波浪在海堤上的爬高及消浪措施研究综述

波浪在海堤上的爬高及消浪措施研究综述 第6期 200r7年l2月 广东水利水电 GUANGDONGWATERRESOURCESANDHYDROPOWER NO.6 Dec2O0r7 波浪在海堤上的爬高及消浪措施研究综述 苗青,江洧 (1.中山大学应用力学与工程系,广东广州510275;2.广东省水利水电科学研究院,广东广州510610; 3.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州510610) 摘要:波浪爬高是海堤工程设计中重点考虑的因素,如何正确确定爬高有重大的实际意义.为了降低堤顶的高程,节约 投资和发挥海堤的景观性能,人们采用了各种消浪措施.该文主要对目前有关波浪爬高和消浪措施的研究成果进行总结, 探讨其应用范围和局限性. 关键词:波浪;爬高;海堤;消浪 中图分类号:TV139,2文献标识码:A文章编号:1008-0112(2007)06-0005-03 引言 波浪爬高是指波浪在海堤上上爬高度与静水面之 间的垂直距离.建设海堤时,堤顶高程是一个重要的参 数,它直接关系到海堤的安全和工程的投资,而波浪爬 高是确定堤顶高程的最重要因素,历来是设计考虑的重 点.目前,计算爬高公式大都是经验的和半经验的,经 验的因限于资料的测取范围和现场的具体条件,应用常 有一定的局限性;半理论半经验的相对好一些,但由于 波浪爬高现象的复杂性以及立论时做了一些假设与简 化处理,对其应用也有一定的局限性,大多还需经过实 测资料的验证与修正.另一方面,波浪爬高越大,海堤 高程就越高,不仅增加施工难度,而且造成投资加大,有 时还会影响景观.为了有效降低海堤高度,采取一定的 消浪措施来减小波浪爬高是必要的,也是科学合理的. 本文拟从波浪要素和爬高特征值的选择,爬高物理模型 研究方法,国内外常用公式,消浪措施等方面介绍目前 波浪爬高的研究进展. 1堤前波浪要素和爬高特征值的选择 堤前波浪要素的选择是确定爬高的基础.由于不 规则波的复杂性,大多数学者的研究工作都是基于深水 的,即考虑入射波浪在堤前不发生破碎的情况,堤前波 浪要素可以选择有效波高,谱峰周期,平均周期等;当堤 前水深较浅时,波浪在堤前破碎,能量减少,谱峰变平, 故不宜采用深水波浪要素.TAw(2002)建议堤前入 射波高使用谱波高,即日柚,H神:4/m.(m.为一阶谱 距);Vangent[2(2001)通过波浪爬高数值模型和物理 收稿日期:2007.10-24 作者简介:苗青,女,硕士,从事港El海岸及近海工程研究. 模型试验研究,认为在浅水中应使用谱周期,即. (m一./m.,m一.为一1阶谱距),并指出继续使用谱峰周 期会造成较大的误差.由于谱波高和谱周期均是与波 浪能量有关的物理量,所以在深水与浅水中均适用,在 研究波浪爬高时应优先考虑. 近年来,在海堤设计中,堤顶允许部分越浪,因此在 进行不规则波爬高公式拟合时一般不采用最大爬高. 采用的爬高特征值有两种:一是累积频率为X%的爬 高;二是累积频率为%的入射波产生的爬高.Vande Meer_4(1992)指出,对于较陡的斜坡,两者的差值在 5%以内,HajimeMase(2004)在对陡坡爬高试验研究 中发现这两种爬高特征值大致相等,因此,这两种特征 值在研究陡坡爬高时均可以使用.VandeMeer (1992)还指出,当波浪作用在较缓斜坡上时,可能出现 前一个波浪还没有回到静水位以下,后一个波浪就已经 爬上斜坡的情况,这时爬高仪已不能记录到完整的爬高 序列.因此只能采用累积频率为X%的入射波产生的爬 高值作为特征值. 2爬高物理模型研究方法 2.1参数拟合法 2.1.1破波参数拟合法 使用破波参数拟合爬高公式是许多学者的首选,因 为破波参数是反映波浪与海堤相互作用的综合参数,堤 前的波态,破碎特征,波浪反射,波浪的爬高和落深等都 与破波参数有关.在不规则波情况下,破波参数的达 式为: ? 5? 2007年12月第6期苗青,等:波浪在海堤上的爬高及消浪措施研究综述 No.6Dec2OO7 鲁:tana/|8 8=2?仃?/(g?o) 其中为破波参数;为堤防向海岸的坡角;6为入射 波波陡. 破波参数与爬高有较为密切的关系,两者之间通过 回归分析可以得到一条相对满意的直线.VandeMe— el"(1992),陈国平(1992),VandeMeer(1998), TAW(2002),Vangent(2001),IvanoMelito和Jef- feryA.Melby(2002)等均采用破波参数拟合波浪爬 高公式.