郄祿文，陶佳驥，夏乾（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定071002）

削角沉箱防波堤波浪力特性實驗分析

郄祿文，陶佳驥，夏乾
（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定071002）

通過物理模型試驗，分析作用在削角沉箱防波堤上水平波浪力、斜面豎向力以及堤底浮托力時程曲線。通過比較沖擊波浪力的作用時間范圍與峰值，得到防波堤沖擊波浪力與沖擊時間隨上部胸墻的削角值、波浪周期、堤前水深、基床高度等主要影響因素的變化規(guī)律，獲得了波浪力的相對作用時間與各影響因素的關(guān)系，建議不規(guī)則波作用下削角沉箱防波堤上的總水平力峰值和浮托力峰值可以在規(guī)則波波浪力峰值的基礎(chǔ)上乘以一系數(shù)來計算。

削角沉箱防波堤；物理模型實驗；波浪力特性；時程曲線

0 引言

防波堤是海港工程的重要組成部分，建造費用十分昂貴，有時可占港口工程總投資的一半左右；且防波堤一旦發(fā)生破壞，后果嚴重，因此防波堤的合理設(shè)計已成為急需解決的重要課題。

直立沉箱防波堤是建立最早、使用最廣泛、研究最深入的防波堤。日本合田良實[1]提出適用于立波和破浪波的直立堤波浪力計算公式，已被許多國家應(yīng)用。在直立堤基礎(chǔ)上發(fā)展出削角沉箱防波堤，結(jié)構(gòu)特征是上部胸墻靠海側(cè)為與水平面成銳角（如30°，45°等）的傾斜面，不僅可以有效降低水平波浪力，斜面上產(chǎn)生的向下波浪力也有利于防波堤的整體穩(wěn)定。削角沉箱防波堤具有結(jié)構(gòu)簡單、胸墻受力性能好、穩(wěn)定性好、造價低等特點。憑借其良好的外觀、優(yōu)越的力學(xué)特性，削角沉箱防波堤被視為深水海域較好的新型防波堤形式，近年來在國內(nèi)外防波堤工程建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用。最早的削角沉箱防波堤是1906年建成于意大利的那不列斯（Naples）港。20世紀60年代丹麥漢斯霍爾姆（Hanstholm）港建造了削角沉箱防波堤，之后削角沉箱防波堤在我國的大陸、臺灣，利比亞以及日本的新澙（Niigata）、宮崎（Miyazaki）的深水海域相繼建成。日本那霸（Naha）港建成了削角直立堤前布置消浪塊體的混合式防波堤。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對削角直立堤進行了研究，斜面上產(chǎn)生的向下波浪力有利于防波堤的整體穩(wěn)定，同時在相同潮位、波浪、堤頂高程的情況下，其越浪量比直立堤略大。對此，日本港灣技術(shù)研究所Takahashi等[2]對削角直立防波堤上波浪力進行試驗研究，得出計算削角直立防波堤上波浪力的經(jīng)驗公式——合田良實修正公式，但他們采用的削角角度為45°和56°，與我國常用的削角直立堤的削角角度（約30°～45°）相差較大。我國學(xué)者鐘聲揚等[3]提出削角直立堤的波浪力計算簡單方法，康海貴等[4]分析了削角沉箱防波堤上不規(guī)則波浪力的概率特征，李景輝等[5]針對削角直立堤斷面穩(wěn)定性及波浪力進行了試驗研究?；谖锢砟Ｐ蛯嶒?，謝世楞[6]、蔣學(xué)煉[7]、郄祿文[8]等針對30°和45°削角直立防波堤在不同水深下波浪力分布和防波堤抗滑移、抗傾覆的可靠性做了一定的理論研究。

