 试验结果分析2.1 胸墙所受波浪力试验测了各水位下胸墙迎浪面和底面压强分布，并积分汁算出每延米总水平力Fx和总浮托力Fy当波浪在斜坡上破碎后，沿斜坡冲击胸墙，对胸墙产生作用力波浪作用力在胸墙迎浪面上的大小、分布受胸墙的掩护程度影响而不同圆弧式胸墙的圆弧段受水流冲击，改变水流方向，相对于直立式所受压强较大；圆弧处产生局部冲击压强更大，一般冲击压强最大值就出现在圆弧处（图4和图5）2.2 不同掩护程度胸墙的越浪量试验中测量极端高水位、设计高水位相同波要素条件下的3种掩护程度胸墙的越浪量和最大越浪厚度见表l从表1可以看出，断面B较断面C的越浪厚度大，越浪量反而小，这是由于断面B胸墙后部弧形挡墙直接挡浪，波浪上爬至扭王字块体坡顶后沿弧形挡墙产生上冲并往海侧回返的现象，虽然溅浪高度较大，但越过堤顶流向后坡的水体相对来说并不是很多虽然断面C也有弧形胸墙，但是由于其平台上摆放了3排扭王字块体，顶高程仅比胸墙低0.3m，弧形胸墙基本失去挡浪和将反射波浪导向海侧的双重作用，波浪上爬阻力小，形成了速度高、流态顺畅的越顶水平流，故越浪量反而较断面B大。

3 结 语斜坡堤堤顶弧形胸墙受力较为复杂，护面坡度、护面块体型式、肩台宽度、掩护程度以及波浪爬高破碎情况等因素都对胸墙承受的波浪力有较大影响本文通过物摸试验对斜坡式防波堤不同掩护程度的弧形胸墙的波压力进行分析，绘制波压力分布图和胸墙波压力F与不同掩护程度关系曲线发现：1）掩护程度越好弧形胸墙所受波压力越小；2）堤顶越浪量、最大过水厚与掩护程度并非线性关系，半掩护情况下越浪量最小综上所述，类似的斜坡堤堤顶胸墙受力和堤顶越浪量与过水厚度，可通过物理模型试验来确定参考文献：[1] JTJ213-98海港水文规范[S].北京：人民交通出版社，2004.[2] 潘少华，有消浪块体的斜坡堤胸墙波浪力计算[J]．水运工程，1991，(11)：2-7.[3] 吴苏舒，张玮．引导式弧形胸墙返浪效果研究[J].哈尔滨工程大学学报，2008，29(7)：668-672．[4] ()WEN M W. Design of seawalls allowing for overtopping:N().EX924[R]. WaIIingford:Hydrau-lics Re:,carch Station.1980.[5] ()WEN M W. ()vert.pping of ysea defenccs[C]∥Proceeding()f Intel C´onference on Hydraulic Mod-clling of (´ivil Engineering.[S.1.],1982:37-42.[来自wWw.LW5U.com] [6] ()WEN M W. Effectivcness of recurved wave return wall:N().SR261[R]. Wallingford:HydraulicsResearch Station,l991.[7] 贺朝敖，任佐皋，带胸墙斜坡堤越浪量的试验研究[J].海洋工程，1995，13(2)：62-70.[8] 王红，周家宝，章家昌，单坡堤卜不规则波越浪量估算[J].水利水运科学研究，1996，3：58-6：3．[9] 陈国平，周益人，琚烈红，海堤护面型式对波浪爬高和越浪的影响[J]．水运工程，2005，381(10)：28-30．[10] 俞聿修，防波堤设汁与越浪量[J]．港工技术，1997，2：1-6．[11] 周勤俊，王本龙，兰雅梅，等．海堤越浪的数值模拟[J]．力学季刊，2005，26(4):629-633．[12] 张九山，吴卫，王本龙，等．带异形块体海堤越浪的数值模拟[J]．水动力学研究与进展：A辑，2006,21(5):5721-578.[13] 刘亚男，郭晓宇，王本龙，等，基于RANS方程的海堤越浪数值模拟[J]．水动力学研究与进展：A辑，2007,22(6):682-688.[14] 陈国平，乔树梁，杜金曼．永兴海堤风浪模型试验研究[J]．水利水运科学研究，1999.12(-1):361367．[15]刘子琪，曲淑媛.王振呈．大连大窑湾一期防波堤工程曲线型胸墙防浪效果的试验研究[J]．中国港湾建设，2005，134(1):16-20.[16]琚烈红，斜坡堤胸墙型式合理性试验研究[J].水运工程，2006，388(5)：1-4.[17]张从联，钟伟强，江洧．惠来电厂护岸和灰堤波浪特性试验研究[J].水运工程，2005.377(6)：1-1．[18] 王颖，薛雷平，刘桦．弧形胸墙波浪力的试验研究[J].水道港口，2007，28(2)：81-85.[19]焦颖颖，郭晓字，王本龙，等，规则波中弧形返浪墙的非线性水动力载荷数值模拟[J].水动力学研究与进展：A辑．2007，22(4)：434-441．Experimental Research on Wave Force and Overtopping Discharge of Arc Parapet With Different CoverturesLI Yu-Iong( Hurbour Engineering Experiment and Research Centre ,Nuva/ Enngineering and DesignInstitute, Qingda0 266100, China)Abstract: Wave flume experiment is conducted to determine the variability of the over-topping discharge and wave pressure on a sloping breakwater with an arc parapet. Tostart with the various coverture layouts, the wave return effects and wave pressures arepreliminarily studied in the experiment. It is learnt from the measurements of the over-topping discharges and wave pressures corresponding to the various coventure layoutsthat better coverture will result in less wave pressure on the arc parapet and the overtopping discharge becomes the least in the semi-coverture case. This study might beused as a reference in the engineering and design practice.Key words: coverture; arc parapet; wave pressure; overtopping discharge  -全文完-。