尤 薇

（1.中设设计集团股份有限公司，南京210000；2.江苏省水运工程技术研究中心，南京210000）

海岸防护工程胸墙稳定性及越浪量研究

尤 薇1，2

（1.中设设计集团股份有限公司，南京210000；2.江苏省水运工程技术研究中心，南京210000）

文章采用物理模型试验对日照港石臼港区海岸防护工程中胸墙的越浪量和稳定性进行了研究。首先，利用物理模型对不同高程下胸墙越浪量进行研究，确定了胸墙顶高程为7.5 m时，可满足越浪量控制要求；然后，对有无潜堤作用下，防护工程胸墙的越浪量和稳定性进行试验研究。研究结果表明：极端高水位时，50 a一遇波高作用下，潜堤对后方防护措施影响较小，但是100 a一遇波浪作用时，由于波浪在潜堤处产生了破碎从而导致波高发生衰减，因此提高了后方防护设施胸墙的稳定性。

海岸防护工程；越浪量；稳定性；物理模型

海岸防护工程对于岸线保护具有十分重要的意义。防护工程设计中，越浪和结构稳定性是两大不可忽略的问题，其不仅关系到水工结构本身的安全，还关系防护工程后方居民的生命财产安全问题。因此，对其进行研究是十分有意义的。

随着科技的不断发展，越浪量模拟技术也取得了飞快的发展。按照研究方法的不同，可分为物理模型和数值模型。对于越浪的数值模拟，其主要是基于计算流体力学软件进行二次开发，使其具备造波消波的能力，并能运用于越浪模拟［1-7］。由于受数值计算方法的限制，这类方法目前还存在一定的不足，例如：受紊流模型以及波面捕捉方法的限制，目前数值模型对于波浪破碎的模拟精度还不高；此外，采用数值研究方法还不能模拟出栅栏板，扭王字块体等对越浪的影响等。对于越浪的物理模型试验方法而言，经过几十年的发展，已相对成熟，目前也已经被广泛应用到实际工程领域，如防波堤、船厂胸墙的设计等［8-10］，具有较高的实际应用价值。对于建筑物的稳定性研究，由于数值模型模拟方法还相对不成熟，因此目前主要还采用物理模型进行研究［11-12］。

日照港石臼港区拟进行海岸带恢复开发的护岸工程建设，工程具体位置如图1所示，图中方框所示区域

即为本次工程区域。该项目建成以后将对当地的海岸带滩涂资源具有一定的保护作用。为了确定海岸防护工程中胸墙的顶高程，并对越浪量和稳定性进行分析，本文在波浪水槽中对该工程进行了试验研究。研究过程共可分为两个部分：首先对不同顶高程胸墙的越浪量进行了试验，试验结果表明胸墙顶高程为7.5 m时可满足越浪量控制要求；然后再根据确定好的胸墙尺寸，对有无潜堤作用时，胸墙的越浪量和稳定性进行分析研究。研究结果表明：50 a一遇波高作用下，潜堤对后方防护措施受力影响不大，而100 a一遇波高作用时，潜堤可有效削减波浪力提高胸墙的稳定性。

图1 工程海域位置示意图Fig.1 Location of project

1 工程概况与模型概况

1.1 试验模型概况

本次试验在无反射波浪水槽中进行，该水槽长约81.0 m、宽1.4 m、高2.6 m。按照区域功能的不同，整个试验水槽宽度方向可为两部分：工作区和消波区。水槽一端安装由计算机控制的低惯量直流电机式不规则造波机，其不仅能精确的生成线性波、斯托斯克波、椭圆余弦波等规则波，同时还能生成具有Johnswap谱和PM谱的正向不规则波；水槽末端则安有消波设施，能较好的消除反射波。据测试，该消波设备能消除95%以上的反射波。本次试验才采用的波高采集仪和波压力测量设备均采用DS-30系统。

