桑高亞，何 波，王 敏，馬小舟

（1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.中遠(yuǎn)海運(yùn)港口有限公司，上海 200080）

引 言

斜坡堤作為海港工程中使用最廣泛的防波堤結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)發(fā)展年代可分為三個階段，分別為拋石斜坡堤，由堤心石、墊層和護(hù)面塊石或塊體組成的斜坡堤和寬肩臺式斜坡堤[1]。寬肩臺式斜坡堤在國內(nèi)自20 世紀(jì)90 年代后期建成第一座后，20 年間雖有所增加但仍然較少，這導(dǎo)致國內(nèi)學(xué)者對其研究僅停留在總結(jié)其特點(diǎn)和探究其穩(wěn)定斷面的層面，較國外的研究不夠深刻。劉子琪等[2]總結(jié)了大連北良糧食中轉(zhuǎn)港寬肩臺式斜坡堤設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究成果；鄭子龍等[3]對青島造船廠寬肩臺式防波堤在不規(guī)則波作用下的斷面演化和動力平衡斷面的形成進(jìn)行了試驗(yàn)研究；繆亞欣[4]以福州港松下港區(qū)防波堤為基礎(chǔ)淺談寬肩臺式斜坡堤的優(yōu)點(diǎn)及其在應(yīng)用中的局限性；劉志遠(yuǎn)等[5]研究并總結(jié)了塊石級配對寬肩臺式斜坡堤形成穩(wěn)定斷面的規(guī)律性影響；李姍等[6]對試驗(yàn)中選用的護(hù)面塊石外形及摩擦系數(shù)與現(xiàn)場的相似度、采用的塊石級配是否合理、描述最終剖面形態(tài)的方法是否恰當(dāng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述；陳謙等[7]針對某一工程將人工塊體護(hù)面斜坡堤與寬肩臺式斜坡堤從穩(wěn)定性及造價等方面進(jìn)行對比分析，得出一定結(jié)論；Alf T?rum 等[8]系統(tǒng)地研究了不同石料密度情況下寬肩臺式斜坡堤的穩(wěn)定性和越浪量，并推導(dǎo)出均質(zhì)堤的退水方程；Mohammad Reza Shekari 等[9]對不規(guī)則波作用下的肩臺變形進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Farzad Milanian等[10]描述了寬肩臺式斜坡堤的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對波浪爬高的影響。相比之下，國內(nèi)學(xué)者的研究成果的工程背景多集中在國內(nèi)，且針對涌浪對寬肩臺式斜坡堤的影響研究在國內(nèi)外均較為有限。因此，對此堤型以國外工程為背景進(jìn)行多方面研究并總結(jié)研究過程中的試驗(yàn)方法可以使國內(nèi)學(xué)者和相關(guān)行業(yè)人員對此堤型的認(rèn)識更加全面，具有重大意義。

本文以某一工程中典型寬肩臺式斜坡堤為研究對象，應(yīng)用三維掃描新技術(shù)和隨機(jī)波浪理論探索涌浪作用下寬肩臺式斜坡堤的穩(wěn)定性、越浪量及其透、反射特征。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以某一典型的寬肩臺式斜坡堤為研究對象，其斷面如圖1 所示。

圖1 寬肩臺式斜坡堤斷面

試驗(yàn)研究內(nèi)容分為三部分，即在正向波浪作用下，寬肩臺式斜坡堤的動態(tài)平衡斷面變形率、越浪量及堤身的反射系數(shù)和透射特征。

涌浪作用下寬肩臺式斜坡堤的試驗(yàn)研究在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的不規(guī)則波流水槽中進(jìn)行。試驗(yàn)水槽長69 m，寬2 m，深1.8 m，在距離造波機(jī)30 m 處水槽分隔為寬1.2 m和0.8 m 的兩個窄水槽，模型布置在0.8 m 窄水槽內(nèi)。水槽一端配備由本實(shí)驗(yàn)室研制生產(chǎn)的吸收式不規(guī)則波造波機(jī)，可模擬生成規(guī)則波和不規(guī)則波，并可有效減小造波機(jī)的二次反射影響，另一端設(shè)置消浪網(wǎng)，亦可有效減小水槽末端的反射對透浪研究的影響。

