CN108460234B - 坡面破波冲击压力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡面破波冲击压力计算方法，目前，坡面破波冲击压力计算是斜坡式海堤工程设计的重要环节，且卷破波又是最严重最危险的一种破波类型，为此，基于简化的假设条件，提出一个半经验半理论卷破波冲击压力计算公式，并利用已有的规则波水槽试验数据和现场观测数据，对比分析了本公式以及国内外现状采用的一些经验公式，结果显示：现状国内规范采用的苏联公式在波高较大的计算条件下，存在计算结果偏小的情况；本发明与Stanczak改进公式计算结果相近，且对所使用的验证试验数据具有较好的包裹性。

Description

坡面破波冲击压力计算方法

技术领域

本发明涉及一种坡面破波冲击压力计算方法。

背景技术

一般而言，破波施加于海洋结构物上的冲击力远大于没有破碎时的波浪力,所以受波浪破碎冲击影响，海堤护面结构易因强度设计不足而遭受损坏，从而诱发局部海堤破坏，这也是常见的海堤破坏形式之一，在海堤防护设计中必须予以充分的重视与考虑。常见的三种破波类型，即崩破波(spilling breaker)、卷破波(plungling breaker)和激破波(surging breaker)中，又以卷破波对海堤的冲击力最大，破坏作用最强。波浪破碎是一种复杂的物理现象，其中波浪掺混气泡的不稳定性，即便是室内相同规则波浪的破碎试验，测力数据也可能存在较大的差异性，而且受限于另外两个关键技术瓶颈：一是此类问题理论基础的不完备；二是野外现场测验电磁环境或其他因素的干扰，导致目前相关破波研究成果主要还以易于控制的室内模型试验为主，并且现有广泛使用的破碎波浪冲击力计算公式也主要依托室内试验按经验或半理论半经验推求。值得关注的是，波浪破碎数值模拟技术作为一种便利的研究工具，也伴随着相关基础理论的进步而获得了一定的发展。

实用化的破波冲击力公式主要来源于美国、日本、德国等国家，比较有名的如美国的Morison公式(1950年)，初期公式只考虑了波浪对小尺度结构物(桩柱、输油管道等)的惯性力和拖曳力作用，后期改进过程中增加了破波冲击力子项；还比如CH92-60公式，以及在其基础上通过大型水槽试验结果进一步改进获得的СНиПII57-75公式,是直接针对斜坡堤的。我国《海堤工程设计规范》(GB/T 51015-2014)中波浪破碎对斜坡堤坡面的冲击力计算公式引用CHипII57-75公式；德国的

and Sparboom公式，该公式的雏形在1986年形成，乃通过规则波的斜坡海堤水槽试验依据经验推导而来，后进行了改进，增加了海堤坡度参数，2009年，Stanczak又对该公式进行了改进，增加了波周期参数；日本Ikeno andTanaka公式，该公式2003年提出，也是在旧有公式的基础上改进而来，是目前相对较新的破波冲击力计算公式。Kato等通过波浪水槽模拟研究海啸作用下生成的孤立波、在倾斜式海堤坡面破碎形成的冲击力，并与Ikeno and Tanaka公式计算结果做了对比。Lin等则通过一个尺寸相对较小的波浪水槽研究了类似问题。以上试验虽然显示实测数据略大于计算结果，但基本认可了该经验公式的可靠性。

然而，尽管在破波冲击力方面已有大量的研究成果，但现场测验数据的匮乏，以及理论研究、数值模拟、物理模型试验的复杂性，尚没有研究机构能从理论或试验角度明确“实际最大可能的波浪冲击力”。另外，已知海堤斜坡上的破波冲击力与破波类型、入射波高、入射波角度、波长、波陡、以及坡比等密切相关，已有的经验公式尚难以予以全面考虑，不同经验公式推求的试验方法不同，采取验证的实验数据也不一样，导致不同的经验公式必然存在一定的差异性和适用性。实际上，已有的国内少量破波经验公式的对比研究成果，尽管主要集中在现有公式的对比分析上，结果显示不同现有公式之间也存在较大的差异性。

