圆弧面防波堤波浪力初步研究.pdf

1、 文 章 编 号 :100529865 (2006) 0120014205圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 初 步 研 究谢 世 楞 1 , 2 , 李 炎 保 1 , 吴 永 强 1 ,2 , 谷 汉 斌 1 , 3(1. 天 津 大 学 建 筑 工 程 学 院 , 天 津 300072 ; 2. 中 交 第 一 航 务 工 程 勘 察 设 计 院 , 天 津 300222 ; 3. 交 通 部 天津 水 运 工 程 科 学 研 究 所 , 天 津 300456)摘 要 :圆 弧 面 防 波 堤 是 在 半 圆 形 防 波 堤 基 础 上 开 发 的 一 种 新 型 防 波 堤 。 首 先

2、 通 过 与 半 圆 形 防 波 堤 相 同 条 件 下 的 波 浪 试 验 ,检 验 圆 弧 面 防 波 堤 的 稳 定 性 ,并 利 用 数 值 波 浪 水 槽 对 圆 弧 面 防 波 堤 的 水 力 特 性 进 行 初 步 研 究 ,探 求 造 成 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆形 防 波 堤 波 浪 力 差 别 的 主 要 原 因 。 通 过 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 的 对 比 试 验 ,提 出 了 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 的 简化 计 算 方 法 ,以 半 圆 堤 正 向 水 平 波 浪 力 乘 以 一 修 正 系 数 ,在 堤

3、 顶 淹 没 情 况 下 修 正 系 数 可 取 1. 3 ,在 堤 顶 出 水 情 况 下 修 正 系 数 可取 1. 1。关 键 词 :圆 弧 面 防 波 堤 ;半 圆 形 防 波 堤 ;波 浪 力 ;计 算 方 法中 图 分 类 号 :U65612 文 献 标 识 码 : APreliminary research on wave forces on quarter circular breakwaterXIE Shi2leng1 ,2 , LI Yan2bao1 , WU Yong2qiang1 ,2 , GU Han2bin1 ,3(1. School of Civil Engine

4、ering , Tianjin University , Tianjin 300072 , China ; 2. China Communications First Design Institute of Navigation En2gineering , Tianjin 300222 , China ; 3. Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering , Tianjin 300456 , China)Abstract : The quarter circular breakwater is a new type br

5、eakwater developed on the basis of the semi2circular breakwater. This type of break2water is composed of a quarter circular front wall , a horizontal base slab and a vertical rear wall , the width of which is about one half of thatof the semi2circular breakwater , suitable to be used on relatively f

6、irm soil foundation. The engineering quantity of the rubble mound foundationof this new type of breakwater can be reduced. The stability of the quarter circular breakwater is examined by wave model tests with the samecondition as the semi2circular breakwater option. The numerical wave flume is used

7、to study the hydraulic characteristics of the quarter circularbreakwater preliminarily in order to find out the main reason for the difference of wave forces on the quarter circular breakwater and on the se2mi2circular one. Based on comparison tests of wave forces acting on these two types of breakw

8、aters , a simplified calculation method of waveforces on the quarter circular breakwater is proposed : the horizontal wave force can be expressed by applying a modification coefficient to thatfor the semi2circular breakwater. The modification coefficient can be taken as 1. 3 for submerged condition

9、or 1. 1 for the breakwater with afreeboard.Key words : quarter circular breakwater ; semi2circular breakwater ; wave forces ; calculation method收 稿 日 期 :2005202216基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50279028)作 者 简 介 :谢 世 楞 (1935 - ) ,男 ,浙 江 慈 溪 人 ,工 程 院 院 士 ,主 要 从 事 港 口 和 海 岸 工 程 的 设 计 和 研 究 工 作 。圆 弧

10、面 防 波 堤 是 在 半 圆 形 防 波 堤 应 用 经 验 基 础 上 开 发 的 一 种 新 型 防 波 堤 1 3 ,其 断 面 如 图 1 所 示 。 堤身 由 1/ 4 圆 的 圆 弧 迎 浪 面 、 水 平 底 板 和 竖 直 后 墙 组 成 ,其 底 宽 约 相 当 于 半 圆 堤 堤 身 的 一 半 。 与 半 圆 形 防 波 堤相 同 ,圆 弧 面 防 波 堤 的 堤 身 也 坐 落 在 抛 石 基 床 上 。 由 于 堤 身 底 宽 缩 小 将 近 一 半 ,圆 弧 面 防 波 堤 所 需 要 的 抛 石基 床 工 程 量 比 半 圆 形 防 波 堤 显 著 减 少 ,这

