斜坡堤防浪墙型式合理性试验研究

第５期总第３８８期

水运工程

Ｐｏｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｍａｙ２００６

Ｎｏ．５ＳｅｒｉａｌＮｏ．３８８

综・合・

斜坡堤防浪墙型式合理性试验研究

琚烈红

（南京水利科学研究院，江苏

南京

２１００２４）

摘要：在海堤、护岸等斜坡式防浪建筑物中，为满足越浪与稳定要求，减少工程投资，通常在堤顶设置防浪墙。通过

对常用的直立式及几种圆弧式防浪墙进行物理模型试验，测量作用其上的波浪力和越浪量，分析不同防浪墙形式在受力和越浪上各自的特点，并讨论防浪墙型式引起的越浪和受力的相互关系，可供斜坡堤防浪墙设计参考。

关键词：防浪墙；波浪力；越浪量中图分类号：Ｕ６５６．１

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００２－４９７２（２００６）０５－０００１－０３

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＲａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆＷａｖｅＳｃｒｅｅｎＴｙｐｅｓｏｆＳｌｏｐｉｎｇＢｒｅａｋｗａｔｅｒｓ

ＪＵＬｉｅ－ｈｏｎｇ

（ＮａｎｊｉｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗａｖｅｓｃｒｅｅｎｓａｒｅｏｆｔｅｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｔｏｐｏｆｓｌｏｐｉｎｇｗａｖｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓ

ｓｅａｗａｌｌ，ｒｅｖｅｔｍｅｎｔｓ，ｅｔｃ．ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｕｔｄｏｗｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｓｔ．Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｅｓｔａｂｏｕｔｖｅｒｔｉｃａｌａｎｄｓｅｖｅｒａｌａｒｃｔｙｐｅｗａｖｅｓｃｒｅｅｎｓｗｈｉｃｈｗｅｒｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｃｅａｎｄｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｏｎｔｈｅｗａｖｅｓｃｒｅｅｎｓ，ｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｄｕｅｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｗａｖｅｓｃｒｅｅｎｓ，ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ．

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｖｅｓｃｒｅｅｎ；ｗａｖｅｆｏｒｃｅ；ｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ

在设计海堤、护岸等斜坡式防浪建筑物时，为减小堤身断面、降低造价，通常会在堤顶设置防浪墙。有关波浪对防浪墙作用力及防浪墙顶越浪已有很多研究，《海港水文规范》［１］给出了设置有防浪墙斜坡堤波浪力和越浪量的计算方法，潘少华［２］进一步提出有消浪块体的斜坡堤防浪墙波浪力计算方法。１９９９年，ＦｒａｎｃｉｓｃｏＬ．Ｍａｒｔｉｎ，

出的计算方法，章家昌、周家保［４－５］等，ＪｅｎｔｓｊｅＷ．

ＶａｎｄｅｒＭｅｅｒ［６］，Ｒｉｃｈａｒｄ［７］，Ｏｗｅｎ［８］对斜坡堤越浪

量都进行了试验或研究，得到斜坡堤越浪量计算方法。这些研究在针对有防浪墙时堤顶的越浪量及防浪墙受力时，将防浪墙简化处理，没有考虑不同防浪墙型式对越浪及受力的影响以及它们之间的相互关系。

近年来，斜坡堤、护岸等设计中对防浪墙型式作了很多探索，其中就包括带圆弧的型式，本文统称圆弧式防浪墙。圆弧式防浪墙在受力与越浪等关系斜坡堤造价和安全的重要参数上与直立