发明内容

本发明基于半理论半经验方法，提出参数考虑相对齐全的倾斜式海堤卷破波冲击力半经验公式，并基于相对权威的发明献试验数据，通过对浙江温岭东浦新塘海堤现场观测数据，从而对新公式和现状主要破波冲击压力经验公式进行对比分析。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种坡面破波冲击压力计算方法,包括以下步骤；

步骤一，预设假定条件如下，假设一，波浪破碎后的水流以射流形态冲击到海堤坡面后再反射出去；假设二，不考虑此过程中空气掺混对射流流速和流态的影响；假设三，波浪破碎后的水流的控制体的射入断面、反射断面和破波断面三者面积相等，且满足动量守恒定律；则有公式(6)：

F_y＝ρQ(β₂|u₂|sinα₁+β₁|u₁|sinα₂) (6)；

式中：ρ表示海水密度；F_y－垂直斜坡的破波水流冲击力；Q，u₁，u₂－依次对应为射入控制体的流量，射入断面的断面流速，反射断面的断面流速；

步骤二，根据步骤一中的假设条件，设定u₁＝u₂＝u；β₁，β₂－依次对应为射入断面的动量校正系数和反射断面的动量校正系数，取值均为1；α₁，α₂－依次对应为破波射流的入射角和反射角；设定射入断面断面面积或反射断面面积为A，则依据公式(6)得到公式(7)：

式中：p_y－破波水流冲击压力；u为断面流速；

步骤三，依据Rattanapitikon和Shibayama利用574个的试验数据，统筹计算得到：

其中，H_b表示破波波高；K_KG表示公式系数；H表示波高；L表示波长；α表示海堤斜坡坡角；

步骤四，根据公式(7)与公式(11)得到半经验卷破波破波冲击压力计算公式：

式中：P_max表示坡面上的最大破波压力，γ表示水的容重，K_KG按公式(11)计算；ξ按0.5<ξ<3.3取。

其中，针对步骤二中的公式(7)的断面流速u，还包括以下步骤，

步骤21，求得公式(7)中的断面流速u，依据通过能量守恒方程公式(8)获取断面流速u：

式中：Δmu²/2－射入断面的单位质量水体Δm的动能；E_k，E_p－分别对应为破波点水面单位质量水体的动能和势能；η_b－破波点水面到平均水位的距离；u_b－破波点水面单位质量水体速度。

进一步，在步骤21中，针对公式(8)简化计算，假设u_b等于波浪传播速度，波浪传播速度正比于水体的深度h，即

则由公式(8)得到公式(9)：

式中：d_b－破波点处的水深；根据Lin等人的波浪水槽试验数据，η_b≈0.8H_b；d_b与H_b破碎波高的关系采用线性表达式，即H_b＝kd_b。

其中，计算公式(9)与公式(12)中的破碎波高和破碎点水深的比值k，比值k取于Sunamura的γ计算公式(10)：

式中：L－波长，表达为波周期T的函数，即L＝gT²/2π；ξ－破波相似参数，对于卷破波而言，ξ取值在0.5～3.3之间。

本发明具有如下优点：

本发明与Stanczak改进公式计算结果相近，且对所使用的验证试验数据具有较好的包裹性。

附图说明

图1是本发明的斜坡堤卷破波冲击压力计算示意图。

图2是本发明的现场观测配置示意图。

图3是本发明的波面记录与冲击压力图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，

作为对比公式，《海堤工程设计规范》(GB/T 51015-2014)公式(没有单位的为本领域技术公知常识。)

计算坡面上的最大破波压力p_max；依据《海堤工程设计规范》(GB/T 51015-2014)公式，预先设定海堤迎水面坡比为1：m，m的取值范围为1.5≤m≤5.0，坡面上的最大破波压力p_max按下列公式1计算：