1.2 模型参数设置

本次工程区域位于日照港石臼港区，主要研究内容可分为两个部分：第一部分是根据试验确定防护工程胸墙的顶高程；第二部分是对有无潜堤方案时护岸工程中胸墙的越浪量和稳定性进行分析。本次工程共选取了断面1-1和断面2-2进行相应物理模型试验，其断面具体位置示意见图2。

本次试验采用正态模型模拟，并按照重力相似准则进行设计，即模型与原型之间Froude数相等，模型比尺为1：20。试验水位以日照港石臼港区理论最低潮面为基准面，其极端高水位为5.90 m，设计高水位为4.83 m，设计低水位为0.57 m。试验分别对极端高水位、设计高两种水位条件下100 a一遇和50 a一遇波浪作用组合进行了研究。本次断面实验的边界波要素主要由波浪模型从外海推算得出，模型具体参数可详见表1。表1中Tˉ为平均周期，按照《随机波浪及其工程应用》［14］，有效周期与平均周期之间的可以由TS＝1.15Tˉ计算得出。

进行胸墙稳定性试验时，为了测量作用在挡浪墙上波浪力的大小，分别在挡浪墙的迎浪面和墙底布置了5处和4处波压力测量点。胸墙底部的波浪力传感器布置位置呈等间距分布，每个传感器布置间距为20 mm，从左往右依次取名为B1～B4测点；胸墙迎浪面传感器布置间距呈不均匀分布，第一个测点A5布置在胸墙前趾15 mm处，第二个测点A4与第一个测点A5之间距离为30 m，第三个A3测点与第二个测点A4之间距离为25 mm，最后两个测点A2、A1布置位置为距离前一测点35 mm，其具体位置可详见图3所示，为确保测量数据的准确性，每个压力测量点均安装了两个传感器，计算时采用两个传感器的平均值确定该点的受力大小。

图2 本工程区域示意图Fig.2 Location of section 1-1 and section 2-2

表1 试验波浪模型值一览表Tab.1 Wave parameters of experimental model

图3 挡浪墙压力传感器安装位置图Fig.3 Distribution of measured point of wave force

2 模型结果分析

2.1 胸墙顶高程确定试验

为了确定海岸防护工程挡浪墙的顶高程，本文选取了位于开敞海域的2-2断面进行越浪试验。本次试验进行比选的胸墙高程方案有+7.00 m，+7.20 m和+7.50 m，试验结果见表2。按照要求，本工程最大允许越浪量为0.028 m3/m·s，由表2可知，胸墙顶高程为7.5 m时可满足越浪量需求。为了对试验中越浪发生的频次进行统计，表2中给出了越浪频次出现率的大小，其主要是通过试验中越浪发生的次数与试验总波列数的比值计算得出。整体而言，越浪率随着顶高程的增加而逐渐减小。

2.2 胸墙稳定性和越浪试验

在对海岸防护工程胸墙越浪量和稳定性研究时，本文主要选取了断面2-2的试验结果进行分析。这主要是由于1-1断面属于开敞海域，外海波要素相对较大，波浪从外海向近岸传播时，在胸墙前的斜坡上便会产生破碎使得波高衰减，导致作用于胸墙的波浪力相对较小。图4显示了有潜堤作用时1-1断面示意图。如图4所示，胸墙顶高+7.50 m，胸墙前是一个比较缓的自然斜坡，坡度为1：30，潜堤位于胸墙前250 m左右的位置。

表2 挡浪墙不同顶高程越浪量一览表Tab.2 The overtopping of different height breast walls

图4 有潜堤方案工程1-1断面示意图Fig.4 Profile view of section 1-1

2.2.1 无潜堤方案试验

（1）越浪量分析。

根据无潜堤方案的试验结果，挡浪墙在极端高水位作用时，波浪重现期为50 a一遇和100 a一遇时均产生了越浪，越浪量实测值如表3。在设计高水位作用下，入射波浪重现期为50 a一遇和100 a一遇时，无越浪现象产生。越浪概率为越浪次数与总的试验波列数的比值，从表3可以看出，100 a一遇波浪作用时的越浪次数大于50 a一遇时的波浪越浪次数。

