引導(dǎo)式弧形胸墻越浪量試驗(yàn)研究

為了滿足安全、經(jīng)濟(jì)和使用的要求，各種傾斜的海岸帶通常配置胸墻。在胸墻設(shè)計(jì)中，頂部高度是一個(gè)重要的參數(shù)，它應(yīng)該根據(jù)波浪的大小確定。從20世紀(jì)50年代開始，許多科學(xué)家從不同的角度研究了波浪。例如，根據(jù)波的不同方向和波浪的透水性，研究了在規(guī)則波和不規(guī)則波之間，梯度尾的越浪量，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。在接下來(lái)的幾十年里，許多科學(xué)家討論了不同方向和坡度的透水性對(duì)越浪量的影響。他研究了直方胸壁的傾斜壩。張家昌和周家寶從不同的傾斜角度研究了這種浪費(fèi)。陳國(guó)平等學(xué)者還研究了河岸保護(hù)結(jié)構(gòu)的形狀、胸墻的高度和高度比對(duì)河岸保護(hù)的影響。周勤軍、張九山和劉亞?wèn)|通過(guò)數(shù)值媒體研究了河岸保護(hù)的越浪量。然而，上述研究主要是為了將直方波墻的回波效果，而對(duì)其他形式的胸墻研究較少。目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中以誘導(dǎo)弧胸墻為代表的新胸墻在[12]、13、14、15、16和17]方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[12]。基于波杯模型試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，本文從墻高、拱形、高柱等因素出發(fā)，研究了直方波墻的反浪效應(yīng)。基于直方波墻反浪量的計(jì)算方法，提出了直方波墻反浪量的計(jì)算方法，為實(shí)際高差設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。1試驗(yàn)總結(jié)1.1引導(dǎo)式弧形胸徑墻模型試驗(yàn)在河海大學(xué)教育部海岸災(zāi)害及防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽中進(jìn)行,水槽長(zhǎng)80m、寬0.8m、深1.0m,水槽一端配有消浪裝置,另一端為造波機(jī),由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素.試驗(yàn)采用的結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示.其為坡度1∶3的單坡式斜坡堤,堤頂高7.23m,堤心用碎石堆成,護(hù)面采用混凝土板,胸墻放置在堤頂?shù)乃槭瘔|層上.引導(dǎo)式弧形胸墻與直立式相比最大的不同主要就是存在弧面.其改變了原有胸墻墻高及墻趾超高對(duì)越浪量的影響規(guī)律,同時(shí)還增加了弧面形式這一新的影響因素.因此,試驗(yàn)針對(duì)上述3個(gè)因素展開,分別選取了2種弧面形式(單弧式和雙弧式),如圖2、3所示.3種胸墻高度h(2.16m、2.51m及2.88m)及3種墻趾超高ΔZ(0、0.5m和1.2m).模型為正態(tài),按照Froude相似定律設(shè)計(jì),模型比尺取為1∶20.試驗(yàn)中采用水深d=7.23m,波高H1%=4.39m及周期T=8.40s.試驗(yàn)在上述波浪條件下,測(cè)定不同弧面形式、胸墻高度及墻趾超高的越浪量.1.2試驗(yàn)中所采用的弧面引導(dǎo)式弧形胸墻的引導(dǎo)主要體現(xiàn)在胸墻弧面與斜坡相切,這樣可使上爬水體平順地進(jìn)入弧形胸墻,并沿著弧面運(yùn)動(dòng),最終返回海洋.為了提高返浪效果,還應(yīng)使胸墻的上端呈水平,具體布置形式如圖1.為了使試驗(yàn)所采用的2種弧面形式能夠滿足上述要求,其弧面應(yīng)該遵循以下的函數(shù)關(guān)系.雙弧式:R2cosα+R1=h-Δh.(1)R2cosα+R1=h?Δh.(1)式中:R1為上半圓弧半徑,R2為下半圓弧半徑,α為斜坡堤的坡面夾角,h為胸墻高,Δh為鷹嘴厚度.單弧式:R=h-Δh1+cosα.(2)R=h?Δh1+cosα.(2)式中:R為單弧的半徑.由式(1)、(2)可見,弧面半徑與胸墻的墻高、斜坡的坡度及鷹嘴的厚度相關(guān).當(dāng)斜坡坡度與鷹嘴厚度一定時(shí),弧形的半徑僅與墻高有關(guān).試驗(yàn)采用了1∶3的坡度及0.3m的鷹嘴厚度,因此,試驗(yàn)中所采用的弧形半徑見表1.2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1相對(duì)墻高對(duì)雙弧形胸徑墻越浪量的影響圖4中給出了不同相對(duì)墻高(h/H1/3)的情況下,2種弧形胸墻的越浪量.不論是單弧還是雙弧胸墻的越浪量都隨著相對(duì)墻高的增加而減少.但雙弧的越浪量大于相同墻高的單弧,兩者的差異隨著相對(duì)墻高的增加而減小.