式中：p_max单位为kPa；γ－水的容重，单位为kN/m³；H－波高(m)；L－波长(m)；

k₂－系数，按表1计算取值；

表1系数k₂

－坡面上的最大相对波压力，按表2计算；

表2坡面上的最大相对波压力

作为对比公式，

and Sparboom公式及其改进公式

和Sparboom发现，波浪破碎点因波浪和空气掺混作用而变得不稳定，使得同一波浪条件下，模型海堤斜坡上的最大破波压力(主要为卷破波浪)呈现出对数正态分布状态(Log-Normal distribution)，因此，该公式采用了一种概率表达的形式：

p_max＝const_iγH tan(α) (2)

式中：i－概率，取50，90，99，99.9％时，对应的常系数const_i分别为12，16，20，24；α－海堤斜坡坡角(°)。实际应用中，i＝99％时，可作为最大破波压力使用。上述公式未考虑波周期的影响，因此，Stanczak对其进行了改进：

式中：T－波周期(s)；k_i－系数，i取90，99，99.9％时，对应的k_i分别为k₉₀＝1.33k₅₀，k₉₉＝1.67k₅₀，k_99.9＝2.5k₅₀。

作为对比公式，Ikeno and Tanaka公式

Tanimoto等人在1984年通过规则波浪的直立式防浪墙物理模型试验，提出墙面波浪压力的估算公式，但是该公式并没有考虑波浪破碎的影响，Ikeno和Tanaka于是对其进行了改进，改进后的公式如下：

上式一般适用于直立墙断面上波浪破碎冲击压力，通过斜坡堤波浪水槽试验数据对其进行了验证分析，发现尽管其计算值略小于实测值，但在斜坡堤的应用上仍然具有较高的可靠性。根据该公式，断面波压力最大值发生在净水面处，即H＝0，则有：

p_max＝4γH (5)

图1为公式推导所用的示意简图，并采取了一些简化的假设：①假设波浪破碎后的水流以射流形态冲击到海堤坡面后再反射出去；②不考虑此过程中空气掺混对射流流速和流态的影响；③假设图示控制体的射入断面1-1、反射断面2-2和破波断面3-3断面面积相等，且满足动量守恒定律；则根据假设③，有：

F_y＝ρQ(β₂|u₂|sinα₁+β₁|u₁|sinα₂) (6)

式中：F_y－垂直斜坡的破波水流冲击力；Q，u₁，u₂－进入控制体的流量，射入端面1-1断面流速，反射断面2-2断面流速，根据假设③，令u₁＝u₂＝u；β₁，β₂－1-1断面和2-2断面动量校正系数，为了简化计算，取值1；α₁，α₂－破波射流的入射角和反射角；再设1-1或2-2断面面积为A，则可简化公式(6)如下：

式中：p_y－破波水流冲击压力。断面流速u可近似通过能量守恒方程获取：

式中：Δmu²/2－1-1断面单位质量水体(Δm)的动能；E_k，E_p－破波点水面单位质量水体的动能和势能；η_b－破波点水面到平均水位的距离；u_b－破波点水面单位质量水体速度。假设u_b近似等于波浪传播速度(浅水中，波浪传播速度一般正比于水体的深度h，即

)，则可进一步简化公式(8)：

式中：d_b－破波点处的水深。为了方便计算，进一步将d_b和η_b表达成破波波高H_b(看图1)的函数。根据Lin等人的波浪水槽试验数据，η_b≈0.8H_b；d_b与破碎波高的关系一般采用线性表达式，即H_b＝kd_b，破碎波高和破碎点水深的比值k研究成果相对丰富，取Sunamura^[18]的γ计算公式：

式中：L－波长，可表达成波周期T的函数，即L＝gT²/2π；ξ－破波相似参数，对于卷破波而言，一般介于0.5～3.3之间。

再进一步将破波波高H_b表达成与波浪特征参数以及斜坡坡度相关的表达式。Rattanapitikon和Shibayama利用574个的试验数据，分析了24个破碎波高的计算公式的适用性，最终提出了一个的计算公式：