这种方法简单易用,对于波浪较陡或斜坡式断 面坡度较缓(即破波参数较小)的情况下爬高拟合效果 较好,但对于波陡较小或断面坡度较陡(即当破波参数 较大)情况下效果不理想,数据较为分散. 2.1.2波浪通量参数拟合法 StevenA.Hughes(2003)引入了新的参数——波 浪通量参数来拟合爬高实验数据,得到了比较满意的结 果,这种方法有待推广. 2.1.3多参数拟合法 这种方法是拟合经验公式常用的方法,即通过多元 回归或推理分析各个参数对波浪爬高的影响,进而找到 最佳公式.我国早期的波浪爬高研究大多数使用的都 是这种方法,如:翁克勤_】(1986),李玉成_1?(1990)等 使用的方法,这种方法针对性强,难于推广. 2.2概率分析法 概率分析法是运用概率理论分析波浪爬高试验数 据的方法,确定爬高的概率分布对发展概率设计十分重 要,VandeMeer(1992),陈国平(1992)通过试验和 概率分析发现不规则波爬高分布符合韦伯分布,并且给 出了韦伯分布的参数值.因为不规则波爬高的随机性 较大,因此采用此种方法分析波浪爬高是一个重要的手 段. 3国内外常用的爬高公式 3.1国内公式 我国《堤防工程设计》?中给出了波浪爬高公 式,规范中根据堤坡角度的不同,分段给出了波浪爬高 公式.对于较陡的坡度(,n<1.25),仅给出了计算图 表,且忽略了波陡的影响.对于带有平台的复式斜坡, 坡度先换算成折算坡度,n,,然后按波浪在坡度为,n的 断面上选择爬高公式进行计算.折算坡度的换算仅适 用于平台在静水位附近,堤坡断面均为斜坡的情况,对 于上下断面中含有陡墙的堤坡不适用. 我国《海洋水文规范》?中给出了在风的直接作用 下的不规则波爬高公式.《海洋水文规范》系在《港口 ? 6? 工程技术规范海港水文》方法的基础上,将有关系数根 据实测的资料进行修正而提出的,该规范中介绍的公式 适用堤坡(,n:1,5)的情况,没有给出陡墙式断面爬高 计算方法. 《广东省海堤_T程设计导则》15](试行)中给出了 正向规则波在斜坡式建筑物上的爬高公式.该规范中 介绍的公式适用于斜坡断面(,n:1,5),没有给出陡墙 式断面的爬高计算方法. 3.2国外公式 (1)SPM(ShoreProtectionManua1) SPM中提供了计算波浪爬高图表,用来计算规则波 在不透水斜坡上的爬高,需要已知的波浪要素是深水波 陡和波高,该手册中的图表没有考虑波浪反射,折射,底 部摩擦的影响.这些图表是基于小比例尺实验的结果. SPM中给出了比例尺影响系数和粗糙系数,计算结果中 考虑了波浪增水的影响.计算复式断面上的波浪爬高 采用的是Sallive(1958)方法. (2)ACES.V.1.07 ACES(AutomatedCoastalEngineeringSystem)中应 用最广泛的是ACES.V.1.07模型,其中有3个计算波 浪爬高的程序,分别是:不规则波在海滩上的爬高,采用 的是HajimeMase(1989)公式;不规则波在碎石面斜坡 上的爬高,采用的是AhrensandHeimbaugh(1989)公 式;波浪在不透水建筑物上的爬高,该程序考虑了光滑 和粗糙两类斜坡上的爬高,分别采用的是Ahrensand Titus(1985)公式和AhrensandMcCartney(1975)公式. 这3个程序都是采用20世纪七,八十年代对不规则波 爬高的研究成果,这些成果很好地反映了不规则波在缓 坡和陡坡上的爬高与破波参数的关系. (3)CEM(CoastalEngineeringManua1) 计算破碎规则波在光滑斜坡上的爬高采用的是 Hunt(1959)公式,计算非破规则波的爬高采用的是 Waltoneta1.(1989)修正公式. CEM中给出了计算不规则波在建筑物上的爬高公 式,该公式是基于小比例尺试验和大比例尺试验相结 合,采用的是JentsjeW.vandeMeer(1992,1995)的研 究成果,公式中考虑了粗糙度,平台,浅水和波浪入射角 的影响. (4)TAWEI6j(TechnicalAdvisoryCommitteefor WaterRetainingstructures) TAW(2002)的中更新了荷兰规范中的方法, 新方法中不仅考虑了粗糙度,平台,浅水和波浪人射角 的影响,还考虑了浅水和胸墙的影响. 2OO7年12月第6期广东水利水电No.6Dec20o7 4减少波浪爬高的措施 减少波浪爬高的措施主要有:在静水位附近加平 台;增加堤表面的糙渗性;使入射波浪与海堤成一定角 度等". 