11、 是 开 发 圆 弧 面 防 波 堤 的 主 要 目 的 。 圆 弧 面 防 波 堤 吸 收 了 半 圆 形 防波 堤 水 力 和 结 构 特 性 的 诸 多 优 点 ,例 如 ,以 圆 弧 面 迎 浪 可 以 减 少 波 浪 力 作 用 ;作 用 于 圆 弧 面 的 波 浪 压 力 通 过圆 心 ,对 堤 身 不 产 生 倾 覆 力 矩 ;圆 拱 结 构 的 构 件 受 力 性 能 好 ;在 陆 上 预 制 ,便 于 安 装 ,施 工 简 便 ;堤 身 内 不 需 填第 24 卷 第 1 期2006 年 2 月海 洋 工 程THE OCEAN ENGINEERINGVol124 No11Fe

12、b. 2006充 石 料 ,安 放 后 即 可 抵 御 大 浪 袭 击 ;具 有 较 好 的 景 观 效 果 等 。 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 各 有 其 适 用 的 地基 条 件 。 半 圆 形 防 波 堤 地 基 应 力 基 本 为 均 布 状 况 ,适 合 于 软 基 ,其 基 床 顶 宽 约 堤 身 高 度 2 倍 的 目 的 在 于 扩 大基 床 和 地 基 的 受 力 面 积 ;圆 弧 面 防 波 堤 则 适 合 于 地 基 较 好 的 情 况 ,可 以 减 少 基 床 抛 石 和 相 关 的 工 作 量 。圆 弧 面 防 波 堤 作 为 一 种 新 型

13、防 波 堤 ,需 对 其 可 行 性 和 水 力 特 性 进 行 研 究 。 本 文 首 先 通 过 与 半 圆 形 防 波堤 相 同 波 浪 条 件 下 的 稳 定 性 试 验 ,检 验 圆 弧 面 防 波 堤 的 可 行 性 ;然 后 进 行 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪力 对 比 试 验 ,探 讨 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 的 计 算 方 法 ;同 时 通 过 数 值 波 浪 水 槽 对 圆 弧 面 防 波 堤 的 水 力 特 性 进 行初 步 研 究 ,分 析 造 成 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 差 别 的 主

14、 要 原 因 ,以 说 明 建 议 计 算 方 法 的 依 据 。图 1 圆 弧 面 防 波 堤 构 造 组 成 和 试 验 断 面Fig. 1 Cross section of quarter circular breakwater1 圆 弧 面 防 波 堤 稳 定 性 试 验表 1 试 验 水 位 及 波 浪 要 素Tab. 1 Test water levels and wave parameters水 位 / m 波 要 素H/ m T/ s极 端 高 水 位 5. 32 6. 44 7. 86设 计 高 水 位 4. 06 6. 10 7. 65堤 顶 水 位 2. 00 5. 59

15、 7. 30设 计 低 水 位 0. 16 5. 26 6. 82注 :表 列 试 验 波 高 H 对 应 于 波 列 累 积 频 率 为 1 %的 设 计波 高 ,周 期 T 对 应 于 平 均 周 期 。试 验 条 件 采 用 某 大 型 工 程 中 半 圆 形 防 波 堤 方 案 的 设 计水 位 和 波 况 组 合 (见 表 1) 。 圆 弧 面 防 波 堤 的 堤 身 高 度 与 重量 和 该 半 圆 形 防 波 堤 方 案 的 堤 身 高 度 和 重 量 一 致 ,试 验 断面 如 图 1 所 示 。 试 验 水 槽 尺 度 为 30 m 1. 0 m 1. 3 m(长 宽 高 )

16、 ,水 槽 分 隔 为 0. 7 m 与 0. 3 m 两 部 分 ,以 减 弱 造波 板 的 二 次 反 射 。 作 为 初 步 研 究 ,只 进 行 规 则 波 试 验 。 模型 按 重 力 相 似 设 计 ,长 度 比 尺 为 1 :30。 每 种 波 浪 试 验 条 件下 波 浪 连 续 作 用 的 累 计 历 时 相 当 于 原 型 波 浪 作 用 时 间 2 h以 上 。在 表 1 所 列 极 端 高 水 位 、 设 计 高 水 位 、 堤 顶 水 位 、 设 计低 水 位 及 相 应 波 浪 条 件 下 圆 弧 面 防 波 堤 都 具 有 充 分 的 稳 定 性 ,试 验 波 浪

