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J. Ocean Univ。 中国（海洋和沿海研究）
DOI 10.1007 / s11802-017-3197-8 ISSN 1672-5182，2017 16（6）：978-990
http://www.ouc.edu.cn/xbywb/ 电子信箱：xbywb@ouc.edu.cn
带有水平悬臂板的直墙前的水动力条件
KISACIK Dogan1),*，OZYURT Gulizar2)和TROCH Peter3)
- 土耳其伊兹密尔35430 DokuzEyluuml;l大学海洋科学与技术研究所
- 中东科技大学土木工程系，土耳其安卡拉06531
- 根特大学土木工程系，比利时根特9052
（2016年7月8日收到; 2016年11月25日修订; 2017年3月6日通过）
copy;中国海洋大学，科学出版社和Springer-Verlag柏林海德堡2017年
摘要 从近海到海岸线的波浪高度变化是沿海工程工作的第一步。分析波浪破碎以理解流体动力学条件。对于直立式防波堤和海堤，波浪反射是影响波高测定的重要过程。文献中提出的许多设计公式取决于基于所测试结构的经验研究。在这项研究中，在直立壁前方的水动力条件下，悬垂的水平悬臂板的前缘坡度为1/20，在规则波条件下通过试验确定，以评估Goda（2000）公式在预测近岸波高和破碎机指数方程（Goda，2010）。 还分析了用于确定设计波高，反射系数和波浪破碎的波浪测量的选择，并且从涵盖不同波浪破碎类型的数据库导出反射方程。小比例试验表明，入射波高度是设计波高的一个很好的代表，Goda预测的值与实际测量结果非常吻合。 然而，预测的H最大值被高估。另外，波浪破碎点的开始由于前面的波浪留下的反射和/或湍流而推迟，这是直墙的作用。 在较高的水位下，直墙对初始点的影响变得更加显着。
关键词：波浪破碎; 波浪反射; 波浪变浅; 直立结构; 水平悬臂板
- 介绍
在海岸工程设计工作中，预测结构前方的波浪高度至关重要。但是，一般来说只有位于深水区域的波浪数据，不在大部分位于冲刷区域的建筑物前方。随着海浪从近海传播到浅水，发生了几次波浪变形。随着水深与波长比的降低，海床对波浪形成的影响也越来越大。因此，波浪开始变浅，波长减小但波高增加。随着水深变得更浅，波浪的发展导致一些波浪接近波陡的限制值，此时任何其他波浪高度的增加都会导致波浪破碎。一旦海浪开始破裂，它们的一些能量消散，波浪的高度向岸边逐渐减小。通过对过程的不同部分使用各种预测公式，可以确定波浪高度从海上向海岸线的转变。例如，复合威布尔分布（CWD）比较了由Battjes和Groenendijk（2000）开发的方法和由Goda（1975）介绍的断层指数方法，并选择了Goda（2012）中等深度水域海洋结构的适当设计波高。发现CWD方法固有地低估了中等深度水域中的最大波高（Goda，2012）。董等人（2014）研究了三个斜坡（beta;= 1/15, 1/30, 1/45）波浪槽中不规则波的非线性变换的底坡效应，并且证明当斜率大于1/30以获得更好的波高估计。 Rattanapitikon等人（2015）使用来自已发表实验数据的30个来源的总共17863个数据点来检查破碎波高度公式，最后得出结论，现有公式显着低估了浅水中最大可能的波高。 Chen和Li（2015）在实验室波浪池中进行了一系列实验，观察波浪演变并验证拉格朗日解，同时研究倾斜海滩的破浪演变。
