一种反弧形防波堤及防波堤总水平波浪力的计算方法

技术领域

本发明属于海岸工程技术领域，涉及一种具有半圆连续反弧形结构组成的防波堤，本发明还涉及该反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法。

背景技术

为了满足船舶大型化，港口码头深水化和专业化的要求，对作为主要港口水工建筑物的深水防波堤也提出了更高的要求。圆筒形结构由于能够适应外海水深浪大、地质条件复杂等要求得到了广泛的应用。圆筒结构所受的波压力为径向力，沿圆沉箱纵轴线波压力的水平分力将相互抵消，结构受力状态好。另外，圆筒结构还具有材料用量少，结构简单、预制安装方便等诸多优点。但是圆筒形防波堤也有其不足，由于迎浪面由多个半圆柱形曲面构成，波峰在接触到筒体后很快分向两侧推进。在两圆筒的接合处形成波峰的汇集区。该区的波浪振幅要比筒前大很多，并且形成底部护肩有严重的冲刷现象。对圆筒结构的强度计算也有很大影响。因此，有必要发明一种新型防波堤结构以达到吸收圆筒结构的优点并弥补其缺点。

根据防波堤发展的历史和各国使用防波堤的经验，实体直立式防波堤的优化和改进一般通过以下四种方式以达到不同的防波体的功能要求：改进堤的上部结构；改变墙面的几何形状；采用消波结构；在直立堤前建斜坡堤。总结前人研究成果，在各种结构优化思路的指引下，近年出现的V形浮式防波堤可以为防波堤的结构优化提供借鉴。该种防波堤俯视为V形，通过V形结构的尖端朝向波浪的来向，将来波展开和反射，使入射波在V形防波堤的内域中衰减，从而在防波堤内及防波堤的下风处“创造”一片静水。美国军方的RIBS(Rapidly Installed Breakwater System)就是此种结构的典型范例，日本曾用类似装置作为油轮失事后防油污染的围栏。另外，在海岸防护中，为了防止海岸侵蚀，人们通过修建离岸堤来实现保滩促淤，离岸堤修建后，会在离岸堤和海岸之间形成V形和半圆形连续出现的类似韵律海岸的稳定岸线形态，能很好的适应波浪对海岸的冲击。由此种韵律海岸的海岸地貌平面形态，从“遵循顺水之性，因势利导”的方法出发，我们可以在此基础上发展成一种稳定的护岸结构，这也符合对传统防波堤进行改进的方法中，通过改变墙面几何形状的思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种反弧形防波堤，具有圆筒形防波堤的优点，能使平行于防波堤轴线的波压力相互抵消，另外其向外开口的弧形设置能有效引导波浪水流的流动，有效降低圆筒形防波堤在衔接处的波压力强度。

本发明的另一目的是提供该反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，为今后工程设计应用该防波堤结构形式提供科学依据。

本发明所采用的技术方案是，一种反弧形防波堤，包括前墙为连续的半圆筒形的弧形迎浪面结构，前墙的后面为方形沉箱结构。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，通过以下公式计算：

P＝K_pP_Z

式中：K_p为修正系数，P为作用在反弧形防波堤上的水平波浪力，P_Z为作用在合田良实直墙式防波堤上的水平波浪力；

其中，修正系数K_p＝0.91。

本发明的有益效果是：

(1)半圆反弧形防波堤波压力垂向分布与直墙式防波堤类似，静水位附近为三角形分布，静水位以下为抛物线分布；反弧形防波堤波压力环向分布为：波峰作用时，圆弧中心断面波压强最大，沿圆弧角度的增大，波压强减少。波谷作用时，波压强基本相等，呈均匀分布。值得指出的是，即便在波峰作用时，波压强沿断面分布不同，但其相差并不大，受力状态比圆筒形防波堤要好。