設(shè)計(jì)加工的模型與原型之間應(yīng)該滿足幾何相似、弗勞德數(shù)相似及斯特勞哈爾數(shù)相似，防波堤護(hù)面塊石和堤心石滿足重力相似條件。綜合考慮試驗(yàn)技術(shù)要求、造波能力和量測精度，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸咴O(shè)為1:25。

寬肩臺式斜坡堤對應(yīng)的斷面模型在水槽中的布置如圖2 所示，其堤腳距造波機(jī)41 m。水槽底部根據(jù)防波堤附近實(shí)測的海底地形進(jìn)行改造，構(gòu)建地形。在堤前布置三根浪高儀，堤后布置兩根浪高儀以測量波面變化情況。用電子攝像機(jī)在透明水槽側(cè)面進(jìn)行錄像，監(jiān)控斷面變化以及波浪爬高和越浪情況。使用安裝在水槽頂部、迎浪側(cè)斜坡上部的KINECT 3D 掃描儀來實(shí)現(xiàn)斷面形狀的三維重建，從而可以精準(zhǔn)繪制防波堤斜坡的形狀以便分析斷面變化。

圖2 寬肩臺式斜坡堤堤身典型斷面模型試驗(yàn)布局

試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，以譜峰升高因子為1的JONSWAP 譜模擬并生成不規(guī)則波。根據(jù)試驗(yàn)波浪要素，由實(shí)驗(yàn)水槽和水池的造波機(jī)產(chǎn)生不規(guī)則波浪，在波浪控制點(diǎn)位置放置浪高儀采集不規(guī)則波的波高和周期數(shù)據(jù)，通過調(diào)整造波參數(shù)，反復(fù)修正，使實(shí)測波浪參數(shù)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)要求的波浪參數(shù)相一致，并且實(shí)測波浪頻譜與要求的理論頻譜吻合，獲得試驗(yàn)波浪造波信號。

試驗(yàn)工況及其對應(yīng)的水深及波浪要素統(tǒng)計(jì)于表1。由幾何比尺可以計(jì)算試驗(yàn)的時間比尺為1:5，則表中試驗(yàn)波浪的原始周期為18 s 和20 s，在真實(shí)海況中屬于涌浪。試驗(yàn)在測量動態(tài)平衡斷面時，不斷改變水深與波浪要素對寬肩臺式斜坡堤進(jìn)行連續(xù)工況測試，工況作用順序如表2 所示，正常工況每次模擬原型2 小時，總作用時間為9 小時。其中工況0 表示選擇高水位下小周期、小波高的波浪條件對斷面進(jìn)行作用，形成初始剖面，時間范圍展示的是原型數(shù)據(jù)。

表1 寬肩臺式斜坡堤斷面試驗(yàn)工況信息

表2 寬肩臺式斜坡堤連續(xù)工況測試順序

越浪量通過集水槽在模型上直接量取，不規(guī)則波接取一個完整波列的總越浪水體作為相應(yīng)歷時的總越浪量，繼而稱重并轉(zhuǎn)化為體積，最后按比尺關(guān)系折算成工程原型單位寬度上的平均越浪量。

堤身前后的波浪要素測量采用DS30 型多通道波高采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電容式傳感器即浪高儀測波，浪高儀量程范圍為60 cm，測量相對誤差小于0.5 %，配備采集分析軟件，可同步測量多點(diǎn)波面過程并統(tǒng)計(jì)波高、周期數(shù)據(jù)。這里需要注意的是，研究堤身在長周期波浪作用下的透浪效果，堤心石的選用既要考慮模型的比尺，還要控制中值粒徑和級配。篩選堤心石使其級配滿足級配表中塊石質(zhì)量數(shù)據(jù)[11]即可計(jì)算堤心石中值粒徑。但由于試驗(yàn)中堤心石體積較小，且堤心中的湍流耗散需要滿足雷諾相似準(zhǔn)則，按照幾何相似和重力相似進(jìn)行模擬試驗(yàn)，會導(dǎo)致出現(xiàn)孔隙率較小，水體耗散偏大，防波堤透浪特性被低估的結(jié)果。因此，本文參考Hughes[12]，采用Le Mehaute[13]和Keulegan[14]兩種方法所得修正系數(shù)的平均值對堤心石的中值粒徑進(jìn)行修正。同時，在模型兩側(cè)設(shè)置阻水條以防止波浪從模型兩側(cè)的縫隙中透過，對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為重復(fù)性試驗(yàn)獲得，平衡斷面試驗(yàn)組合工況重復(fù)三次，越浪量和堤身前后波高測量均進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)。