ＭｉｇｕｅｌＡ．Ｌｏｓａｄａ，ＲａｕｌＭｅｄｉｎａ

［３］

等人从波浪爬高

的角度来计算防浪墙的波浪力和作用高度，并且通过物理模型试验进行了验证。斜坡堤越浪的研究与其爬高研究紧密联系在一起，除了规范［１］给

收稿日期：２００５－１２－１３

作者简介：琚烈红（１９７５－），男，硕士，工程师，主要从事近岸工程试验研究工作。

・

２

・水运工程２００６年

式防浪墙有很大不同，而圆弧式防浪墙型式多种多样，越浪及受力特性也各具特色。本文通过对几种典型防浪墙型式进行波浪物理模型系列试验，测量作用其上的波浪力和顶部越浪量，从而说明不同防浪墙型式间的受力及越浪的差别，并分析越浪与受力之间相互影响关系。

２试验概况

本次试验选取４种典型的防浪墙型式来进行，

图２试验断面图（单位：ｃｍ）

包括１种直立式和３种圆弧式的防浪墙，分别称为直立式、圆弧式１、圆弧式２和后仰式。直立式防浪墙结构简单，施工方便，在实际工程应用中比较常见，带圆弧的防浪墙形式也被较多采用。３种圆弧式防浪墙的区别在于：圆弧式２比圆弧式１的圆弧挑檐长度要长一倍，弧度末端切线方向水平，而圆弧式１的圆弧末端切线方向与水平交角为６０°；后仰式防浪墙圆弧段同圆弧式１，但迎浪面下段向后倾斜１５°。四种防浪墙具体断面型式如图１所示。

种周期组合不同波高。每次试验测量波浪力和越浪量。

３３．１

试验结果分析防浪墙迎浪面受力

试验测量了防浪墙迎浪面压强分布。当波浪

在斜坡上破碎后，沿斜坡冲击防浪墙，对防浪墙产生作用力。波浪作用力在防浪墙迎浪面上的大小、分布受防浪墙的型式影响而不同。圆弧式防浪墙的圆弧段受水流冲击，改变水流方向，相对于直立式所受压强较大；圆弧挑檐长度越长，圆弧处产生局部冲击压强就越大，一般冲击压强最大值就出现在圆弧处。图３列举是水深分别为

４０ｃｍ和４５ｃｍ时，不同防浪墙型式迎浪面上压强

（垂直于表面）分布情况，纵坐标是压强测点离堤顶垂直高度，横坐标是表面压强。

由图３可见，波浪主要的冲击部位在防浪墙的下部，在水深为４０ｃｍ时最大压强都在防浪墙迎浪面下段的测点上，而在水深４５ｃｍ时，最大压强出现在防浪墙的中部。试验表明，水深为４０ｃｍ时，防浪墙上部分测得压强较小，但圆弧处压强

图１

防浪墙断面图（单位：ｃｍ）

试验断面如图２所示，为坡度１∶１．５单坡形式斜坡堤，堤顶高４０ｃｍ，肩宽１２ｃｍ。堤心用碎石堆成，护面摆放１６０￣１６５ｇ扭王字块体一层，下面铺设２ｃｍ厚８～１３ｇ块石垫层。防浪墙放置在堤顶碎石垫层上。

采用波浪物理模型断面试验，作为对比试验，试验只采用规则波进行。试验水深为４０ｃｍ和４５ｃｍ，周期分别为１．０ｓ、１．２ｓ、１．５ｓ、１．８ｓ和２．０ｓ，每

（ａ）ｄ＝４０ｃｍ，Ｔ＝１．８ｓ，Ｈ＝７．９ｃｍ

第５期琚烈红：斜坡堤防浪墙型式合理性试验研究・

３・

周期短，波浪在斜坡堤上爬高较小，对防浪墙冲击主要在防浪墙的底部，而后仰式防浪墙的下部受力方向是向下倾斜的，能产生向下的分力，同时水平分力也小一些。从图还可以看出，几种防浪墙的垂直力差别很大，这是因为圆弧挑檐的长度不同；从已分析的压强分布可知，圆弧挑檐长度增加，会增大圆弧处的压强，而同时圆弧受力面积也增大，因而，其垂直力会随着圆弧的增大而迅速增大。