直立式防波堤是设计用于防波浪作用的沿海结构。 不同的装置，例如带有返回式拱顶的直立式防波堤，已经被用于控制越浪，这是另一个重要的设计考虑。 范德梅尔和布鲁斯（2014年）表示，从波浪爬坡和设计方面的进一步研究中受益的两个领域是直立墙（无冲击波和冲击波攻击下）的前景影响，以及位于直立墙和非常陡峭的斜坡。 由不同研究人员提出的公式和方法的表现会随着大多数开发者使用他们的现场/实验室数据校准他们的模型而变化（Goda，2009）。 因此，评估具有新信息的沿海结构设计中所用公式的可靠性和适用性对于新的布置很重要。 本研究分析了一种这样的设置，即在本研究中分析了不允许越浪的水平悬臂板的直立墙，因为文献表明关于直立墙上的这种设置的研究有限。
Kisacik等人发表的几篇论文（2012a，2012b，2014）通过关注波浪冲击，波浪压力以及直立墙和悬臂板上的力，描述了本研究中概述的设置的波浪-结构相互作用。在另一项研究中，Kisacik和Troch（2014）描述了类似装置的水动力条件的初步结果。他们研究了沿水槽的四个不同波列的波浪变化，并研究了规则波和不规则波的反射系数的变化。他们还分析了在一个水深（hs= 0.135米）处波浪破裂点的开始。
本文中，Kisacik和Troch（2014年）通过分析规则波二维水力模型试验的附加数据，大大扩展了水平悬臂板垂直防波堤小型试验装置的讨论。 提出了关于陡峭的前滨坡和结构几何对初始波高选择对设计，波浪转换，波浪破碎和波浪反射的影响的新讨论。 通过比较实际测量结果与由Goda公式计算的结果（Goda，2000），讨论波浪潮。 研究了从非破波到完全破波的每个波规位置处的波高，并提出了计算类似结构的平均波反射系数的方程。 本文还讨论了基于单个入射和反射波的反射系数分析新方法。 利用新的反射方程给出了结构趾部反射系数与水深之间的关系，并利用1/20的统一坡面坡波数据对Goda（2010）的断裂指数公式进行了综述。将波浪破碎的起始点在四个水深与没有直立结构的设备的测量断点进行比较，以评估水深和结构在起始点的综合影响。
- 实验装置
在规则波条件下，在二维波浪水槽中准备了两个实验装置。 其中一个设置包括一个直墙和一个悬垂的水平面悬臂板位于距离波浪板22.5米处，在结构上具有0.5米深的均匀斜坡（1/20）。 这种0.3米高的结构由聚甲基丙烯酸甲酯制成，并配有10套压力传感器。 九套浪高仪测量沿水槽和结构处的波浪信息。高速摄像机记录了波浪在发生破碎之前作为时间的函数，从而提供关于破坏机制和冲击形状的信息。该信息被用于确定波浪破碎类型，因为破碎类型对直立结构上的波浪压力和作用力施加显着影响。图1和图2显示了有和没有直立结构的波浪槽中的测试设置。使用表1中给出的测试参数矩阵测试垂直结构。对于规则波执行测试，并且每个测试重复两次。使用规则波是名义上恒定条件下调查参数的有效方法。在实验中，结构脚趾的波浪周期（T），入射波高度（Hi）和水深（hs）被认为是可变输入参数。 hs的变化很重要，因为垂直结构主要位于相对浅水区的潮间带。 对四个不同的h值s和五个不同的T值进行测试。对于hs和T的每个组合，入射波高度（Hi）在连续测试中增加以实现从不破浪，破浪。另外，Hi和T是在结构之前的各个位置处，即五个波高（5Hi），通过下跨零点法确定的。 从1到7的波形测量仪Hi(1)到Hi(7)测量入射波高度，而L由任何深度的线性波理论确定。 一次规则波试验中的波数限制为18次，因为更长的持续时间通常会导致横波，这是由高水平反射产生的。在测试中，hs增量被认为达到了水位，仍然允许接近的波峰适合水平悬臂板下的空间。分析中排除波峰在达到垂直壁之前碰到水平部分的结果。由于模型的垂直面造成的高反射可能促进水槽中的横波的产生。 因此，使用沿水槽（12.5米）的垂直板将水槽宽度减少到35厘米以进行新的测试（参见图2）。 水槽的开放端部分在结构位置之后以被动吸收海滩结束，使用砾石沙滩。 砾石沙滩坡度为1/50，前滨和砾石滩的反射率不到7％。 因此，从消波海滩假设零反射，并且通过在限定位置（Hi（2），Hi（4），Hi（i））处的测量仪2,4,5和7在开放端同时测量未受干扰的入射波特性。