本文通過物理模型波浪試驗，采集波浪力作用下削角防波堤波浪壓力值，分析作用在防波堤上水平波浪力、斜面豎向力以及堤底浮托力時程曲線。針對各個時程曲線，比較沖擊波浪力的作用時間范圍與峰值，得到防波堤沖擊波浪力與沖擊時間隨上部胸墻的削角值、波浪周期、堤前水深、基床高度等主要影響因素的變化規(guī)律，對這種新型防波堤波浪力的動力特性進行探討，可為設(shè)計提供試驗資料，并為進一步開展研究提供理論依據(jù)。

1 物理模型試驗

為測定破碎波浪作用下不同工況削角沉箱防波堤堤體上的總水平波浪力、斜面豎向力和堤底浮托力時程曲線，設(shè)計了多工況物理模型實驗。

模型試驗水槽長92 m、寬4 m、高1.8 m，沿水槽寬度分隔成三部分（寬度分別為1 m、2 m和1 m）。模型置于其中1 m寬的部分，以減弱波浪反射的影響。生波采用大型不規(guī)則波造波機，該系統(tǒng)由液壓驅(qū)動裝置、控制臺及計算機構(gòu)成，根據(jù)試驗要求，可產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。借助計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用波高、波速、波壓力傳感器記錄波浪對防波堤作用的荷載數(shù)據(jù)。

試驗采用30°、45°兩種削角角度的沉箱防波堤進行不規(guī)則波與規(guī)則波同步壓力實驗。模型按重力相似準則設(shè)計，幾何比尺1∶36。為研究堤上波浪力的分布特性，在各個模型的胸墻、沉箱和底板上沿周邊方向均勻布置25個小型壓力傳感器測點，同步采集25個點的壓力變化（見圖1）。

作用在斜面胸墻沉箱防波堤上的波浪選用規(guī)則波和不規(guī)則隨機波，試驗波譜采用JONSWAP譜[9]（聯(lián)合北海波浪計劃譜），其譜函數(shù)為：

圖1 削角直立堤A斷面（削角30°和45°）測點布置圖Fig.1 The sensor placements of test section A(chamfered 30°&45°)

表1 波浪要素Table1 The wave parameters

按照中、低明基床不同工況進行4種斷面波浪實驗（見表2）。各工況均以0.02 s間隔連續(xù)采集130個波作用下削角堤斷面上各點波浪壓力，試驗重復(fù)4次，取各點壓力過程平均值。4種工況中進行了9組不規(guī)則波試驗及波高H1%=10 m，平均周期T=11 s、13 s和15 s的規(guī)則波試驗。

表2 削角沉箱防波堤斷面尺度Table2 The section dimensions ofchamfered caisson breakwater

2 防波堤波浪力分析

本研究只針對迎浪面防波堤堤身波浪力動力特性進行分析，采集所有測點波浪壓力的數(shù)據(jù)，利用上跨零點法對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

作用在削角斜面胸墻上各點的波浪力可分解為水平分量和垂直分量[9]，見圖2，由削角斜面上測點波壓強度積分得到削角斜面上法向波浪力P2，分解后得到水平波浪力P2H和垂直波浪力P2V：

式中：P2為削角斜面上的波浪力；θ為削角斜面的坡角。

圖2 削角直立堤堤身受力示意圖Fig.2 The component diagram ofwave force on breakwater

水平波浪力分量P2H與直立部分上面的水平波浪力P1合成為削角直立堤的總水平波浪力PH，即PH=P1+P2H。P2V構(gòu)成削角斜面上波浪作用向下的垂向力PV，底面各點壓力（向上）構(gòu)成浮托力PU。

2.1 規(guī)則波浪力時程曲線

在規(guī)則波作用下，計算得出30°、45°削角沉箱防波堤斷面各瞬時刻承受總水平力PH、斜面垂向力PV和沉箱底板浮托力PU。由于削角斜面上波浪力的垂直分量將有利于堤身的穩(wěn)定，對穩(wěn)定有利，本次試驗不做考慮，只針對總水平波浪力與堤底浮托力作出一個周期內(nèi)的各個時程曲線對比圖，以斷面A為例，如圖3、圖4所示。