表3 挡浪墙一越浪量表Tab.3 The overtopping in the situation without submerged breakwater

（2）波浪力分析。

对胸墙进行稳定性试验时，有3个重要时刻需进行关注：最大水平波浪力时刻（波峰作用），最大浮托力时刻以及最大负向水平力作用时刻（波谷作用）。本次试验中，由于波浪在胸墙前的浅滩处已经发生了破碎，并产生了强烈的紊动，波峰波谷的区分已经不为明显，因此本次试验重点关注作用于胸墙的最大水平力作用时刻和最大浮托力作用时刻作用力的情况。

极端高水位作用下，入射波高重现期为50 a一遇和100 a一遇时，各测点的最大波浪力测量结果如表4所示。从表4可以看出，胸墙迎浪面的最大波压力点出现在A3点，胸墙底部的最大波浪力出现在B1点。对于极端高水位下，不同重现期波浪作用时，胸墙底部变化率比胸墙迎浪面的波浪力变化率大。胸墙底部最大波浪力对于波要素的变化更为敏感。对于胸墙迎浪面而言，不同重现期波浪作用下，最大波浪力变化率由上往下呈逐渐增大的趋势。

表4 极端高水位作用时最大波浪力测量结果Tab.4 The maximum wave force of experiment without submerged breakwater kPa

表5显示了极端高水位作用下最大水平波浪力时刻和最大浮托力时刻各测点的测量结果。从表5可以看出极端高水位作用下，最大水平波浪力出现时刻，胸墙迎水面所受波浪力要大于胸墙底部所受波浪力，其最大值出现在A3测点，其值分别达到了21.41 kPa和22.40 kPa。相比而言，波浪力变化率却呈现一个相反的趋势，不同重现期波浪作用下，胸墙迎水面的波浪力变化率要远小于胸墙底部波浪力的变化率，变化率最大点出现在B4点，变化率达到了78.73%。最大浮托力时刻，胸墙迎水面的波浪力与胸墙底部波浪力作用大小相近，50 a一遇波浪作用时，波浪力最大值出现在A3测点，其值达到了16.81 kPa；100 a一遇波浪作用时，波浪力最大值出现在A4测点，其值达到了20.96 kPa。整体而言，不同重现期波浪作用下，胸墙迎水面的波浪力变化率要略大于胸墙底部波浪力的变化率，变化率最大点出现在A1点，达到了55.78%。

图5 挡浪墙在极端高水位及100 a一遇波浪作用时越浪示意图Fig.5 Wave overtopping on the breast wall

表5 极端高水位最大水平波浪力时刻与最大浮托力时刻测量结果Tab.5 Wave force at the moment of maximum horizontal wave force and maximum buoy force without submerged breakwater

表6 挡浪墙一越浪量表Tab.6 The overtopping in the situation with submerged breakwater

图6 极端高水位100 a一遇时波浪破碎图Fig.6 Wave breaking near the submerged breakwater

2.2.2 有潜堤方案试验

有潜堤方案时，胸墙高程、设计水位及入射波要素等参数均与无潜堤方案相同。潜堤设置位于胸墙前约250 m处，潜堤顶标高为-1.3 m，堤心石采用300～400 kg块石结构，表层铺设600 mm厚的栅栏板进行防护，具体情况见图6。

（1）越浪量结果分析。

有潜堤方案时，在极端高水位作用下，波浪重现期为50 a一遇和100 a一遇时均产生了越浪，试验结果如表6所示。在设计高水位作用下，入射波浪重现期为50 a一遇和100 a一遇时，均无越浪现象产生。

与无潜坝方案相比，有潜堤工程方案在极端高水位作用下，50 a一遇波浪作用时，胸墙底部越浪量减少了约22.62%（0.001 9 m3/m·s），越浪率减少了约7%；100 a一遇波浪作用时，越浪量减少了约25%（0.002 5 m3/m·s），越浪率减少了约4%。