综合以上，将公式(7)修改为最终的半经验卷破波破波冲击压力计算公式：

式中：k按公式(10)计算；K_KG按公式(11)计算。另外，适用范围，一般按0.5<ξ<3.3取。

以下为现有的试验数据以及2004年浙江温岭东浦新塘海堤的部分现场观测数据被用于此次对比与验证工作。

1986年的试验数据

试验在德国汉诺威的2个波浪水槽(宽5m，最大水深5m；宽2m，最大水深1m)中进行，模型海堤坡度为1:4，采用不同波高和波周期的规则波，试验的目的是研究海堤坡面上卷破破冲击压力。为此，沿冲击影响坡面轴向布置21个压力传感器单元，其数据采集频率高达2000HZ。试验用波高范围集中在0.09～2.1m，对应的波周期1.13～5.83s。计算与试验数据对比参考表3：①表中试验测力数据从【11】的相关图形曲线上近似量取；②Ikeno andTanaka公式因是针对直立式海堤的，略小于试验数据，与【14】和【15】的结论一致；③相对于90％概率的计算值，采用99％计算结果的

and Sparboom公式及其Stanczak改进公式，对试验数据具有较好的包裹性；④《海堤工程设计规范》公式小于试验数据，对于波高较大的情况，甚至要小于Ikeno and Tanaka公式计算结果；⑤本发明公式的计算结果相近于采用99％计算结果的

and Sparboom公式、Stanczak改进公式，对试验数据也存在较好的包裹性。

表3经验公式计算结果对比

1986年的试验数据

现场观测的目的是监控海浪对海堤的破坏情况，观测数据包括近海堤波高、波周期、潮位以及波浪对海堤的冲击压力。其中测波采用电容式波浪记录仪，距离海堤堤角100m，采样频率10Hz；冲击压力观测采用6个压力传感器(编号：PT1-PT6；安装高程分别为：6.23m,5.73m,5.21m,4.73m,4.20m，3.46m)，沿海堤断面布置，采样频率一般为40～50Hz，最大为100Hz。这里采用了较低的采用频率，是因为现场电信号传输过程中存在一定的高频杂波干扰，若与高频的冲击压力信号混合，难以进行滤波处理。

图2显示了本次浙江温岭东浦新塘的观测位置，从2004年观测站建立起的近1年非连续观测期内，波高集中在0.16～2.17m，平均波高0.86m，对应的波周期2～13s，平均波周期3.8s。图3截取了一段2014年4月21日记录的波面和对应的PT5波压力(采样频率：100Hz；潮位：3.32m)。由于波压力数据采集频率相对较低，观测数据不足以完全反映破波压力特征，所以实测数据采用100Hz的，且与经验公式计算结果的对比仅作为参考。计算与试验数据对比参考表4：①本次测量的数据一般低于真实值，Ikeno and Tanaka公式计算结果大于试验数据是一个近似的佐证。另外，本发明公式、

and Sparboom公式、Stanczak改进公式，均给出了相对较大的计算结果；②《海堤工程设计规范》公式计算结果依然偏小；③受海堤坡度影响更大，

and Sparboom公式给出了最大的计算结果；④本发明公式的计算结果更相近于采用99％计算结果的Stanczak改进公式。

表4经验公式计算结果对比东埔新塘观测数据

本发明基于半理论半经验方法，提出参数考虑相对齐全的倾斜式海堤卷破波冲击力半经验公式，并基于相对权威的发明献试验数据，通过对浙江温岭东浦新塘海堤现场观测数据，从而对新公式和现状主要破波冲击压力经验公式进行对比分析。

本发明的优点在于，

1)对于斜坡堤破波压力的计算，现行国内《海堤工程设计规范》(GB/T51015-2014)参照已有的计算公式，通过对比分析权威的发明献试验数据，以及部分2004年浙江温岭东浦新塘海堤现场观测数据，总体而言，该公式在波高较大的情况下，计算结果可能偏小，而本发明方法计算合理。

