削角沉箱防波堤波浪力特性实验分析

郄禄文，陶佳骥，夏乾（河北大学建筑工程学院，河北保定071002）

削角沉箱防波堤波浪力特性实验分析

郄禄文，陶佳骥，夏乾
（河北大学建筑工程学院，河北保定071002）

通过物理模型试验，分析作用在削角沉箱防波堤上水平波浪力、斜面竖向力以及堤底浮托力时程曲线。通过比较冲击波浪力的作用时间范围与峰值，得到防波堤冲击波浪力与冲击时间随上部胸墙的削角值、波浪周期、堤前水深、基床高度等主要影响因素的变化规律，获得了波浪力的相对作用时间与各影响因素的关系，建议不规则波作用下削角沉箱防波堤上的总水平力峰值和浮托力峰值可以在规则波波浪力峰值的基础上乘以一系数来计算。

削角沉箱防波堤；物理模型实验；波浪力特性；时程曲线

0 引言

防波堤是海港工程的重要组成部分，建造费用十分昂贵，有时可占港口工程总投资的一半左右；且防波堤一旦发生破坏，后果严重，因此防波堤的合理设计已成为急需解决的重要课题。

直立沉箱防波堤是建立最早、使用最广泛、研究最深入的防波堤。日本合田良实[1]提出适用于立波和破浪波的直立堤波浪力计算公式，已被许多国家应用。在直立堤基础上发展出削角沉箱防波堤，结构特征是上部胸墙靠海侧为与水平面成锐角（如30°，45°等）的倾斜面，不仅可以有效降低水平波浪力，斜面上产生的向下波浪力也有利于防波堤的整体稳定。削角沉箱防波堤具有结构简单、胸墙受力性能好、稳定性好、造价低等特点。凭借其良好的外观、优越的力学特性，削角沉箱防波堤被视为深水海域较好的新型防波堤形式，近年来在国内外防波堤工程建设中已得到广泛应用。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世纪60年代丹麦汉斯霍尔姆（Hanstholm）港建造了削角沉箱防波堤，之后削角沉箱防波堤在我国的大陆、台湾，利比亚以及日本的新澙（Niigata）、宫崎（Miyazaki）的深水海域相继建成。日本那霸（Naha）港建成了削角直立堤前布置消浪块体的混合式防波堤。

国内外众多学者对削角直立堤进行了研究，斜面上产生的向下波浪力有利于防波堤的整体稳定，同时在相同潮位、波浪、堤顶高程的情况下，其越浪量比直立堤略大。对此，日本港湾技术研究所Takahashi等[2]对削角直立防波堤上波浪力进行试验研究，得出计算削角直立防波堤上波浪力的经验公式——合田良实修正公式，但他们采用的削角角度为45°和56°，与我国常用的削角直立堤的削角角度（约30°～45°）相差较大。我国学者钟声扬等[3]提出削角直立堤的波浪力计算简单方法，康海贵等[4]分析了削角沉箱防波堤上不规则波浪力的概率特征，李景辉等[5]针对削角直立堤断面稳定性及波浪力进行了试验研究。基于物理模型实验，谢世楞[6]、蒋学炼[7]、郄禄文[8]等针对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、抗倾覆的可靠性做了一定的理论研究。

本文通过物理模型波浪试验，采集波浪力作用下削角防波堤波浪压力值，分析作用在防波堤上水平波浪力、斜面竖向力以及堤底浮托力时程曲线。针对各个时程曲线，比较冲击波浪力的作用时间范围与峰值，得到防波堤冲击波浪力与冲击时间随上部胸墙的削角值、波浪周期、堤前水深、基床高度等主要影响因素的变化规律，对这种新型防波堤波浪力的动力特性进行探讨，可为设计提供试验资料，并为进一步开展研究提供理论依据。

1 物理模型试验

为测定破碎波浪作用下不同工况削角沉箱防波堤堤体上的总水平波浪力、斜面竖向力和堤底浮托力时程曲线，设计了多工况物理模型实验。

模型试验水槽长92 m、宽4 m、高1.8 m，沿水槽宽度分隔成三部分（宽度分别为1 m、2 m和1 m）。模型置于其中1 m宽的部分，以减弱波浪反射的影响。生波采用大型不规则波造波机，该系统由液压驱动装置、控制台及计算机构成，根据试验要求，可产生规则波和不同谱型的不规则波。借助计算机数据采集系统，利用波高、波速、波压力传感器记录波浪对防波堤作用的荷载数据。

试验采用30°、45°两种削角角度的沉箱防波堤进行不规则波与规则波同步压力实验。模型按重力相似准则设计，几何比尺1∶36。为研究堤上波浪力的分布特性，在各个模型的胸墙、沉箱和底板上沿周边方向均匀布置25个小型压力传感器测点，同步采集25个点的压力变化（见图1）。

