直立式海堤冲击强度的变化规律与越浪量计算方法的研究

Wave overtopping of vertical seawalls relies heavily on the front wave state. The wave state can be classified into three kinds: reflection wave, breaking wave and broken wave, respectively, which corresponds to different overtopping modes and mechanism. The breaking wave impact model can lead to significantly increased wave overtopping, and the water depth in front of seawalls usually shallow, easy to form a breaking wave, so an in-depth study on the condition of impact mode occurring and the estimation method of overtopping discharge generated under the impact mode is very important. The existing researches mainly deal with overtopping through some empirical parameters that reflect the influence of impact model indirectly, but the impact model itself. This project aims to carry out a thorough and in-depth study through the flume irregular wave physical model tests and numerical model system based on NS equations on some key problems: the change law of impact strength, the influence of impact strength on overtopping discharge and the estimation formula of overtopping discharge under the impact mode.

直立堤的越浪量与堤前波浪状态存在密切关系，堤前波浪状态分为三种：反射波、近破波和远破波，分别对应不同的越浪模式和机理。其中由近破波产生的冲击模式越浪可导致越浪量显著增大，而且由于海堤堤前水深通常较浅，易于形成近破波，因此对冲击模式越浪产生的条件和越浪量的估算方法进行深入研究十分重要。已有研究主要通过经验参数间接反映冲击模式对越浪量的影响，而未曾对冲击模式本身的情况进行研究并在越浪量与冲击模式之间建立直接的联系。本项目拟通过水槽不规则波物理模型试验和基于NS方程的数值模型系统深入地研究冲击强度的变化规律、冲击强度对越浪量的影响和冲击模式下越浪量的估算公式。

随机波近堤破碎条件下的直立堤越浪量由于对应于极端天气下的大浪条件而往往具有近岸建筑物工程水文设计值属性，因而具有重要的工程意义。但近堤破碎波与直墙之间相互作用所特有的强冲击性却极大地增加了越浪量变化规律的复杂度和相关研究的难度。目前已有的关于该问题主要研究成果在以下两方面存在着较明显的不足：第一，各成果关于平均越浪量的估算结果和对主要影响因素的处理方式等方面存在着显著的差异，这种现状必将使对这些成果的应用产生选择困难；第二，目前对破碎波条件下直立堤单波越浪量的研究开展的仍然极少，且仅有的少数研究在控制单波越浪量概率分布的主要参数方面也仅以关于多种影响因素的综合平均值形式给出，而未能就各主要影响因素的作用规律给出全面描述。针对这些问题，本项目系统地开展了物理模型试验，对破碎波直立堤平均越浪量和单波越浪量同时进行了全面的考察研究。在平均越浪量方面，首先考察了各主要影响因素与越浪量的关系，并在此基础上对现有主要成果的估算值进行了全面校核和差异分析。结果表明：Eurotop所代表的欧洲成果对越浪量估算普遍偏大，原因主要在于该成果中在较大程度上对周期或深水波长的作用进行了重复计算；Goda（1975）所代表的深水波成果在陡坡上估算值普遍偏大，但在缓坡上的估算相对准确，原因主要在于试验水槽的尺度太小所导致的陡坡条件下反射波影响太大；Goda（2007）所代表的最新成果在估算值、越浪量变化规律等方面都与本次研究的结果最为相符，因此推荐工程上优先采用。校核分析的结果还表明，如成果中采用浅水波要素，那么忽略周期同时计及底坡坡度影响的处理方式是正确的。在单波越浪量方面，本次研究发现试验测量方法的准确程度对单波越浪量的研究结果具有显著的影响。本次研究提出了一种全新的基于液压传感器的测量技术和配套的分析方法，获得了良好的试验结果。首次较完整的给出了单波越浪量分布的形状参数与相对水深、相对顶高等主要影响因素的关系，澄清了现有研究在这方面模糊不清的局面，为相关的工程应用提供了重要的参考依据。