引导式弧形胸墙越浪量试验研究

引导式弧形胸墙越浪量试验研究

为了满足安全、经济和使用的要求，各种倾斜的海岸带通常配置胸墙。在胸墙设计中，顶部高度是一个重要的参数，它应该根据波浪的大小确定。从20世纪50年代开始，许多科学家从不同的角度研究了波浪。例如，根据波的不同方向和波浪的透水性，研究了在规则波和不规则波之间，梯度尾的越浪量，并提出了相应的计算公式。在接下来的几十年里，许多科学家讨论了不同方向和坡度的透水性对越浪量的影响。他研究了直方胸壁的倾斜坝。张家昌和周家宝从不同的倾斜角度研究了这种浪费。陈国平等学者还研究了河岸保护结构的形状、胸墙的高度和高度比对河岸保护的影响。周勤军、张九山和刘亚东通过数值媒体研究了河岸保护的越浪量。然而，上述研究主要是为了将直方波墙的回波效果，而对其他形式的胸墙研究较少。目前，国内外实际工程中以诱导弧胸墙为代表的新胸墙在[12]、13、14、15、16和17]方面得到了越来越多的应用[12]。基于波杯模型试验的优势，本文从墙高、拱形、高柱等因素出发，研究了直方波墙的反浪效应。基于直方波墙反浪量的计算方法，提出了直方波墙反浪量的计算方法，为实际高差设计提供了理论依据。1试验总结1.1引导式弧形胸径墙模型试验在河海大学教育部海岸灾害及防护重点实验室的波浪水槽中进行,水槽长80m、宽0.8m、深1.0m,水槽一端配有消浪装置,另一端为造波机,由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素.试验采用的结构断面如图1所示.其为坡度1∶3的单坡式斜坡堤,堤顶高7.23m,堤心用碎石堆成,护面采用混凝土板,胸墙放置在堤顶的碎石垫层上.引导式弧形胸墙与直立式相比最大的不同主要就是存在弧面.其改变了原有胸墙墙高及墙趾超高对越浪量的影响规律,同时还增加了弧面形式这一新的影响因素.因此,试验针对上述3个因素展开,分别选取了2种弧面形式(单弧式和双弧式),如图2、3所示.3种胸墙高度h(2.16m、2.51m及2.88m)及3种墙趾超高ΔZ(0、0.5m和1.2m).模型为正态,按照Froude相似定律设计,模型比尺取为1∶20.试验中采用水深d=7.23m,波高H1%=4.39m及周期T=8.40s.试验在上述波浪条件下,测定不同弧面形式、胸墙高度及墙趾超高的越浪量.1.2试验中所采用的弧面引导式弧形胸墙的引导主要体现在胸墙弧面与斜坡相切,这样可使上爬水体平顺地进入弧形胸墙,并沿着弧面运动,最终返回海洋.为了提高返浪效果,还应使胸墙的上端呈水平,具体布置形式如图1.为了使试验所采用的2种弧面形式能够满足上述要求,其弧面应该遵循以下的函数关系.双弧式:R2cosα+R1=h-Δh.(1)R2cosα+R1=h−Δh.(1)式中:R1为上半圆弧半径,R2为下半圆弧半径,α为斜坡堤的坡面夹角,h为胸墙高,Δh为鹰嘴厚度.单弧式:R=h-Δh1+cosα.(2)R=h−Δh1+cosα.(2)式中:R为单弧的半径.由式(1)、(2)可见,弧面半径与胸墙的墙高、斜坡的坡度及鹰嘴的厚度相关.当斜坡坡度与鹰嘴厚度一定时,弧形的半径仅与墙高有关.试验采用了1∶3的坡度及0.3m的鹰嘴厚度,因此,试验中所采用的弧形半径见表1.2试验结果的分析2.1相对墙高对双弧形胸径墙越浪量的影响图4中给出了不同相对墙高(h/H1/3)的情况下,2种弧形胸墙的越浪量.不论是单弧还是双弧胸墙的越浪量都随着相对墙高的增加而减少.但双弧的越浪量大于相同墙高的单弧,两者的差异随着相对墙高的增加而减小.在相对墙高为h/H=0.65附近,2种弧形胸墙的越浪量基本相等.