4.1平台的消浪效果 在一定条件下,平台的消浪效果是显着的,因而丁 程上经常采用.陈国平(1992),VandeMeerl7 (1998),TAW…(2002),陆瑞兴?(2007)通过研究得 到了平台对爬高的影响规律:当平台上相对水深在上下 半个波高范围之内时.平台的消浪效果较好,最大可减 小爬高的60%左右,其主要原因是平台加剧了破浪的 破碎;爬高随平台宽度的增加而减小,当平台的宽度增 加到波长的1/4时.平台的消浪效果最明显,继续增加 平台的宽度.爬高减小的趋势变缓.因此得到修建平台 的最佳位置为静水位附近,最佳宽度为入射波长的1/ 4,这也正是SPM(1984)和《堤防工程设计规范》中复式 断面爬高公式的适用范围. 要使平台达到最好的消浪效果,关键在于确定平台 的最佳高度和宽度.国内外的学者对带平台复式断面 上波浪爬高进行过大量的研究,提出的计算方法大体上 有以下3种: (1)假想坡度法.如Saville(1958)采用的方 法.这种方法通过单一假想的坡度来代替复式断面,经 过试验的验证,适用于平台在静水位附近,平台宽度小 于1/4波长的情况,该方法是SPM(1984)采用的方法. 在我国《堤防工程设计规范》中,对带有平台的复式 斜坡爬高的计算方法是先把坡度换算成折算坡度,再 按坡度系数为ra,的单坡断面确定其爬高值,其适用范 围与Saville方法大致相同. (2)折减系数法.如陈国平(1992),陆瑞兴 (2007)采用的方法.他们考虑的断面形式是上下坡度 一 致的情况,较系统地考虑了平台的影响.陈国平得到 的系数适用于上下坡度均为2.5的情况,陆瑞兴等得到 的系数适用于平台上下均为陡墙的情况. (3)假想坡度和折减系数相结合的方法.如Van deMeer【17](1998),rAw(2002)采用的方法.该方法 既考虑了上下坡度不一致的断面形式,又较系统地考虑 了平台的影响,适用坡度缓于1:1的情况. 4.2堤表面糙渗性的消浪效果 增加堤面的粗糙度可以减小波浪爬高,最大可减小50%左右.这方面的研究开始于19世纪50年代,Bat- tjes(1970)给出了不同材料的坡面对应的糙渗折减系数 图表,该图表为SPM(1984)采用. VandeMeer(1992)研究了不规则波在护面块体 为块石斜坡堤上的爬高,与光滑不透水坡面对比发现: 波浪爬高明显减小,而且爬高随着破碎相似参数的增加 呈明显上升的趋势,但当破碎相似参数大于10时,爬高 不再减小,其数值接近光滑不透水斜坡的爬高.Vande Meer(1992)给m了波浪在护面块体为块石斜坡堤上 的爬高公式,并且指了Banjes(1974)和SPM(1984) 所使用的图表仅适用破碎相似参数小于2的情况.我 国海港水文规范中较系统地给出了不同护面形式堤防 的糙渗特性影响系数.IvanoMelito,JefferyA.Melby (2002)研究了改进的扭王块体(Core—Loc)护面的消浪 效果,发现波浪在Core—Loc护面上的波浪爬高明显小 于块石护面上的爬高,这是因为Core—Loc护面渗透性 和粗糙性比较好的缘故.VandeMeer'(1998)和 TAW(2002)给了基于不规则波,大比尺试验得到 的粗糙影响因子图表,该图表适用于破碎相似因子较 小,在静水位上下一定范围内的坡面覆盖粗糙材料的情 况.当坡面上有块石和条石等,VandeMeet(1998) 认为块石或条石在坡面上的最佳距离是其宽度的7倍, 当块石或条石的高度超过0.15倍波高时,对减小爬高 不起作用. 4.3斜向入射波浪的消浪效果 JentsjeW.vandeMeet(1998)和TAW.(2002) 指出:对于长峰波入射,当入射角度小于30.时,波浪爬 高值与垂直入射时基本相同,入射角度大于30.时,爬高 值迅速减小到垂直入射的0.6倍;对于短峰波入射,入 射角度影响比较小,当波浪的入射角度为80.或90.时, 爬高减小到垂直入射的0.8倍,由此可见,垂直入射的 短峰波爬高值比长峰波要大. 5结论 以上对目前有关波浪爬高和消浪措施方面的研究 成果进行了总结.可以发现,虽然计算波浪爬高的公式 很多,但各爬高公式均有一定的适用范围,系统性和完 整性不够理想,因此使用前应明确公式的适用范围.对 于带平台的复式断面海堤来说,平台下为陡墙的断面研 究成果比较少,不能满足工程上的需要,因此较系统地 研究不同海堤断面形式的爬高十分必要.