（ｂ）ｄ＝４５ｃｍ，Ｔ＝１．２ｓ，Ｈ＝８．１ｃｍ

３．２不同防浪墙的越浪量

试验中测量不同水位、波要素条件下的４种

图３不同条件下防浪墙表面压力分布

防浪墙的越浪量。在临界越浪条件（水位、波高

仍较大；水深为４５ｃｍ时，最大压强出现在圆弧处，圆弧处的压强以圆弧式２最大，而直立式最小。可见，圆弧挑檐加长使得圆弧处的压强增大。

根据各防浪墙最大同步压强计算出防浪墙迎浪面总的受力，分解为水平力Ｆ１和垂直力Ｆ２，无量纲化为Ｆ１／（γＨｈ）和Ｆ２／（γＨｈ），以波陡Ｈ／Ｌ作为变量因子进行比较（ｈ为防浪墙高度，Ｈ为波高；为水比重；ｄ为水深；Ｆ１为防浪墙迎浪面水平总γ

分力；Ｆ２为防浪墙迎浪垂直总分力）；具体见图４。

等）下，越浪随水位、波高变化非常敏感。圆弧式防浪墙减小越浪作用非常明显，而且其产生越浪的临界越浪条件比直立式防浪墙要高，也就是说，同等水位下产生越浪的临界波高要大，或同等波高下产生越浪的临界水位要高等。表１列出了在水深４５ｃｍ、周期为１．２ｓ时四种防浪墙的防浪墙顶越浪量大小。

由表１可见，在产生越浪以后，越浪量对波高变化就非常敏感；同等水位、波要素条件下，有圆弧的防浪墙比直立式防浪墙越浪量要小很多，其中，圆弧式２的越浪量最小，圆弧式１和后仰式比较类似，直立式的越浪量最大。在Ｈ／ｄ为

０．３２时，直立式、圆弧式１、后仰式和圆弧式２的

越浪量之比约为３∶２∶２∶１的关系。可见，圆弧挑檐的长度也是减小越浪量的关键因素。

３．３作用力与越浪量综合比较

表１

ｄ＝４０ｃｍ，Ｔ＝１．２ｓ时不同防浪墙越浪量

越浪量（ｑ／!ｇＨ３）

后仰式

直立式

圆弧式１

圆弧式２

Ｈ／ｄ０．３４０．３３０．３２０．２８

０．０１６４０．０１１５０．０１０００．００３９０．０００２

０．０３８６０．０３１８０．０１６９０．０１３７０．００８４

０．０１９６０．０１４４０．０１３００．００４９０．０００３

０．０１４２０．００６６０．００５２０．０００００．００００

图４ｄ＝４５ｃｍ相对总分力与波陡的关系０．２５

由图４可见，几种防浪墙的水平力差别与向上垂直力相比较小，直立式和圆弧式１、２水平力差别不大，只有后仰式随着波陡的增大，水平力相对要小一点。这是因为相同波高的大波陡波浪

为了比较越浪量和防浪墙受力的相互关系，取了一个参数ｑ／Ｆ２・λＨｈ／!ｇＨ来反映防浪墙型式对减小越浪和受力的相互关系，与防浪墙圆弧挑檐长度相关。

（下转第７页）

３第５期杨艳增，陈兵：利用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程对作用于大直径圆筒结构上的波浪力进行数值模拟・

７・

看出，与线性理论相比，考虑了弱非线性和弱色散性Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程在对波浪力的数值模拟中更能准确地反映圆筒的实际受力情况。参考文献：

［１］

钱荣，周锡礽，张建辉．作用于圆柱壳结构上波浪力的多元线形回归分析［Ｊ］．港工技术，２００１（３）：１－３．

［２］李世森，张伟．大直径圆筒结构上波浪力的数值模拟与试验研究［Ｊ］．中国港湾建设，２００３（２）：１１－１６．

［３］ＢｅｊｉＳ；ＮａｄａｏｋａＫ．Ａｆｏｒｍａｌｄｅｒｉｖａｔｉｏｎａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌ

ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒｖａｒｙｉｎｇｄｅｐｔｈ［Ｊ］．ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，２３（８）：６９１－７０４．

［４］

邹志利．水波理论及应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第３页）

图５是水深４５ｃｍ、周期为１．２ｓ时４种防浪墙的越浪／受力参数随相对波高的变化关系（ｋ是系数）。

４结语

防浪墙型式对防浪墙的越浪和受力影响很

大，与直立式防浪墙相比，圆弧式防浪墙的圆弧挑檐能减小其顶部越浪，并提高了其临界越浪条件，但同时大大增加了垂直力及倾覆力矩。对圆弧式防浪墙，其圆弧挑檐的长度则是影响防浪墙越浪和受力的关键性参数，随着圆弧挑檐长度增大，圆弧处除了垂向力受力面积增大外，压强也增大，垂直向上受力迅速增大。后仰式防浪墙由于防浪墙底部后仰，迎浪面受力向下倾斜，产生垂直向下分力，利用型式减小向上垂直力，在小越浪条件下是较好的防浪墙型式。参考文献：

［１］［２］［３］

图５ｄ＝４５ｃｍ，Ｔ＝１．２ｓ不同防浪墙越浪量和垂直力比值与

相对波高的变化关系

随着圆弧挑檐长度的增加，防浪墙的垂直力不断加大，越浪量受圆弧反射而减少，越浪／受力参数不断减小，但随波高变化的曲线只是相差一个常数，变化趋势接近；但随着波高增大，由于圆弧减少越浪效果就不明显，受力也继续增大，越浪／受力参数呈现类似指数增长的趋势。可见，圆弧减小越浪的机理主要是提高其产生越浪的临界条件，而在大越浪情况下，圆弧的作用不明显。

由图５可见，圆弧式２的变化关系处于右下部分，越浪与受力的比值最小；直立式是另１种极端的情况，越浪很大，没有圆弧形成的垂直力；圆弧式１和后仰式处在中间，后仰式比值略小一点，因为后仰式在波陡较大时受力较小，而且越浪也相对其它防浪墙型式要小。

ＪＴＪ２１３—９８，海港水文规范［Ｓ］．

潘少华．有消浪块体的斜坡堤防浪墙波浪力计算［Ｊ］．水运工程，１９９１（１１）：２－７．

ＦｒａｎｃｉｓｃｏＬＭａｒｔｉｎ，ＭｉｇｕｅｌＡ．ｌｏｓａｄａ，ＲａｕｌＭｅｄｉｎａ．Ｗａｖｅｌｏａｄｓｏｎｒｕｂｂｌｅｍｏｕｎｄｂｒｅａｋｗａｔｅｒｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｗａｌｌｓ［Ｊ］．ＣｏａｓｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９（３７）：１４９－１７４．

［４］章加昌，周家宝，王红．越浪量模型试验研究报告［Ｒ］．南京：南京水利科学研究院河港研究所，１９９２．

［５］王红，章加昌，周家宝．越浪量模型补充试验［Ｒ］．南京：南京水利科学研究院河港研究所，１９９４．

［６］［７］［８］

ＪｅｎｔｓｊｅＷ．ｖａｎｄｅｒｍｅｅｒ．Ｗａｖｅｒｕｎｕｐａｎｄｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ［Ｒ］．Ｈｏｌｌａｎｄ：２００２．

ＲｉｃｈａｒｄＷｅｇｇｌｅＪ．ＷａｖｅｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇＥｑｕａｔｉｏｎ［Ａ］．／／Ｐｒｏｃｅｅ－ｄｉｎｇｓｏｆ１５ｔｈＣｏｎｆｒｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏａｓｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９７６．ＯｗｅｎＭＷ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅａｗａｌｌｓａｌｌｏｗｉｎｇｆｏｒｗａｖｅｏｖｅｒｔｏｐ－ｐｉｎｇ．［Ｒ］．ＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ，ＵＫ，１９８０．