17、 连 续 作 用 下 未 见 任 何 滑 移 或 摆 动 ,证实 了 圆 弧 面 防 波 堤 稳 定 性 接 近 于 半 圆 形 防 波 堤 ,在 地 基 承 载 力 允 许 的 条 件 下 ,其 应 用 是 可 行 的 ,能 够 带 来 较大 的 经 济 效 益 。2 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 对 比 试 验在 表 1 所 列 的 水 位 和 波 浪 条 件 下 分 别 测 定 了 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 ,以 进 行 分 析 比 较 ,参照 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 计 算 方 法 确 定 作 用 在

18、圆 弧 面 防 波 堤 上 的 波 浪 力 。 在 试 验 模 型 中 沿 堤 身 迎 浪 面 、 底 板和 背 浪 面 布 置 压 力 传 感 器 ,根 据 对 堤 身 各 部 分 实 测 波 压 强 度 积 分 的 方 法 确 定 作 用 于 堤 身 的 合 成 波 浪 力 。 合成 波 浪 力 分 别 以 水 平 合 力 和 竖 向 合 力 给 出 ,定 义 行 进 波 的 方 向 为 水 平 波 浪 力 的 正 方 向 ,竖 直 向 上 为 垂 向 力 正方 向 。 沿 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 模 型 堤 身 布 置 的 压 力 传 感 器 位 置 如 图

19、2 所 示 。 本 次 试 验 的 圆 弧 面 防波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 堤 身 均 未 开 设 泄 压 或 泄 气 孔 。试 验 同 步 记 录 了 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 模 型 各 部 分 的 波 压 过 程 ,根 据 这 些 波 压 过 程 可 得 到 作 用于 堤 身 的 合 成 波 浪 力 的 变 化 过 程 ,由 此 可 得 到 对 堤 身 稳 定 性 起 控 制 条 件 的 最 大 水 平 波 浪 力 以 及 最 大 竖 向 波浪 力 ,以 下 对 波 浪 力 的 分 析 均 以 最 大 值 为 代 表 。 试 验 结 果 表 明 ,在

20、相 同 的 水 位 和 波 浪 条 件 下 ,作 用 于 圆 弧 面防 波 堤 堤 身 的 波 浪 力 大 于 半 圆 形 防 波 堤 堤 身 上 的 波 浪 力 ,水 位 高 于 堤 顶 的 淹 没 情 况 下 两 者 的 差 别 大 于 水 位低 于 堤 顶 的 出 水 堤 情 况 。 图 3 为 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 出 现 最 大 水 平 波 浪 合 力 时 刻 堤 身 各 部 分 波 压51第 1 期 谢 世 楞 ,等 :圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 初 步 研 究分 布 示 例 。图 2 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 模 型

21、 压 力 传 感 器 布 置Fig. 2 Arrangement of pressure sensors for the test models of quarter circular breakwater and semi2circular breakwater图 3 正 向 最 大 水 平 波 浪 力 时 刻 沿 圆 弧 面 防 波 堤 和 半 圆 形 防 波 堤 堤 身 的 波 压 分 布Fig. 3 Wave pressure distribution along quarter circular breakwater and semi2circular breakwater unde

22、r maximum horizontal wave forces3 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 计 算 方 法 的 初 步 分 析3. 1 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 形 成 机 理 的 差 别圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 的 迎 浪 面 完 全 相 同 ,可 根 据 它 们 的 水 力 特 性 以 及 波 浪 力 对 比 试 验 结 果 分析 波 浪 力 形 成 机 理 的 不 同 点 ,以 通 过 修 正 方 法 确 定 圆 弧 面 防 波 堤 上 的 波 浪 力 。 物 模 和 数 模 试 验 都 表 明 ,两 种类 型

23、防 波 堤 堤 前 水 力 现 象 基 本 相 同 ,而 堤 后 水 力 现 象 差 别 较 大 ,半 圆 型 防 波 堤 的 受 力 条 件 优 于 圆 弧 面 防 波堤 。 其 原 因 是 圆 弧 面 防 波 堤 背 浪 面 为 垂 直 面 ,在 堤 顶 有 一 个 突 然 转 折 ,波 浪 越 过 时 水 流 紊 乱 ,容 易 出 现 尾 涡 ,形 成 负 压 区 ,加 大 顺 浪 方 向 的 波 浪 力 ;而 半 圆 堤 背 浪 面 为 与 迎 浪 面 光 滑 连 接 的 圆 弧 面 ,波 浪 越 过 时 成 光 滑 绕流 状 态 ,不 易 出 现 水 流 紊 乱 。3. 2 圆 弧

