斜坡堤越浪标准和比尺效应研究

Wave overtopping is one of the key factors for structure and section design of breakwater, and also the important reference point to check the ability of wave dissipating and the safety behind breakwater. At present, there is only calculating formula for water overtopping, but no clearly overtopping standard in China Port and Hydrology Standard. For this problem, scale effect is one of the important factors for test results, which has been proved by large scale model test in foreign and some numerical model test. In this study, the degree of damage will be examined by series model tests, and then the standard of overtopping on sloping breakwater will be given. An important testing equipment named Large Scale Wave Flume will used in this study, which located in Tianjin institute research for water transport engineering. With model scale 1:1~1:5, scale effect can be decreased as much as possible and the real test result of overtopping on breakwater can be given in this flume. As the relationship between model scale and test accuracy obtained by comparison with the test result of small scale model, the influence of the scale effect for model test can be explained. The research achievement will help to improve the accuracy of the model test, and better service to coastal engineering construction of our country.

越浪量是防波堤结构和断面设计的关键因素，也是衡量防波堤防浪效果和堤后安全的重要参数，目前我国相关规范中只给出了越浪量计算公式，而对越浪标准问题尚没有明确的规定。另外，针对防波堤越浪问题，缩尺模型中的比尺效应是影响模型试验结果的重要因素，这种影响已经被国外大比尺模型试验和相关的数学模型结果所证实。本研究首先通过系列越浪试验检验堤身结构和堤后设施的破坏，分析越浪量与结构受力的关系，进而提出以越浪量为参数的斜坡堤越浪标准，并在此基础上利用交通运输部天津水运工程科学研究所即将竣工的大比尺波浪水槽对越浪标准进行检验。该水槽按照1:1~1:5的比尺设计模型，可最大限度的消除比尺效应对物理模型试验精度的影响，通过与缩尺模型试验结果的比较得到模型比尺与试验精度之间的相互关系，进而揭示比尺效应对模型试验的影响。本项目研究成果将有助于相关规范的修订以及提高模型试验的精度，更好的为我国海岸工程建设服务。

本项目针对波浪与斜坡式结构作用产生的越浪问题及物理模型试验中的比尺效应问题开展了相关研究。在对比尺效应的分析中，指出其来源于利用不同的相似准则模拟原体的过程，通过实例给出了重力相似准则下不同类型作用力的比尺关系，进而分别针对渗流力、摩擦力、表面张力及粘性力等分析了比尺效应对模型试验的影响，并对比尺效应的补偿方法提出了设想。对于越浪问题，首先给出了不同规范中对越浪问题的描述，并比较了不同国家和地区海岸工程的越浪量标准，可为我国相关规范的修订提供借鉴。报告开展了波浪与斜坡式结构作用数值模型的开发，利用ALE方法和开源代码OpenFOAM分别建立了相关模型，前者针对潜堤模型、台阶地形、缓坡模型进行了数值计算，后者针对潜堤和带胸墙斜坡堤进行了数值计算，并同步开展了部分物理模型试验工作，两种数值模型与相关物模试验的比较结果显示了数值模型的可靠性。在波浪与带胸墙斜坡堤结构作用的研究中，初步分析了不同因素对越浪量的影响。研究最后利用天科院大比尺波浪水槽，针对某岛礁地形，研究了波浪在陡变斜坡上的爬高与越浪问题，分析了不同水深条件下波浪爬高与周期的关系，对于大比尺波浪水槽与常规水槽试验对比尺效应的影响问题，将在后续的研究中继续深入分析。