圖3 T=11 s時波浪力時程曲線（30°削角）Fig.3 The time-history curve of wave force (T=11 s,chamfered 30°)

圖4 T=13 s時波浪力時程曲線（45°削角）Fig.4 The time-history curve of wave force (T=13 s,chamfered 45°)

2.2 不規(guī)則波浪力時程曲線

為了獲得不規(guī)則波與規(guī)則波波浪力的相互關(guān)系，在本次試驗中選取3種斷面分別在周期T=

11 s時的規(guī)則波與不規(guī)則波浪力時程曲線對比圖如圖5、圖6（以斷面B為例）。

圖5 水平力時程曲線（30°削角）Fig.5 The time-history curve of horizontalwave force (chamfered 30°)

圖6 水平力時程曲線（45°削角）Fig.6 The time-history curve of horizontalwave force (chamfered 45°)

2.3 波浪力和作用時間與各影響因素的關(guān)系

波浪作用過程中削角沉箱防波堤各點的波壓力在不斷變化，形成的合力也隨之改變，設(shè)計計算的控制條件為合成的最大波浪力。由實驗測點壓力計算出水平力與浮托力的作用時間及峰值等周期特性見表3、表4。

表3 削角堤水平波浪力周期特性Table3 The periodicalcharacters of PHon breakwater

續(xù)表3

表4 削角堤浮托力周期特性Table4 The periodicalcharacters of PUon breakwater

由表中結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于波高一定的前提下，在防波堤胸墻削角角度、工況一定的情況下，總水平波浪力和堤底浮托力隨著波浪周期的增大而增大，堤底浮托力的相對作用時間都隨著周期的增大而減?。辉诓ɡ酥芷?、工況一定的情況下，總水平波浪力隨著胸墻削角角度的增加略有增加。

2.4 不規(guī)則波與規(guī)則波的波浪力相互關(guān)系

本次試驗中選取斜面胸墻30°和45°在斷面B、斷面C，周期T=11 s時的波浪力數(shù)據(jù)為例，探求不規(guī)則波與規(guī)則波的波浪力峰值相互關(guān)系，防波堤總水平波浪力和浮托力時程曲線的波浪力峰值及其比值，即不定系數(shù)，列于表5。

表5 削角堤波浪力峰值不定系數(shù)Table5 The uncertainty coefficients of maximum wave force(chamfered 30°)

在相同工況下，不規(guī)則波的水平波浪力與浮托力均比規(guī)則波的波浪力大。當基床高度與堤前水深一定時，不定系數(shù)隨著削角角度的增大也在增大；當斜面削角角度一定時，不定系數(shù)隨著基床高度與堤前水深的增大而增大?？紤]不定系數(shù)變量的隨機特性，建議不規(guī)則波作用下的波浪力峰值可以在規(guī)則波波浪力的基礎(chǔ)上乘以一個系數(shù)，水平力系數(shù)為2.66，浮托力系數(shù)為2.50。

3 結(jié)語

本文基于物理模型試驗對削角沉箱防波堤波浪力的動力特性進行了多工況的研究。通過物理模型實驗，得到了削角沉箱防波堤水平波浪力、斜面豎向力以及堤底浮托力的時程曲線。

在同一波高條件下，分析了削角沉箱防波堤波浪力與各影響因素的關(guān)系，總水平波浪力和堤底浮托力都隨著周期的增大而增大，并且總水平波浪力隨著胸墻削角角度的增加也略有增大?？偹讲ɡ肆偷痰赘⊥辛Φ南鄬ψ饔脮r間都隨著周期的增大而減??；但胸墻削角角度、堤前水深與基床高度對總水平波浪力和堤底浮托力的相對作用時間影響不明顯。

建議不規(guī)則波作用下削角沉箱防波堤上的總水平力峰值和浮托力峰值可以在規(guī)則波波浪力峰值的基礎(chǔ)上乘以一系數(shù)來計算，水平力系數(shù)建議值為2.66，浮托力系數(shù)建議值為2.50。

[1]GODAY.New wave pressure formula for composite breakwaters[C]// Proc.14th coastalengineering conf.,1974:1 702-1 720.