使用第一个波形记录对结构进行测试根据Mansard和Funke（1980）的方法，利用三个波形测量仪（测量仪1,2和3，见图1b）对常规波进行反射分析。分析垂直结构前方的部分驻波场，以确定i）入射波参数作为波浪荷载和波浪的输入ii）波浪反射并能够评估结构处的波浪能耗。压力传感器（带采样的石英型传感器频率为20kHz）测量的波浪冲击压力作为时间的函数。 总水平和升力通过对压力结果（方程（1）和（2））进行积分来进行计算：
其中pk（t）和pj（t）是测量的瞬时值，在第k个和第j个传感器位置处的压力Delta;zk和Delta;xj是两个传感器之间的距离，n和m是垂直传感器的数量（n = 7）和水平（m = 3）部分。
表1规则波的测试参数矩阵
图1用于规则波试验的水槽模型设置。 a）没有结构的侧视图，b）结构的顶视图，c）结构的侧视图，以及d）结构的详细视图。
图2用于规则波试验的分水槽设置。 a）侧视图和b）俯视图。
- 流体动力学条件
波浪在直立结构上施加动力和/或准静力，这些力取决于流体动力学参数，例如波浪高度和波浪周期。波浪破碎类型及其相应的反射也很关键，因为一些入射波被反射而其他入射波在垂直壁上破碎。 因此，分析设计前面和结构处的水动力条件。 在研究中观察到的波浪参数和水动力条件将在下面的章节中讨论。
3.1设计波浪高度
测量的压力和力取决于入射波高度（Hi）或总波高（HT）。Hi是不受现有结构影响的波高，HT是结构前方测得的总波高。洛佩兹等人（1998）绘制了防波堤实验室测试的Iribarren数（xi;）的稳定性数值，并观察到数据高散射。 对于大数值的xi;，散射很高，作者证明，一旦数据用HT代替Hi对xi;绘图，散点几乎完全消失。 因此，在这项研究中确定了代表波浪力的波高（HT或Hi）在直立结构上更好。
为了同时测量波高（HT或Hi），使用图2所示的实验装置。 图3显示水平力（Fh）与入射波高和总波高（Hi(5)和HT(6)）的比较，
图3 a）Fh随入射波高度（Hi(5)）和b）Fh随总波高（HT(6)）的变化
直接在浪高仪5和6处测量（图2）。 该图表明Hi(5)与Fh的相关性高于HT(6)的相关性。 即使如此，在1 lt;Hi(5)/ hslt;1.2之间的数据范围内观察到高散射。 在这个数据范围内，破碎波类型是具有小型和大型空气阱（BWSAT和BWLAT）的破浪; 力数据的分散是这些破碎波类型的众所周知的典型现象（Kisacik等人，2012a）。
3.2波浪变浅
入射波高与位于冲浪地带的直立结构上的测量力显示出良好的相关性。 因此，波浪从深水到浅水的传播对于正确预测入射波高度而言，在波浪起伏和破碎方面变得至关重要。 大多数关于波浪破坏的实验研究是在比1:30更温和的床坡上进行的，通常为1:50或1：100。 在这些斜坡上，波浪起伏相对平稳，波浪破碎得到了充分的理解。 然而，证据表明，陡峭的河床坡度不同地转换波浪，并产生严重的水力学和结构响应。在本节中，将沿着水槽测量的1/20水平坡度上的规则波浪试验波高与Goda（2000）对不规则波理论方法进行比较。 在这里，目标是评估在陡峭的斜坡上的规则波浪高度的变化，以及不规则波浪的理论线的变化。
Goda（1975）通过计算单向随机波在平面海滩上的传播，提出了基于概率方法的波浪模型。 他为H1/3和H最大从海上向海岸线转变为1/10，1/20，1/30和1/100的四个沙滩坡提出了一套设计图。 在Goda的方法中，H1/3和H最大分别被设定为有效波高和最大波高。 如果H0#39;/ L0gt; 0.04，则必须使用图4（Goda，2000）。 H0#39;表示等效离岸波高，H0#39;= KrH0，其中Kr
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