当相对墙高增加后,使得2种弧形胸墙超过上爬水层厚度的弧长相近,因此,两者的越浪量会越来越接近.2.2双弧和单弧的双弧双弧和双弧的胸径墙z/1/3.对于不同的相对墙趾超高,2种弧形胸墙的越浪量随着相对墙趾超高的增加而减小(如图5).但两者防浪效果并不相同,双弧的越浪量大于单弧的胸墙.随着相对墙趾超高的增加,这种差异会减小.当相对墙趾超高(ΔZ/H1/3)大于0.45时,基本没有越浪.这主要是由于当ΔZ/H1/3较大时,上爬水层厚度将减小,使得2种弧形胸墙的返浪效果都得到较好的发挥.2.3种弧形胸径墙的越浪量根据以上分析可以发现,在h/H1/3及ΔZ/H1/3较小的情况下,2种弧形越浪量相差较为明显.表2中还给出了2种弧形胸墙的弧长,其为上壅水流实际行进的长度.由表2可知,不论何种墙高情况下,单弧弧长比双弧的都要长一些,这可能是造成单弧胸墙越浪量少于双弧的原因之一.同时在试验过程中可以观测到,上壅水体水层厚度已经超过胸墙高度的1/2.在这种条件下,弧形胸墙能够起到返挑水流作用的仅为上半部分.在3种墙高情况下,单弧上半部分弧长分别为1.49m、1.77m及2.07m,而双弧上半部分弧长则为1.05m、1.23m和1.41m,两者相差约在0.5m左右.这是导致2种弧形胸墙越浪量不同的关键因素之一.再对比图2和图3可知,单弧胸墙的墙面线(即墙趾与墙顶的连线)明显前倾,而双弧胸墙的墙面线则略有后仰近乎于直墙.水体在近似直立的双弧胸墙上爬高相对较为容易,而在前倾的单弧胸墙上则相对较为困难,这也是导致2种弧形胸墙越浪量存在差异的原因.根据上述分析,综合考虑越浪情况及施工的难易程度可知,单弧形胸墙更加适合于在工程中的广泛应用.3试验结果的修正为了研究单弧形胸墙的返浪效果,需基于相同结构及水文条件下,直立式胸墙的越浪量.根据现行海港水文规范可知,顶部设有直立式胸墙的越浪量主要与堤前波高H1/3,波浪周期T,堤前水深d,静水至平台的高度H′c,外侧堤坡坡度m,护面结构形式KA及胸墙墙趾到堤顶前沿的距离b1等因素有关,具体的计算公式如下:Q=0.7Η′c/Η1/3exp(0.5-b12Η1/3)BΚAΗ21/3Τ×[0.3√m+tanh(dΗ1/3-2.8)2]ln√gΤ2m2πΗ1/3.(3)式中:Q为越浪量,B为系数.式(3)主要由2个部分组成,一部分主要与水文条件及斜坡堤自身参数有关,而另一部分则主要由胸墙的参数所决定.水文条件及斜坡堤自身参数对越浪量的影响规律,基本不会受到胸墙形式变化的影响,因此,引导式弧形胸墙越浪量的计算公式主要应该修正原有直立式胸墙越浪量计算公式的第2部分(0.07H′c/H1/3).则式(3)改变为如下形式:Q=α0.07βΗ′c/Η1/3exp(0.5)BΚAΗ21/3Τ×[0.3√m+tanh(dΗ1/3-2.8)2]ln√gΤ2m2πΗ1/3.(4)式中:α为越浪量修正系数,β为胸墙形状修正系数.根据试验确定以上2个系数,α=9.5079、β=2.3974.修正后的计算结果与实测情况吻合较好,相关系数达到0.9268,表明所提出的修正方法是合理的.与式(3)对比其中还减少了b12Η1/3项,主要因为引导式弧形胸墙前面不存在宽度为b1的平台.广东惠来电厂海堤工程采用引导式弧形胸墙,其具体形式如图7所示.其护面采用18t的扭王块体,堤顶高程为11.50m,胸墙高为2.47m.当地200年一遇高潮位为4.07m,50年一遇设计高潮位为3.23m,其对应水深d为11.57m及10.73m,波高H1/3为6.83m和6.33m,波周期T为11.0s.根据式(4)计算所得及试验测定的越浪量列于表3.从表中可知,计算结果与实测结果基本吻合,偏差约在11%左右.由此可见,文中所建议的引导式弧形胸墙越浪量计算公式是可以用于实际工程的