24、面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 实 测 波 浪 力 的 比 值表 2 列 出 相 同 试 验 条 件 下 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 堤 上 的 波 浪 力 比 值 。 各 种 试 验 条 件 下 两 种 堤 型 最 大 正向 水 平 力 的 比 值 变 化 不 大 ,在 淹 没 情 况 下 ,圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 型 防 波 堤 最 大 波 压 力 比 值 接 近 1. 3 ;在 出 水堤 情 况 下 ,两 者 比 值 接 近 1. 1。 两 种 堤 型 最 大 负 向 水 平 力 比 值 波 动 变 化 较 大 。 两 种 堤 型 最 大 正 向 竖 向

25、力 比值 小 于 1 ,有 着 从 高 水 位 向 低 水 位 逐 渐 变 小 的 趋 势 。61 海 洋 工 程 第 24 卷表 2 相 同 试 验 条 件 下 圆 弧 堤 与 半 圆 堤 波 浪 力 比 值 = F圆 弧 / F半 圆Tab. 2 Wave forces ratio between quarter circular breakwater and semi2circular breakwater = Fquarter/ Fsemi试 验 条 件 H/ m T/ s FHmax + FHmax - FVmax +淹 没 情 况 (极 端 高 水 位 5. 32 m)6. 44

26、7. 86 1. 19 1. 14 0. 796. 00 7. 86 1. 32 1. 12 0. 865. 50 7. 86 1. 28 1. 09 0. 815. 00 7. 86 1. 28 1. 29 0. 954. 69 7. 86 1. 28 1. 24 0. 91淹 没 情 况 (设 计 高 水 位 4. 06 m)6. 10 7. 65 1. 13 1. 21 0. 645. 50 7. 65 1. 03 1. 21 0. 705. 00 7. 65 1. 28 1. 37 0. 714. 46 7. 65 1. 28 0. 99 0. 57平 顶 情 况 (堤 顶 水 位 2

27、. 00 m) 4. 50 7. 30 1. 16 1. 60 0. 444. 17 7. 30 1. 21 1. 42 0. 49出 水 情 况 (设 计 低 水 位 0. 16 m)3. 96 6. 82 1. 06 0. 313. 50 6. 82 1. 08 1. 28 0. 403. 00 6. 82 1. 01 0. 89 0. 32注 : FHmax + 为 最 大 正 向 水 平 力 的 比 值 ; FHmax - 为 最 大 负 向 水 平 力 的 比 值 ; FVmax + 为 最 大 正 向 垂 向 力 的 比 值 。3. 3 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 的 简

28、易 计 算 方 法根 据 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 对 比 试 验 结 果 ,注 意 到 最 大 负 向 水 平 力 和 最 大 正 向 竖 向 力 比值 的 变 化 特 点 ,考 虑 到 防 波 堤 稳 定 性 验 算 主 要 以 最 大 正 向 水 平 力 为 控 制 条 件 ,这 里 仅 讨 论 圆 弧 面 防 波 堤 上 的正 向 波 浪 力 ,并 建 议 以 下 的 简 化 计 算 方 法 。圆 弧 面 防 波 堤 正 向 水 平 波 压 力 可 以 半 圆 堤 正 向 水 平 波 压 力 乘 一 修 正 系 数 来 计 算 。 在 堤 顶 淹

29、没 情 况 下 ,修 正 系 数 可 取 1. 3 ;在 堤 顶 出 水 情 况 下 ,修 正 系 数 可 取 1. 1。半 圆 堤 正 向 水 平 波 浪 力 的 计 算 ,通 常 对 堤 顶 出 水 情 况 采 用 谷 本 胜 利 等 4 建 议 的 以 计 算 直 立 式 防 波 堤 波浪 力 的 合 田 公 式 为 基 础 的 修 正 方 法 ;堤 顶 淹 没 情 况 采 用 谢 世 楞 5 建 议 的 修 正 方 法 。3. 4 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 的 简 化 计 算 方 法 验 证上 述 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 计 算 方 法 是 根 据 水 槽 中 相

30、 同 试 验 条 件 下 圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力的 比 值 提 出 的 。 为 验 证 按 照 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 公 式 计 算 得 到 的 结 果 与 工 程 实 际 是 否 相 符 ,利 用 表 1 的 水位 和 波 浪 条 件 对 图 1 所 示 圆 弧 面 防 波 堤 进 行 稳 定 性 验 算 ,得 到 的 结 论 与 本 文 第 2 节 的 试 验 结 果 一 致 ,初 步 证实 了 本 文 推 荐 方 法 是 可 行 的 。4 波 浪 与 圆 弧 面 防 波 堤 相 互 作 用 的 数 值 模 拟为 了 解 圆 弧 面 防