2)本发明公式推导过程中采取了一些简化的假设，也应用了国外一些较为成熟的研究成果，从与实测数据对比分析的结果看，本发明公式与采用99％计算结果的Stanczak改进公式计算结果相近，且对本发明验证试验数据具有较好的包裹性。

3)

and Sparboom公式计算结果在斜坡坡度较大时，要显著大于其他公式，尚需要更接近真实值的现场观测数据来论证其合理性。一般而言，工程设计中，采用更大的设计值要偏于安全，但过大的设计值，也可能导致偏离真实值太多而造成工程建设的浪费；而本发明克服了该公式计算的弊端。

作为对发明的充分公开，以下举例的部分公知常识：

[1]刘文通,楼顺里,徐德伦等.深水波浪破碎特征量与风速和摩擦风速的关系[J].海洋学报(中文版),1992,14(3):142-148.

[2]王桂兰.非线性波浪作用下浅海堤防受力及稳定性研究[D].中国海洋大学,2014.

Guilan Wang.Force and stability study ofdike under nonlinear wave inshallow sea[D].Ocean University ofChina,2014.

[3]游涛.波浪在斜坡上的传播破碎及沿岸流研究[D].天津大学,2004.

Tao You.Study of the wave transformation and breaking on the slopeand longshore currents[D].Tianjin University,2004.

[4]Wienke J,Oumeraci H.Breaking wave impact force on a vertical andinclined slender pile-theoretical and large-scale model investigations[J].Coastal Engineering,2005,52(5):435-462.

[5]Ren B,Wang Y.Laboratory study of random wave slamming on a piledwharfwith different shore connecting structures[J].Coastal Engineering,2005,52(5):463-471.

[6]Risov V,Voronovich A.Numerical simulation of wave breaking[J].Journal ofPhysical Oceanography,2011,41(2):346-364.

[7]Hanzawa M,Matsumoto A,Tanaka H.Applicability of CADMAS-SURF toevaluate detached breakwater effects on solitary tsunami wave reduction[J].EarthPlanets&Space,2012,64(10):955-964.

[8]Morison J R,Johnson J W,Schaaf S A,et al.The forces exerted bysurface waves on piles[J].Jounal of Petroleum Technology,1950,2(5):149-154.

[9]Zhang S F,Chen C,Zhang Q X,et al.Wave loads computation foroffshore floating hose based on partially immersed cylinder model of improvedmorison formula[J].Open Petroleum Engineering Journal,2015,8(1),130-137.

[10]徐绩青.波浪对斜坡作用力的研究[D].重庆交通学院,2005.

Jiqin Xu.Study on the wave force on the slope[D].Chongqing JiaotongUniversity,2005.

[11]

A.Model and prototype tests for wave impact and run-upon auniform 1:4slope[J].Coastal Engineering,1986,10(1):49-84.

[12]

A,Sparboom U.Shock pressure interaction on prototype seadikes caused by breaking waves[c].Proceedings of the International Symposiumon Modelling Soil-Water-Structure Interactions,Rotterdam,Netherlands,1988:243-252.

[13]Stanczak G.Sea dikes breaching initiated by breaking waveimpacts-Preliminary computational model[R].TU Braunschweig,2009,reportnumber:T06-09-04.

[14]Kato F,Inagaki S,Fukuhama M.Wave force on coastal dike due totsunami[c].Porc.25th ICCE,Orlando,2005:5150–5161.

[15]Lin T C,Hwang K S,Hsiao S C,Yang R Y.An experimental observationof a solitary wave impingement,runup and overtopping on a seawall[J].JournalofHydrodynamics,2012,24(1),76-85.

[16]Fu T C,Fullerton A M,Brewton S,et al.An experimental andcomputational study of breaking-wave impact forces[C].Proceedings of the 27thSymposium onNaval Hydrodynamics,Seoul,Korea,2008.