(2)半圆反弧形防波堤波压强随波高、周期的增大而增大。

(3)半圆反弧形防波堤总水平波浪力计算宜采用修正后的合田良实公式，计算分析表明，反弧形防波堤水平波浪总力比同等尺度直墙式防波堤的波浪力小10％左右。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2试验模型结构示意图

图3是反弧形防波堤水平波压力测点布置图。

图4是相对压强垂向分布图。

图5是波峰作用时环向压强分布图。

图6是波谷作用时环向压强分布图。

图7为波高不同时测压断面1压强分布图。

图8为波高不同时测压断面2压强分布图。

图9为波高不同时测压断面3压强分布图。

图10为周期不同时测压断面1压强分布图。

图11为周期不同时测压断面2压强分布图。

图12为周期不同时测压断面3压强分布图。

图13为D＝0.45m T＝1.4S h＝0.14m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。

图14为D＝0.4m T＝1.4S h＝0.14m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。

图15为D＝0.35m T＝1.4S h＝0.14m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。

图16为D＝0.45m T＝1.6s h＝0.16m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。

图17为拟合公式得到的计算值与实测值的对比图。

图中，1.前墙，2.沉箱结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种反弧形防波堤，结构有两种建造实现形式，如图1、图2所示，包括前墙1为连续反弧形迎浪面，反弧形迎浪面的后面为方形沉箱结构2。

此种防波堤前墙的形式相当于两个四分之一圆筒背靠背，后面为普通的沉箱结构。当两个防波堤结构拼接时又可以构成一个半圆筒的结构形式。此种防波堤具有圆筒形防波堤的优点，能使平行于防波堤轴线的波压力相互抵消，另外其向外开口的弧形设置能有效引导波浪水流的流动，有效降低圆筒形防波堤在衔接处的波压力强度。

反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，具体模型试验研究如下：

本次模型设计参考圆筒形防波堤的工程实例参数和圆筒形防波堤断面模型试验的方法，取防波堤中的一个单元和左右各半个单元组成模型的断面(如图2所示)。依据《波浪模型试验规程》JTJ/J234-201中有关波浪模型试验的国内行业标准，本次试验中的物理模型采用正态模型，物理模型长度比尺为1:20。模型高0.67m，前段圆弧直径为0.4m，后部沉箱宽0.4m。试验过程中，沉箱内填充0.2m高的块石，以保证模型的稳定。

本次试验是在长沙理工大学云塘校区水利实验中心的风-浪-流实验水槽内进行的，该水槽总长为45m、宽0.8m、深1.0m，最低工作水深0.2m，最高工作水深0.7m。水槽的一端配有伺服电机驱动式造波机，在造波机后侧设有直立式消能网，水槽的另一端设有消能坡，以消除波浪反射影响。造波控制系统是由大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室研究开发的Wavemake系统，可产生单向规则波、不规则波且产生的波形平稳，重复性好。本次压强试验数据的测量和采集均使用成都泰斯特电子信息有限公司研制的CY200数字压力传感器测试系统，采集时间间隔为0.0039s。

模型试验时，取中间的四分之一圆弧面布置测点，共设3个测压断面，与来浪方向的夹角分别为0°、45°、75°，总计布置21个压力盒，用以测定水平波力沿防波堤横断面和纵向的分布，波压力测点布置如图3所示。图3中1-21为设置的21个压力盒位置。

在三组不同水深情况下，通过输入不同造波参数进行规则波造波，得到不同影响因素下防波堤所受波浪压力的大量数据。同一水深试验组次为20组，每组试验工况重复采集2次。

表1试验水位及波浪要素

试验结果分析：

1新型反弧形防波堤波压力分布规律

波压力分布规律包括波压力垂向分布规律和波压力环向分布规律，由于此新型防波堤结构为直立堤式且其前墙形式与圆筒形防波堤类似，因此本文对其波压力分布规律的研究，借鉴了直墙和圆筒形防波堤的相关研究成果。