（2）波浪力分析。

有潜堤作用时，极端高水位作用下，入射波高重现期为50 a一遇和100 a一遇时，波压力测点的最大波浪力测量结果如表7所示。从表7可知，胸墙迎浪面的最大波压力出现点与无潜堤方案相比未发生明显变化，均为A3点，胸墙底部的最大波浪力出现在B1点。整体而言，100 a一遇波浪作用下胸墙迎水面所收到的波浪力要小于50 a一遇波浪作用时，最大变化率达到了-11.7%。这主要是由于100 a一遇波浪作用时在潜堤处产生了破碎，使得波高发生衰减。潜堤作用引起的波浪破碎见图6。与无潜坝方案相比，100 a一遇波浪作用时胸墙所受的最大波浪力有所减小，其变化幅度最大达到了-14.5%。

表8为极端高水位时，最大水平力作用时刻和最大浮托力时刻波浪力的测量结果。整体而言，胸墙迎水面和底部波浪力分布趋势未出现明显变化，迎水面最大波浪力仍出现在A3点位置，胸墙底部最大波浪力仍出现在B1点。与50 a一遇波要素作用下胸墙迎水面所受的波压力相比，100 a一遇波浪作用下迎水面波浪力有所减小，其中最大变化幅度达到15.7%。与无潜坝方案相比，100 a一遇波浪作用时胸墙所受的最大波浪力均有所减小，其变化幅度最大达到了-14.5%。

表7 有潜堤方案极端高水位下最大波浪力测量结果Tab.7 The maximum wave force of experiment with submerged breakwater

表8 有潜堤方案极端高水位下最大水平波浪力时刻和最大浮托力时刻测量结果Tab.8 Wave force at the moment of maximum horizontal wave force and maximum buoy force without submerged breakwater

3 结论

综上所示，无潜坝作用时胸墙迎浪面的最大波压力点出现在A3点，胸墙底部最大波浪力出现在B1点，胸墙所受波浪力随着波高的增加而增大，就变化率而言，100 a一遇波浪作用下，胸墙底部变化率比胸墙迎浪面的波浪力变化率大。不同重现期波浪作用时，胸墙迎浪面最大波浪力变化率呈由上往下呈逐渐增大趋势。与无潜坝方案相比，有潜堤工程方案在50 a一遇波浪作用时，胸墙底部越浪量减少了约22.62%（0.001 9 m3/m·s），越浪率减少了约7%；100 a一遇波浪作用时，越浪量减少了约25%（0.002 5 m3/m·s），越浪率减少了约4%。总体而言，有潜堤时，50 a一遇波浪作用下胸墙稳定性无明显变化，而100 a一遇波浪作用下，胸墙稳定性有显著提高。

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Study of stability and overtopping of breast wall in coastal protection engineering

YOU Wei1,2
（1.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China;2.Jiangsu Province Water Transport Engineering Research Center,Nanjing 210000,China）

In this paper,the stability and overtopping of breast wall in Rizhao harbor was studied by physical model.According to the difference of content,the research can be divided into two parts:firstly,the overtopping of different height walls was studied,and it is found that when the height reaches up to 7.5 m,it can meet the requires of overtopping.And then the stability of breast wall in the condition of submerged breakwater was learned.The re⁃sult of research shows that in the condition of extreme high water level,the submerged breakwater has little impact on the stability of breast wall when the incident wave height period is 50 years,while for the condition of 100 years, the wave will break in front of the submerged breakwater,which will cause the breast wall more stable.

coastal protection engineering;overtopping;stability;physical model

U 656.3；TV 139.16

A

1005-8443（2016）06-0578-06

2016-07-22；

2016-08-05

江苏交通运输科技项目《江苏沿海建港条件及关键技术集成研究》（2011Y01）

尤薇（1984-），女，江苏省南京人，工程师，主要从事港口与海岸工程安全模拟研究工作。

Biography：YOU Wei（1984-），female，engineer.