潜堤传递波高系数研究

2020-12-23吴凌波尹亚军

水运工程 2020年12期

吴凌波，尹亚军

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉430071)

潜堤是港口工程中较为常见的一种建筑物，其通常用作掩护港池水域的外围防护堤，具有消浪、挡沙、导流的功能。随着港口建设大型化、深水化，潜堤因其良好的经济性而应用日益广泛。研究潜堤的传递波高系数，可为潜堤结构设计及港内掩护水域波浪计算提供科学依据。

当前，潜堤传递波高系数的研究已取得了较为丰富的成果[1-4]，但各研究成果的统一性不足、差异性较大。早期杨正己等[5]通过物理模型试验研究规则波作用下抛石潜堤传递波高系数的影响因素，结果表明堤顶相对水深(堤顶水深与入射波高比值)是主要影响因素，其次是波陡(入射波波高与波长的比值)及堤顶相对宽度(堤顶宽度与入射波高比值)的影响，堤前相对水深(堤前水深与入射波高比值)及潜堤坡度影响不显著，并基于试验结果拟合了潜堤传递波高系数经验公式。van der Meer等[6]通过试验总结出经验公式，公式考虑了堤顶相对水深、波陡、波浪入射角度的影响。邹红霞等[7]通过物理模型试验研究不规则波作用下潜堤传递波高系数的影响因素，结果表明堤顶相对水深是主要影响因素，堤顶相对宽度是次要因素，波陡几乎无影响，并拟合了包含堤顶相对水深和堤顶相对宽度这两个因素的经验公式。当前研究成果一致表明堤顶相对水深是影响传递波高系数的主要因素，而关于堤顶相对宽度及波陡的影响效果未能达成一致，因此各经验公式的计算结果差异较大。

在计算抛石潜堤传递波高系数时，可参考《防波堤与护岸设计规范》[8](简称《规范》)中抛石潜堤传递波高系数的推荐值，如表1所示。由表1可知，《规范》仅考虑堤顶相对水深hc/H(堤顶水深与入射波高比值)这一主要因素，且当1.13

表1 抛石潜堤传递波高系数规范推荐值

MIKE21 SW模型被广泛应用于近岸及外海的波浪数值计算，模型充分考虑水深变化引起的波浪破碎，能够用来模拟波浪传递至潜堤处发生的破碎、反射及透射等现象。本文基于MIKE21 SW模型开展潜堤消浪的数值模拟研究，并利用邹红霞等的物理模型试验结果对数学模型进行验证。通过数学模型研究上文提出的3个问题，从而为工程设计提供参考。

1 模型建立与验证

1.1 模型建立

如图1所示，模型计算区域为100 m×80 m，潜堤长80 m，高7 m，坡度1:2，堤顶宽度分别为2、4、6、8 m。模型采用不规则波进行数值模拟，入射波高2 m，采用JONSWAP谱，谱峰因子γ取3.3、谱峰频率ωmax取0.4 Hz、峰形系数0.07(ω≤ωmax)或0.09(ω>ωmax)。

图1 模型简图(单位：m)

1.2 模型试验组次

为分析各因素对潜堤传递波高系数的影响，选取6组堤顶相对水深hc/H：0.21、0.39、0.56、0.76、1.25、1.5；4组堤顶相对宽度(B/H，堤顶宽度与入射波高比值)：1、2、3、4；4组波坦(L/H，入射波的波长与波高比值)：15、25、34、45。本文案例中，堤前平均波高与堤前水深比值均大于等于0.3，H为累计频率13%的波高，波长L均为浅堤前行进波波长。

1.3 模型验证

由于潜堤堤顶相对水深是影响潜堤传递波高系数的主要因素，为验证模型对潜堤消浪的模拟效果，选取邹红霞物理模型试验中5组不同堤顶相对水深的试验数据进行模型验证，验证结果如表1所示。由表1可知，模型数值模拟结果与物理模型试验结果吻合良好，本文建立的数学模型能够较好地模拟潜堤消浪效果。