1.1波压力垂向分布规律

在海港工程中，研究作用在建筑物上的波压力是经常要遇到的问题之一，为了得到波压力在建筑物上的作用力，必须知道压强沿水深的分布，本文研究的压强沿水深的分布为相对压强最大值沿水深的分布。目前大部分对直墙式建筑物波压力分布的研究都是以入射波高和水深作为控制参数来研究波压力分布，但对其分布型式各家观点不尽一致。我国海港水文规范认为对于不同的波态(立波、近破波、远破波)，应取为不同的分布函数；合田良实认为在静水位上下均服从线性分布；Minikin认为动水压强在静水位上下服从抛物线分布；Kirkgoz认为从墙体底部到静水位服从抛物线分布，而从静水位到水面上1.6d处服从线性分布，其中d为直墙上发生最大冲击时的墙前水深。对于圆筒形防波堤波压力沿水深的分布，也有很多学者做过研究，如苏联的O.H.凡恰戈夫，中国海洋大学的夏运强以及钟声杨、柳玉良、葛蓉等。普遍的结论是：圆筒形防波堤波压力沿水深的分布与直立堤具有大致相同的趋势。图3为半圆筒防波堤在波高h＝0.14m，周期T＝1.4s，不同水深情况下测压断面1的相对压强沿垂向的分布图。d代表距沉箱底部的距离，P/(ρgH)代表相对压强)。

从图4中可以看出，新型反弧形防波堤波压力垂向分布情况：最大波压力出现在静水位附近，静水位以上近似符合三角形分布，静水位以下近似抛物线分布。与Kirkgoz及葛蓉的观点比较一致。

1.2波压力环向分布规律

对于圆筒形防波堤波压力环向分布情况，钟声扬通过对削角圆沉箱防波堤进行波压力试验，得出圆筒波压力环向分布为，圆筒沉箱左右两侧受压对称,横截面上正负压强的最大值,几乎都发生在偏于正波向左右40°附近，而并非在左右死角80°处。柳玉良通过在波浪水槽对顶部有反弧形胸墙的圆沉箱防波堤进行断面模型试验，波压力测点环向布置与来浪方向夹角分布为0°、18°、36°、54°、72°方向，通过实验测得圆沉箱同一高程各点承受平行于波浪方向的水平力，沿圆弧随角度的增大而减少。对于多个圆筒连续布置的情况，苏联的O.H.凡恰戈夫认为，在同一深度处圆筒半圆顶处的波压强小而相邻凹入部分逐渐增大。夏运强和陈兆林等人进行了圆沉箱波浪力的模型实验，分别给出了在波峰和波谷作用下圆沉箱上环向波压强的分布趋势：波峰作用时，正面与侧面波压强大小基本相同；波谷作用时，在某一深度以下，侧向波吸力变大，甚至大于同深度处的波峰时波压强。

图5和图6分别为波峰和波谷作用时，用在新型反弧形防波堤不同测压断面的波压力分布。从中可以看出，波峰作用时，同一高程下，波压力的大小为：测压断面1>测压断面2>测压断面3，即正面波压强最大，沿圆弧随角度增大而减少。但总体来看，各测压断面环向压力差值并不大，不超过12％。并没有出现像圆筒形防波堤那样在防波堤衔接处成显著的增大现象。相比较而言，新型反弧形防波堤受力状态更好。波谷作用时，同一高程下，各测压断面的波压力基本相等。即沿圆弧均匀分布。

2新型反弧形防波堤波压力影响因素分析

2.1波高的影响

图7、8、9为水深0.45m，周期1.4s，波高分别为0.08m、0.10m、0.12m、0.14m、0.16m时，各测压断面上各测点波压力分布。从图可知，反弧形防波堤上各测点的相对压强随波高的增大而增大。

2.2周期的影响

图10、11、12为水深0.45m，波高0.14m，波周期分别为T＝1.0s、1.2s、1.4s、1.6s时，各测压断面上不同测点的波压力分布。反弧形防波堤上的各测点相对压强随周期的增大而增大，说明长波的波力较大。