作用在斜面胸墙沉箱防波堤上的波浪选用规则波和不规则随机波，试验波谱采用JONSWAP谱[9]（联合北海波浪计划谱），其谱函数为：

图1 削角直立堤A断面（削角30°和45°）测点布置图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、低明基床不同工况进行4种断面波浪实验（见表2）。各工况均以0.02 s间隔连续采集130个波作用下削角堤断面上各点波浪压力，试验重复4次，取各点压力过程平均值。4种工况中进行了9组不规则波试验及波高H1%=10 m，平均周期T=11 s、13 s和15 s的规则波试验。

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

2 防波堤波浪力分析

本研究只针对迎浪面防波堤堤身波浪力动力特性进行分析，采集所有测点波浪压力的数据，利用上跨零点法对试验数据进行统计分析。

作用在削角斜面胸墙上各点的波浪力可分解为水平分量和垂直分量[9]，见图2，由削角斜面上测点波压强度积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为削角斜面上的波浪力；θ为削角斜面的坡角。

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

水平波浪力分量P2H与直立部分上面的水平波浪力P1合成为削角直立堤的总水平波浪力PH，即PH=P1+P2H。P2V构成削角斜面上波浪作用向下的垂向力PV，底面各点压力（向上）构成浮托力PU。

2.1 规则波浪力时程曲线

在规则波作用下，计算得出30°、45°削角沉箱防波堤断面各瞬时刻承受总水平力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将有利于堤身的稳定，对稳定有利，本次试验不做考虑，只针对总水平波浪力与堤底浮托力作出一个周期内的各个时程曲线对比图，以断面A为例，如图3、图4所示。

图3 T=11 s时波浪力时程曲线（30°削角）Fig.3 The time-history curve of wave force (T=11 s,chamfered 30°)

图4 T=13 s时波浪力时程曲线（45°削角）Fig.4 The time-history curve of wave force (T=13 s,chamfered 45°)

2.2 不规则波浪力时程曲线

为了获得不规则波与规则波波浪力的相互关系，在本次试验中选取3种断面分别在周期T=

11 s时的规则波与不规则波浪力时程曲线对比图如图5、图6（以断面B为例）。

图5 水平力时程曲线（30°削角）Fig.5 The time-history curve of horizontalwave force (chamfered 30°)

图6 水平力时程曲线（45°削角）Fig.6 The time-history curve of horizontalwave force (chamfered 45°)

2.3 波浪力和作用时间与各影响因素的关系

波浪作用过程中削角沉箱防波堤各点的波压力在不断变化，形成的合力也随之改变，设计计算的控制条件为合成的最大波浪力。由实验测点压力计算出水平力与浮托力的作用时间及峰值等周期特性见表3、表4。

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

续表3

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

由表中结果发现，对于波高一定的前提下，在防波堤胸墙削角角度、工况一定的情况下，总水平波浪力和堤底浮托力随着波浪周期的增大而增大，堤底浮托力的相对作用时间都随着周期的增大而减小；在波浪周期、工况一定的情况下，总水平波浪力随着胸墙削角角度的增加略有增加。

2.4 不规则波与规则波的波浪力相互关系

本次试验中选取斜面胸墙30°和45°在断面B、断面C，周期T=11 s时的波浪力数据为例，探求不规则波与规则波的波浪力峰值相互关系，防波堤总水平波浪力和浮托力时程曲线的波浪力峰值及其比值，即不定系数，列于表5。

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

在相同工况下，不规则波的水平波浪力与浮托力均比规则波的波浪力大。当基床高度与堤前水深一定时，不定系数随着削角角度的增大也在增大；当斜面削角角度一定时，不定系数随着基床高度与堤前水深的增大而增大。考虑不定系数变量的随机特性，建议不规则波作用下的波浪力峰值可以在规则波波浪力的基础上乘以一个系数，水平力系数为2.66，浮托力系数为2.50。

3 结语

本文基于物理模型试验对削角沉箱防波堤波浪力的动力特性进行了多工况的研究。通过物理模型实验，得到了削角沉箱防波堤水平波浪力、斜面竖向力以及堤底浮托力的时程曲线。

在同一波高条件下，分析了削角沉箱防波堤波浪力与各影响因素的关系，总水平波浪力和堤底浮托力都随着周期的增大而增大，并且总水平波浪力随着胸墙削角角度的增加也略有增大。总水平波浪力和堤底浮托力的相对作用时间都随着周期的增大而减小；但胸墙削角角度、堤前水深与基床高度对总水平波浪力和堤底浮托力的相对作用时间影响不明显。

建议不规则波作用下削角沉箱防波堤上的总水平力峰值和浮托力峰值可以在规则波波浪力峰值的基础上乘以一系数来计算，水平力系数建议值为2.66，浮托力系数建议值为2.50。

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[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]钟声扬，葛志谨，顾汝森，等.削角直立堤的波压力计算[J].水利水运科技情报，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]康海贵，李木国，俞聿修.削角直立式防波堤上不规则波浪力的概率特征[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]李景辉，张文忠，杨宪章，等.削角直立堤断面稳定性及波浪力分析试验研究[J].中国港湾建设，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.

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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

国家自然科学基金资助项目（61374184）

郄禄文（1966—），男，河北阜平人，教授，博士，主要从事波浪与建筑物相互作用方向研究。E-mail：qieluwen@hbu.edu.cn