[2]TAKAHASHI S,HOSOYAMADA T,YAMAMOTO S.Hydraulic characteristics of a sloping top caisson-wave forces acting on the sloping top caisson[C]//Internationalconference on hydro-technical engineering for port and harbor construction.Japan:HYDROPORT′94,1994.

[3]鐘聲揚，葛志謹，顧汝森，等.削角直立堤的波壓力計算[J].水利水運科技情報，1976（3）：24-48. ZHONG Sheng-yang,GE Zhi-jin,GU Ru-sen,et al.The calculation ofwave force on chamfered vertical breakwater[J].Water Conservancy and Transportation Science and Technology Information, 1976(3):24-48.

[4]康海貴，李木國，俞聿修.削角直立式防波堤上不規(guī)則波浪力的概率特征[J].海岸工程，1989，8（1）：8-16. KANG Hai-gui,LIMu-guo,YU Yu-xiu.The probability characteristics of the irregular wave force on a vertical breakwater with chamfered superstructure[J].Coastal Engineering,1989,8(1):8-16.

[5]李景輝，張文忠，楊憲章，等.削角直立堤斷面穩(wěn)定性及波浪力分析試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2012（2）：31-34. LIJing-hui,ZHANG Wen-zhong,YANG Xian-zhang,etal.Experimentalresearch on sectional stability of chamfered vertical breakwater and analysis of wave force[J].China Harbour Engineering, 2012(2):31-34.

[6]謝世楞.波浪與海工建筑物的相互作用[M]//海岸工程.北京：海洋出版社，2002. XIE Shi-leng.The interaction between wave and marine structure [M]//coastalengineering.Beijing:Maritime Press,2002.

[7]JIANG Xue-lian,WU Mi-ling,LIYan-bao.Study on the flow field around vertical breakwater under different overtopping conditions based on numericalsimulation[J].China Ocean Engineering,2010, 24(4):641-651.

[8]郄祿文，佟德勝，郭科.削角直立式防波堤波浪力的試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2005（3）：24-26. QIE Lu-wen,TONG De-sheng,GUO Ke.The experimental study of wave force on chamfered caisson breakwater[J].China Harbour Engineering,2005(3):24-26.

[9]俞聿修.隨機波浪及其工程應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2000. YU Yu-xiu,Random wave and its engineering application[M]. Dalian:Dalian University of Technology Press,2000.

Experimental study on wave force characteristics of chamfered caisson breakwater

QIE Lu-wen,TAO Jia-ji,XIA Qian
（College ofCivil Engineering&Architecture,Hebei University,Baoding,Hebei071002,China）

Based on physical model test,we analyzed the time-history curves of wave force components,i.e.horizontal wave force,verticalwave force and upliftwave force,acting on chamfered caisson breakwaters.Comparing the acting time ranges and crest values of wave forces in different cases,we obtained the dynamic variation phenomena with respect to main influence factors,such as the chamfered angle,wave period,water depth before breakwater,bedding heights and so on,and got the relationship between wave acting time ranges and influence factors.The modify factor was proposed to calculate the irregular wave forces on chamfered caisson breakwater by thatofregular ones.

chamfered caisson breakwater;physical model test;wave force characteristic;time-history curve

U656.111；P731.22

A

2095-7874（2015）12-0016-05

10.7640/zggwjs201512004

2015-07-28

2015-08-24

國家自然科學(xué)基金資助項目（61374184）

郄祿文（1966—），男，河北阜平人，教授，博士，主要從事波浪與建筑物相互作用方向研究。E-mail：qieluwen@hbu.edu.cn