2.1 動態(tài)平衡斷面測量

KINECT 3D 掃描儀配合Skanect 軟件可進(jìn)行3D 建模來實(shí)現(xiàn)斷面形狀的三維重建。KINECT 3D掃描儀內(nèi)部含有紅外發(fā)射器和攝像頭，它從紅外攝像頭獲取紅外數(shù)據(jù)后，在內(nèi)部進(jìn)行處理[15]，產(chǎn)生深度數(shù)據(jù)保存并傳入Skanect軟件從而重建斷面形狀，其測量范圍為0.5～5 m，測量相對誤差小于1 %。試驗(yàn)在完成堤前斷面穩(wěn)定試驗(yàn)的同時也觀察了堤后穩(wěn)定情況。

此寬肩臺式斜坡堤根據(jù)PIANC（2003）報告[16]建議和計(jì)算方法判斷其斷面形態(tài)為動態(tài)穩(wěn)定斷面。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)寬肩臺式斜坡堤迎浪面護(hù)面塊石發(fā)生變形。斷面掃描位置如圖3（a）中方框所示，初始斷面三維掃描圖像如圖3（b）所示，連續(xù)波況作用后斷面三維掃描圖像如圖3（c）所示。波浪作用前后兩次防波堤掃描剖面對比如圖4 所示，圖中灰色輪廓為理論堤身輪廓，陰影部分為斷面動態(tài)變化范圍，以初始斷面為基準(zhǔn)，可計(jì)算得到斷面動態(tài)變化率為3.4%。

此外，雖然工況1-2 和工況2-2 均有明顯越浪，但試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，波浪越過堤頂后并未直接作用于堤后塊石，而是作用于堤后水面從而消耗水體沖擊力，未發(fā)現(xiàn)堤后塊石失穩(wěn)。

圖3 寬肩臺式斜坡堤斷面波浪作用前后掃描對比

圖4 寬肩臺式斜坡堤斷面波浪作用前后形態(tài)對比

2.2 越浪量試驗(yàn)

采用不規(guī)則波作為入射波，四個工況下的越浪量測量結(jié)果如表3 所示。

表3 寬肩臺式斜坡堤越浪量試驗(yàn)結(jié)果

針對上述越浪量試驗(yàn)結(jié)果，本文參考EurOtop manual[17]提出的越浪量分級來評價越浪量對防波堤的影響作用：

1）q＜0.1 L/(m·s)對胸墻和堤后結(jié)構(gòu)無影響作用；

2）q=1 L/(m·s)堤頂和堤后斜坡表面開始受到越浪的侵蝕作用；

3）q=10 L/(m·s)堤頂可見顯著越浪，堤后斜坡結(jié)構(gòu)受到越浪的侵蝕作用；

4）q=100 L/(m·s)堤身產(chǎn)生透射波，堤后斜坡必須覆蓋護(hù)面塊體。

結(jié)合試驗(yàn)時攝像機(jī)對堤頂和堤后斜坡的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，工況1-1 和工況2-1 的不規(guī)則波作用產(chǎn)生的越浪對堤頂和內(nèi)側(cè)斜坡無侵蝕作用；工況1-2 和工況2-2 的不規(guī)則波作用產(chǎn)生的越浪明顯，堤后塊石存在松動現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果基本滿足上述越浪量分級標(biāo)準(zhǔn)但不完全一致。同時，試驗(yàn)結(jié)果符合PIANC（2003）報告中對寬肩臺式斜坡堤越浪量與波陡關(guān)系的描述，即同一試驗(yàn)條件下波陡越小越浪量越大，堤后更容易破壞。

2.3 透、反射特征

對于堤身的透浪特征，其一為波浪透射系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算以堤后浪高儀測量試驗(yàn)透射波高 Ht，以設(shè)計(jì)波高的理論值作為入射波高 Hi，則透射系數(shù)Kt采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其二為堤后波浪周期的變化，本文以能量譜描述堤后周期變化。堤前反射系數(shù)采用Goda 兩點(diǎn)法計(jì)算，Goda 兩點(diǎn)法將不規(guī)則波視作由若干個不同頻率的規(guī)則波線性疊加，組成波之間以各自的相速度傳播，多次反射后其頻率值不變，先分別計(jì)算出各組成波的入反射波高，再進(jìn)行合成求出平均波高。