[17]张惠，杨尧.规则波对斜坡堤护面板冲击波压力公式比较[EB/OL].北京:中国科技论文在线,2010.

Hui Zhang,Yao Yang.Comparision of computation formular for waveimpactpressure on the protection slab[EB/OL].Bei Jing:Sciencepaper Online,2010.

[18]Sunamura T.A Laboratory study of offshore transport of sedimentand a model for eroding beaches[c].Proceedings of the 17th CoastalEngineering Conference,American Society of Civil Engineers,1980:1051-1070.

[19]Rattanapitikon W,Shibayama T.Verification and modification ofbreaker height formulas[J].Coastal Engineering Journal,2000,42(4),389-406.

[20]杨星.海塘水文要素远程监测与分析系统研究[D].河海大学,2005.

Xing Yang.Research on sea wall remote monitoring and analysis system[D].Hohai University,2005.

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (4)

1.一种坡面破波冲击压力计算方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，预设假定条件如下，假设一，波浪破碎后的水流以射流形态冲击到海堤坡面后再反射出去；假设二，不考虑此过程中空气掺混对射流流速和流态的影响；假设三，波浪破碎后的水流的控制体的射入断面(1-1)、反射断面(2-2)和破波断面(3-3)三者面积相等，且满足动量守恒定律；则有公式(6)：

F_y＝ρQ(β₂|u₂|sinα₁+β₁|u₁|sinα₂) (6)；

式中：ρ表示海水密度；F_y－垂直斜坡的破波水流冲击力；Q，u₁，u₂－依次对应为射入控制体的流量，射入断面(1-1)的断面流速，反射断面(2-2)的断面流速；

步骤二，根据步骤一中的假设条件，设定u₁＝u₂＝u；β₁，β₂－依次对应为射入断面(1-1)的动量校正系数和反射断面(2-2)的动量校正系数，取值均为1；α₁，α₂－依次对应为破波射流的入射角和反射角；设定射入断面(1-1)断面面积或反射断面(2-2)面积为A，则依据公式(6)得到公式(7)：

式中：p_y－破波水流冲击压力；u为断面流速；

步骤三，依据Rattanapitikon和Shibayama的试验数据，统筹计算得到：

其中，H_b表示破波波高；K_KG表示公式系数；H表示波高；L表示波长；α表示海堤斜坡坡角；

步骤四，根据公式(7)与公式(11)得到半经验卷破波破波冲击压力计算公式：

式中：P_max表示坡面上的最大破波压力，γ表示水的容重，K_KG按公式(11)计算；ξ按0.5<ξ<3.3取。

2.根据权利要求1所述的坡面破波冲击压力计算方法，其特征在于，针对步骤二中的公式(7)的断面流速u，还包括以下步骤，

步骤21，求得公式(7)中的断面流速u，依据通过能量守恒方程公式(8)获取断面流速u：

式中：Δmu²/2－射入断面的单位质量水体Δm的动能；E_k，E_p－分别对应为破波点水面单位质量水体的动能和势能；η_b－破波点水面到平均水位的距离；u_b－破波点水面单位质量水体速度。

3.根据权利要求2所述的坡面破波冲击压力计算方法，其特征在于，在步骤21中，针对公式(8)简化计算，假设u_b等于波浪传播速度，波浪传播速度正比于水体的深度h，即

则由公式(8)得到公式(9)：

式中：d_b－破波点处的水深；η_b≈0.8H_b；d_b与H_b破碎波高的关系采用线性表达式，即H_b＝kd_b。

4.根据权利要求3所述的坡面破波冲击压力计算方法，其特征在于，计算公式(9)与公式(12)中的破碎波高和破碎点水深的比值k，比值k取于Sunamura的γ计算公式(10)：

式中：L－波长，表达为波周期T的函数，即L＝gT²/2π；ξ－破波相似参数，对于卷破波而言，ξ取值在0.5～3.3之间。

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