2.3水深的影响

从图4中，波高、周期相同，水深不同时的垂向波压力分布图可以看出，随着水位的降低，静水位以上测点波压强随之减少，静水位以下各测点波压强随之增大。这是由于波浪的能量汇集区在静水位附近，随着水位的降低，能量汇集区域逐渐下移，水位以下各测点所受波动作用更为显著。

3新型半圆反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较

将波浪总水平力试验值分别于合田良实公式和海港水文规范公式进行比较分析，如图13-16。其中D为水深，T为周期，h为波高。

分析可知，最大波压力测点在静水位偏上5cm处，最大波压力以上的测点压力实测值与海港水文规范和合田良食公式较为接近。静水位以下各测点波压力值普遍少于海港水文规范和合田良食公式理论值。且各测点与海港水文公式相差较大，有30％-40％。与合田良实公式比较，误差有8％-20％。相比较而言合田良实公式比较接近实测值。这是由于合田良实公式考虑了不完全反射，这符合试验观察到的不完全立波波态的现象。总体来看，反弧形防波堤各断面波压力明显少于矩形沉箱波压力。

4新型反弧形防波堤所受水平总力分析

波浪力的研究通常分为三方面：一是理论研究，二是物理模型实验，三是数值模拟。理论研究作为物理模型实验和数值模拟的基础，可以为这两方面提供坚实的理论依据。但由于圆沉箱结构的特殊性，影响因素众多，理论研究过程中进行了大量假设，公式推导复杂，实际应用性不强。目前大多数研究者采用的基于物理模型试验的经验公式法，即在实验室内的水槽(水池)内对大圆筒模型在各种水深、周期、波高下的波浪力进行测试，然后用统计分析的办法确定经验公式中的经验系数。如苏联的O.H.凡恰戈夫、天津大学张子樵、以及夏运强、柳玉良、葛蓉等。本文研究也采用类似方法。由试验数据分析可知，反弧形防波堤上的波压力与合田良实公式计算值比较接近。因此，在合田良实公式的基础上，考虑修正系数，提出计算新型反弧形防波堤波压力的计算公式：

P＝K_pP_Z

式中：K_p为修正系数，P为作用在反弧形防波堤上的水平波浪力，P_Z为作用在合田良实直墙式防波堤上的水平波浪力。

将试验值沿圆弧面积分(1/4圆弧面)并将其沿水平方向分解得到的作用在反弧形防波堤的总水平波浪力，表2为反弧形防波堤总水平波浪力与合田良实公式计算值的比较。由表可知，取修正系数K_p＝0.91。

表2水平总力实测值与合田良实公式比较

为验证修正系数K_p选取的可靠性，本文将在各工况下按拟合公式计算得到的波浪水平总力计算值与实测值进行对比，如图17所示。图中Y轴为按拟合公式得到的计算值，X轴为实测值。由图可知，数据点均匀分布于y＝x的两侧，说明修正系数选取是准确可靠的。

通过对前墙形式为连续半圆形的新型反弧形防波堤，进行规则波作用下的物理模型试验，研究了此种新型防波堤波压力的分布规律及其影响因素。通过比较海港水文规范和合田良实公式，提出了计算新型防波堤总水平波浪力的方法。试验分析结果表明：

(1)反弧形防波堤波压力垂向分布与直墙式防波堤类似，静水位附近为三角形分布，静水位以下为抛物线分布；反弧形防波堤波压力环向分布为：波峰作用时，圆弧中心断面波压强最大，沿圆弧角度的增大，波压强减少。波谷作用时，波压强基本相等，呈均匀分布。值得指出的是，即便在波峰作用时，波压强沿断面分布不同，但其相差并不大，受力状态比圆筒形防波堤要好。

(2)反弧形防波堤波压强随波高、周期的增大而增大。

(3)反弧形防波堤总水平波浪力计算宜采用修正后的合田良实公式，计算分析表明，反弧形防波堤水平波浪总力比同等尺度直墙式防波堤的波浪力小10％左右。