不同波況下寬肩臺式斜坡堤斷面試驗(yàn)的波浪透射系數(shù)如表4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在水位、波高及周期變化不大的情況下，寬肩臺式斜坡堤的透射系數(shù)基本一致。水位變化時，試驗(yàn)工況1-1 與工況2-1比較、工況1-2 和工況2-2 比較，波浪作用于寬肩臺式斜坡堤均存在低水位比高水位透射系數(shù)略小的現(xiàn)象，因?yàn)橥瑯硬ǜ吆椭芷诘牟ɡ嗽诘退恢袀鞑ゲ⒆饔糜诘糖皶r，水體越浪量較高水位時小，能量耗散也較小，從而更容易聚集并向外海側(cè)擴(kuò)散造成港內(nèi)側(cè)透射系數(shù)較小的現(xiàn)象。水位不變時，工況1-2 和工況2-2 波浪的波高及周期均比工況1-1 和工況2-1 波浪大，由于波浪的波高和周期均對堤身的透、反射特征有影響，因此采用波陡來描述透、反射系數(shù)的變化規(guī)律。定義入射波波高為h，波長為L，則h/L 為波陡。寬肩臺式斜坡堤的透、反射特征類似于拋石防波堤，堤身的透射系數(shù)隨波陡增大而增大，反射系數(shù)隨波陡增大而減小，則此寬肩臺式斜坡堤的試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足一般規(guī)律，且透浪系數(shù)較小利于港內(nèi)船舶作業(yè)。

表4 寬肩臺式斜坡堤斷面試驗(yàn)波浪透射系數(shù)

對于寬肩臺式斜坡堤的堤后透浪特征，試驗(yàn)同步分析了堤后透射波浪的周期規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果以（指數(shù)坐標(biāo)）能量譜圖的形式呈現(xiàn)，如圖6 所示。可以看出，此寬肩臺式斜坡堤堤后的透射波浪其頻率主要集中在原譜峰頻率附近，高頻成分即短周期波在透射波浪中占比較低，透射波浪基本為長周期波。

圖5 寬肩臺式斜坡堤入射波與透射波能量譜對比

不同波況下寬肩臺式斜坡堤斷面試驗(yàn)的波浪反射系數(shù)如表5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在水位、波高及周期變化不大的情況下，寬肩臺式斜坡堤的反射系數(shù)基本一致。水位變化時，試驗(yàn)工況1-1 與工況2-1比較、工況1-2 和工況2-2 比較，波浪作用于寬肩臺式斜坡堤均存在低水位比高水位反射系數(shù)略大的現(xiàn)象，其規(guī)律與透射系數(shù)規(guī)律相互印證。水位不變時，此寬肩臺式斜坡堤堤身反射系數(shù)隨波陡的變化規(guī)律與透射系數(shù)隨波陡的變化規(guī)律相互印證，滿足一般規(guī)律。

表5 寬肩臺式斜坡堤斷面試驗(yàn)波浪反射系數(shù)

3 結(jié) 語

1）此寬肩臺式斜坡堤在設(shè)計(jì)波浪作用下堤前發(fā)生變形，符合PIANC（2003）報告中寬肩臺式斜坡堤特殊的動態(tài)平衡斷面的標(biāo)準(zhǔn)和要求，但動態(tài)平衡斷面變形率僅為3.4 %。

2）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工況1-2 和工況2-2 波浪的堤頂越浪量均大于10 L/(m·s)，但堤后塊石僅發(fā)生少量滾動，堤后結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變或失穩(wěn)，這種現(xiàn)象基本但不完全符合EurOtop manual提出的越浪量對防波堤影響作用的分級標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究。同時，試驗(yàn)結(jié)果與PIANC（2003）報告中波陡越小越浪量越大，堤后更容易破壞的結(jié)論一致。

3）此寬肩臺式斜坡堤的透、反射系數(shù)數(shù)據(jù)一致性很好，相互印證。透射系數(shù)較小，利于港內(nèi)船舶作業(yè)，且其隨水深減小而減小、隨波陡增大而增大的變化規(guī)律和堤后透射波浪均為長周期波的特征符合拋石堤和普通斜坡堤的一般規(guī)律。

4）反射系數(shù)隨水深減小而增大、隨波陡增大而減小的變化規(guī)律符合普通斜坡堤的一般規(guī)律。