表2 数值模型验证结果

2 潜堤透浪影响因素分析

2.1 波坦对传递波高系数的影响

图2反映不同堤顶相对水深下，波坦对潜堤传递波高系数kt的影响。由图2可知：堤顶相对水深为1.25时，潜堤传递波高系数基本不受波坦影响；堤顶相对水深为0.76时，传递波高系数随波坦增加而逐渐增加；堤顶相对水深为0.56时，传递波高系数先随波坦增加而增加，继而又随波坦增加而减小；堤顶相对水深为0.39时，传递波高系数随波坦增加而逐渐减小。

图2 波坦与传递波高系数关系曲线(BH=1)

可见，在不同堤顶相对水深时，波坦对传递波高系数的影响规律亦不同。在堤顶相对水深较大时，波浪在潜堤处的破碎较弱，潜堤对波浪的波能耗散影响较弱，增加波坦对潜堤传递波高系数影响小。随着堤顶相对水深逐渐减小，堤前波浪破碎增强，潜堤对波浪的波能耗散影响增强，增加波坦使得更多的波能透射到堤后，形成更大的堤后波高。而当堤顶相对水深减小到一定程度时，入、反射波叠加后在堤前斜坡面波浪破碎严重，增加波坦使得堤前波浪反射进一步加剧，波浪破碎更加严重，导致透过潜堤的波能减少，堤后波高减小。

通过分析图2可知，波坦对潜堤传递波高系数的影响较小，后续研究分析中忽略波坦的影响，统一选取波坦L/H=25进行分析。

2.2 堤顶相对宽度对传递波高系数的影响

图3反映不同堤顶相对水深下，堤顶相对宽度对潜堤传递波高系数的影响。由图3可知：堤顶相对水深为1.50时，潜堤传递波高系数受堤顶相对宽度的影响较小。随着堤顶相对水深的减小，潜堤传递波高系数受堤顶相对宽度的影响逐渐增强。堤顶相对水深小于0.80时，堤顶相对宽度对传递波高系数的影响显著。堤顶相对水深为1.50时，潜堤传递波高系数接近0.9，而规范推荐的取值为0.8。因此在堤顶相对水深在1.13～2.00之间，规范推荐传递波高系数统一取值0.8并不完全适用。

图3 堤顶相对宽度与传递波高系数关系曲线(L=25H)

可见，堤顶相对水深较大时，潜堤对波浪的波能损耗作用较小，堤顶相对宽度的增加对潜堤传递波高系数的影响小。随着堤顶相对水深的减小，潜堤对波浪的波能损耗作用增强，潜堤堤顶相对宽度对传递波高系数影响增加。因此，堤顶相对水深较小时，潜堤堤顶相对宽度对传递波高系数的影响显著，计算传递波高系数应考虑堤顶相对宽度的影响。

2.3 堤顶相对水深对传递波高系数的影响

图4反映不同堤顶相对宽度下，堤顶相对水深对潜堤传递波高系数的影响。由图4可知，随着堤顶相对水深的减小，潜堤传递波高系数逐渐减小，且堤顶相对宽度的增加使得相对水深对传递波高系数的影响更加显著。

图4 堤顶相对水深与传递波高系数关系曲线(L=25H)

通过分析图4可知，堤顶相对水深对潜堤传递波高系数的影响显著，计算传递波高系数须考虑堤顶相对水深的影响。

综合以上分析可知，潜堤传递波高系数的主要影响因素为堤顶相对水深和堤顶相对宽度，波坦对传递波高系数的影响较小。

3 数值模拟结果与《规范》推荐值的对比分析

表3为潜堤传递波高系数的数值模拟结果与《规范》推荐公式计算值的对比。对比结果表明，堤顶相对宽度B/H在2～3之间时，数值模拟结果与规范推荐值吻合良好；B/H=1时，物模试验值与数值模拟结果较为接近，规范计算值较数值模拟结果偏小，且堤顶相对水深hc/H越小，规范计算值偏差越大；B/H=4时，规范计算结果较数值模拟结果和物模试验值显著偏大，且堤顶相对水深hc/H越小，规范计算值偏差越大。此外，不同堤顶相对宽度B/H下，堤顶相对水深hc/H=1.5时，《规范》推荐值均小于数值模拟结果。综上分析，在B/H介于2～3且hc/H≤1.25时，参照《规范》公式计算的传递波高系数与数值模拟结果吻合良好。当B/H≤1或B/H≥4时，参考《规范》推荐公式的同时，须综合考虑堤顶相对宽度B/H的影响。