31、 波 堤 的 水 力 特 性 ,利 用 NEWFLUME波 浪 数 值 水 槽 模 拟 表 1 所 列 部 分 水 位 波 浪 条 件 下 波浪 与 圆 弧 面 防 波 堤 相 互 作 用 过 程 。 NEWFLUME波 浪 数 值 水 槽 的 基 本 方 程 为 不 可 压 缩 流 体 的 雷 诺 应 力 方 程 ,采 用 k - 紊 流 模 型 封 闭 雷 诺 应 力 项 ,利 用 VOF 法 跟 踪 自 由 水 面 。 图 4 给 出 其 结 果 一 例 。 从 此 图 可 看 到 ,当波 浪 越 过 圆 弧 面 防 波 堤 堤 顶 时 ,堤 后 出 现 尾 涡 。 尾 涡 的 出 现

32、在 一 定 程 度 上 是 圆 弧 面 防 波 堤 垂 直 背 浪 面 在 堤顶 剧 烈 转 折 引 起 的 ,这 与 半 圆 形 防 波 堤 迎 浪 面 背 浪 面 在 堤 顶 光 滑 过 渡 有 明 显 差 别 。 是 造 成 两 种 防 波 堤 波 浪力 差 别 的 重 要 原 因 。71第 1 期 谢 世 楞 ,等 :圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 初 步 研 究图 4 波 浪 作 用 下 圆 弧 面 防 波 堤 堤 身 周 围 流 场 分 布Fig. 4 Current field around quarter circular breakwater under wave act

33、ion5 结 语1)圆 弧 面 防 波 堤 是 在 半 圆 形 防 波 堤 基 础 上 开 发 的 一 种 新 型 防 波 堤 ,堤 身 由 1/ 4 圆 圆 弧 的 迎 浪 面 、 水 平 底板 和 竖 直 后 墙 组 成 ,其 底 宽 相 当 于 半 圆 堤 堤 身 的 一 半 ,适 合 于 地 基 较 好 的 情 况 ,可 以 显 著 减 少 基 床 抛 石 和 相关 的 工 作 量 。2)根 据 与 半 圆 形 防 波 堤 相 同 的 水 位 和 波 浪 条 件 下 的 稳 定 性 试 验 ,圆 弧 面 防 波 堤 的 稳 定 性 接 近 于 半 圆 形防 波 堤 。3)通 过 圆 弧

34、 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 对 比 试 验 ,本 文 建 议 了 圆 弧 面 防 波 堤 波 浪 力 的 简 化 计 算 方法 :即 对 半 圆 堤 正 向 水 平 波 浪 力 乘 以 一 修 正 系 数 ,在 堤 顶 淹 没 情 况 下 修 正 系 数 可 取 1. 3 ,在 堤 顶 出 水 情 况 下修 正 系 数 可 取 1. 1。4)利 用 数 值 波 浪 水 槽 模 拟 圆 弧 面 防 波 堤 的 水 力 特 性 表 明 ,圆 弧 面 防 波 堤 与 半 圆 形 防 波 堤 波 浪 力 的 主 要差 别 在 于 波 浪 越 堤 后 水 流 紊 乱 ,容

35、易 出 现 尾 涡 ,形 成 负 压 区 ,加 大 顺 浪 方 向 的 波 浪 力 。参 考 文 献 :1 谢 世 楞 . 淹 没 情 况 下 半 圆 型 导 堤 上 的 波 浪 力 J . 港 工 技 术 ,1998 , (2) :1 - 5.2 谢 世 楞 . 半 圆 形 防 波 堤 的 设 计 和 研 究 进 展 J . 中 国 工 程 科 学 ,2000 ,2 (11) : 35 - 39.3 Aburatani S ,Koizuka T , et al. Fiele test on a semi2circular caisson breakwaterJ . Coastal Engin

36、eering in Japan ,1996 ,39 (1) :59 - 78.4 谷 本 胜 利 ,滑 川 深 孝 ,等 . 半 圆 形 堤 水 理 特 性 关 实 验 的 研 究 J . 港 湾 技 术 研 究 所 报 告 ,1989 ,28 (2) :3 -32. 5 Xie Shileng. Wave forces on submerged semi2circular breakwater and similar structuresJ . China Ocean Engineering , 1999 ,13 (1) : 63- 72.6 Jia Donghua. Study on the interaction of water waves with semi2circular breakwaterJ . China Ocean Engineering , 1999 ,13 (1) : 73 -80.81 海 洋 工 程 第 24 卷