在相對(duì)墻高為h/H=0.65附近,2種弧形胸墻的越浪量基本相等.當(dāng)相對(duì)墻高增加后,使得2種弧形胸墻超過(guò)上爬水層厚度的弧長(zhǎng)相近,因此,兩者的越浪量會(huì)越來(lái)越接近.2.2雙弧和單弧的雙弧雙弧和雙弧的胸徑墻z/1/3.對(duì)于不同的相對(duì)墻趾超高,2種弧形胸墻的越浪量隨著相對(duì)墻趾超高的增加而減小(如圖5).但兩者防浪效果并不相同,雙弧的越浪量大于單弧的胸墻.隨著相對(duì)墻趾超高的增加,這種差異會(huì)減小.當(dāng)相對(duì)墻趾超高(ΔZ/H1/3)大于0.45時(shí),基本沒(méi)有越浪.這主要是由于當(dāng)ΔZ/H1/3較大時(shí),上爬水層厚度將減小,使得2種弧形胸墻的返浪效果都得到較好的發(fā)揮.2.3種弧形胸徑墻的越浪量根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn),在h/H1/3及ΔZ/H1/3較小的情況下,2種弧形越浪量相差較為明顯.表2中還給出了2種弧形胸墻的弧長(zhǎng),其為上壅水流實(shí)際行進(jìn)的長(zhǎng)度.由表2可知,不論何種墻高情況下,單弧弧長(zhǎng)比雙弧的都要長(zhǎng)一些,這可能是造成單弧胸墻越浪量少于雙弧的原因之一.同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中可以觀測(cè)到,上壅水體水層厚度已經(jīng)超過(guò)胸墻高度的1/2.在這種條件下,弧形胸墻能夠起到返挑水流作用的僅為上半部分.在3種墻高情況下,單弧上半部分弧長(zhǎng)分別為1.49m、1.77m及2.07m,而雙弧上半部分弧長(zhǎng)則為1.05m、1.23m和1.41m,兩者相差約在0.5m左右.這是導(dǎo)致2種弧形胸墻越浪量不同的關(guān)鍵因素之一.再對(duì)比圖2和圖3可知,單弧胸墻的墻面線(即墻趾與墻頂?shù)倪B線)明顯前傾,而雙弧胸墻的墻面線則略有后仰近乎于直墻.水體在近似直立的雙弧胸墻上爬高相對(duì)較為容易,而在前傾的單弧胸墻上則相對(duì)較為困難,這也是導(dǎo)致2種弧形胸墻越浪量存在差異的原因.根據(jù)上述分析,綜合考慮越浪情況及施工的難易程度可知,單弧形胸墻更加適合于在工程中的廣泛應(yīng)用.3試驗(yàn)結(jié)果的修正為了研究單弧形胸墻的返浪效果,需基于相同結(jié)構(gòu)及水文條件下,直立式胸墻的越浪量.根據(jù)現(xiàn)行海港水文規(guī)范可知,頂部設(shè)有直立式胸墻的越浪量主要與堤前波高H1/3,波浪周期T,堤前水深d,靜水至平臺(tái)的高度H′c,外側(cè)堤坡坡度m,護(hù)面結(jié)構(gòu)形式KA及胸墻墻趾到堤頂前沿的距離b1等因素有關(guān),具體的計(jì)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為越浪量,B為系數(shù).式(3)主要由2個(gè)部分組成,一部分主要與水文條件及斜坡堤自身參數(shù)有關(guān),而另一部分則主要由胸墻的參數(shù)所決定.水文條件及斜坡堤自身參數(shù)對(duì)越浪量的影響規(guī)律,基本不會(huì)受到胸墻形式變化的影響,因此,引導(dǎo)式弧形胸墻越浪量的計(jì)算公式主要應(yīng)該修正原有直立式胸墻越浪量計(jì)算公式的第2部分(0.07H′c/H1/3).則式(3)改變?yōu)槿缦滦问?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為越浪量修正系數(shù),β為胸墻形狀修正系數(shù).根據(jù)試驗(yàn)確定以上2個(gè)系數(shù),α=9.5079、β=2.3974.修正后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)情況吻合較好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9268,表明所提出的修正方法是合理的.與式(3)對(duì)比其中還減少了b12Η1/3項(xiàng),主要因?yàn)橐龑?dǎo)式弧形胸墻前面不存在寬度為b1的平臺(tái).廣東惠來(lái)電廠海堤工程采用引導(dǎo)式弧形胸墻,其具體形式如圖7所示.其護(hù)面采用18t的扭王塊體,堤頂高程為11.50m,胸墻高為2.47m.當(dāng)?shù)?00年一遇高潮位為4.07m,50年一遇設(shè)計(jì)高潮位為3.23m,其對(duì)應(yīng)水深d為11.57m及10.73m,波高H1/3為6.83m和6.33m,波周期T為11.0s.根據(jù)式(4)計(jì)算所得及試驗(yàn)測(cè)定的越浪量列于表3.從表中可知,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,偏差約在11%左右.由此可見,文中所建議的引導(dǎo)式弧形胸墻越浪量計(jì)算公式是可以用于實(shí)際工程的