另外,随着经 济的发展,人们对海岸的景观要求越来越高,要求尽可 能地降低海堤高度,因此,深入探索经济实用的消浪措 施是很有必要的. (下转第22页) ?一7? 2OO7年12月第6期广东水利水电No.6Dec20o7 注:冲刷深度以铺沙高程5l5.0m起算距离/珊 图6各泄放30年一遇洪水下游河床冲刷纵剖面 水舌落点,增大人水面积,充分利用水体消能等原理, 最终较好地解决了龙桥表孑L的泄洪消能问题.参考文献: (2)本试验推荐的滑雪道式布置巧妙地利用了两[1]杨纪元,札淑英.蔺河口水库坝 顶表孔泄洪消能布置试验 边孔设高坎,高低坎水舌碰撞后落水近,中孑L设伸出堰研究…?西北水 电,2001,(4):47—51? 外的滑雪道式挑坎水舌挑距远的特性,从而实现使中孑L[2]SL155—9,水工(常规) 模型试验规程[s]? 曼专嚣985.碱院杠试狭窄的条件,以便利用下游河道有限的水垫深度消 能,……………… 达到减小下游冲刷的目的. (上接第7页) 参考文献: [1]TAW.TechnicalReport:WaveRun—upandWaveOvertop— pingatDikes.2002. [2]MarcelR.A.vanGent.WaveRunuponDikeswithShallow Foreshores.JournalofWaterway,Port,Coastal,andOcean Engineering,ASCE.2001,127(5):254—262. [3]Jen~eW.vandeMeerandCor—JanM.Stam.WaveRunup onSmoothandReckSlopesofCoastalstructures.Journalof Waterway,Port,Coastal,andOceanEngineering,ASCE. 1992,118(5). [4]Discussion:WaveRunuponSmoothandReckSlopesof Coastalstructuresa.ASCE,1993. [5]HAJIMEMASE.RandomWaveRunuponSeawallsnear ShorelinesWithandWithoutArtificialReefs.CoastalEngi— neeringJourna1.2004,46(3):247—268. [6]陈国平,余广明.平台高程与宽度对不规则波爬高的影响 [J].海洋工程,1992,10(4). [7]Jen~eW.VandeMeer.Acodefordikeheightdesignand examination,PaperpresentedattheInternationalConference onCoastlines.StructuresandBreakwaters,InstitutionofCivil Engineers,London,UK,1998. [8]IvanoMelito,JefferyA.Melby.Waverunup,transmission, ? 22? andreflectionforstructuresarmoredwithC0RE—LOC. CoastalEngineering.2002,(45):33—52. [9]Stenven.A.Hughes.NewParameterforCoastalStructureDe- sign.Thirdinternationalcostalstructuresconference,ASCE, 2003. [10]翁克勤.波浪爬高[J].海洋工程,1986,4(1). [11]李玉成,管连江.波浪在混合式海堤上的爬高[J].海岸 工程,1990,9(1). [12]陈国平.不规则波爬高分布及计算[J].水利水运科学研 究,1992,2. [13]GB50286—98,堤防工程设计规范[s]. [14]JTJ213—98,海港水文规范[s]. [15]DB44/T182—2004,广东省海堤工程设计导则(试行) [s]. [16]FEMA.WaveRun—upandOvertopping.2005. [17]Angremord,k.d.Breakwatersandclosuredams.New York:SponPress,2004,139—150. [18]李玉成,滕斌.波浪对海上建筑物的作用[M].第二版.北 京:海洋出版社,2002,162—200. [19]陆瑞兴等,陡墙式海堤平台对波浪爬高的影响[J].海洋 工程,2007,25(1).