新型TB-CUBE块体消浪试验：研发和应用

为了解TB-CUBE块体的消浪效果，试验设计了不同堤前水深、坡度、周期、波高组次，测量波浪在TB-CUBE块体上的爬高情况。一般波浪作用在防波堤时，其波浪能量主要会在以下几个方面进行耗散或者进行转化：

（1）入射波与反射波在堤前进行叠加时，可能会发生破碎而导致能量耗散。

（2）波浪会在斜坡堤的表面发生破碎，此时水体会因紊动而消能。

（3）来波的波浪能会在波浪爬坡的过程中转化为势能，在爬坡水体回落的过程中，势能又转化成了动能，水体开始沿斜坡回流。

（4）波浪在爬坡的过程中会因护面块体的消能作用而耗散掉一部分能量，而且爬坡水体会沿空隙进行渗流运动而耗散部分能量。

（5）当堤身因为堤心石透水或者发生堤顶越浪而在堤后形成透射波时，波浪能会转化为透射波的能量。

在不同水深、坡度情况下，波浪在新型块体表面爬高如图4-8～图4-10所示，由试验可以看出由于TB-CUBE块体组成的块体群在护面层表面形成了孔洞，波浪在爬坡的过程中在护面层上形成了紊流并伴随形成了气泡，待水流通过块体表面孔洞进入内部以后会在块体内部形成紊流，于是波浪的能量得以耗散，波浪的爬高得以降低。在试验过程中还发现由于块体在与垫层石接触的表面具有孔洞，使得进入块体内部的水流会渗透到堤心石内部，使得水流的渗透性有一定的滞后性，这使得块体下层的波浪爬高比块体上层的小。但是在水流爬坡回流的时候正好相反，块体下部的水流回流速度比块体上层的慢，其存在的水面浸润线高于静水面线。各试验工况下，TB-CUBE块体波浪爬高结果与堤前来波反射系数见表4-5和表4-6。

图4-8　坡度m=1.5，波浪在TB-CUBE块体表面的爬高现象

图4-9　坡度m=2.0，波浪在TB-CUBE块体表面的爬高现象

图4-10　坡度m=2.5，波浪在TB-CUBE块体表面的爬高现象

表4-5　水深0.3 m波浪作用下，爬高R、反射系数Kr结果

注：“／”表示试验数据不可用，下同。

表4-6　水深0.4 m波浪作用下，爬高R、反射系数Kr结果

根据上述试验结果可以得出：坡度m、堤前水深d、波坦L／H对波浪在新块体表面的爬高R和反射系数Kr的试验规律，具体如下。

1）坡度m对R和Kr的影响

由表4-5和表4-6结果进行统计分析，得到不同坡度m对波浪爬高R和反射系数Kr影响的变化趋势，如图4-11和图4-12所示。

（1）对爬高R的影响。由图4-11可知：坡度m＜2时，不同周期情况下（R／H）-m的变化规律基本上是一致的，相对爬高随着坡度的增大，其变化幅度比较明显。当坡度m＞2时，相对爬高随着坡度的增加而逐渐减小。

图4-11　不同波浪作用下，相对爬高R／H随坡度m的变化趋势图

图4-12　不同波浪作用下，反射系数Kr随坡度m的变化趋势图

总体（R／H）-m的曲线基本上呈现单峰状态，即爬高是随着斜坡堤坡度的增加先增大后减小。当斜坡堤从缓坡逐渐向陡坡变化时，入射波浪会发生完全反射，波浪基本上不会破碎，此时波浪形态会由完全立波变成不完全立波。当坡度逐渐变缓时，波浪会随着坡度变小使堤前的入射波浪反射率有所减小，此时大多数波浪能会转变为爬坡的势能，所以爬高在坡度较大时增加比较快。当坡度m大到某一个临界值时，入射波浪会在堤前发生轻微的破碎现象，此时入射波浪的波峰少量破碎且还未影响到入射波浪的波峰线，波浪在斜坡堤上的爬高仍然会继续增加，直到达到爬高的最大值。当斜坡堤坡度m逐渐增加的时候，爬坡水体回流作用逐渐变大，波浪破碎程度会逐渐变大，波浪形态变成破碎立波，而随着波浪破碎的逐渐加剧，波浪破碎所损耗的能量增加值会大于反射波能量的减少值，所以波浪的爬高值会有所减小。当斜坡堤的坡度m继续增大时，波浪会发生整体破碎，此时的波浪形态为卷破波，而波浪在破碎的时候会消耗大量的波浪能量，同时由于坡度的逐渐变大，爬坡水体在护面层的运动距离增加，再由于消浪块体的消浪作用使破碎波浪紊动消能，波浪爬高开始逐渐下降。

根据目前国内外研究资料，被大家普遍认可的爬高与坡度之间的关系一般用下列式子表达：

（2）对反射系数Kr的影响。由图4-12可知：随着坡度的逐渐变大，堤前波浪的反射系数逐渐减小。这说明随着坡度逐渐变缓，通过爬坡过程的摩阻损耗以及TB-CUBE块体的紊动耗能，使波浪回流水体的能量大为减小，反射波的能量因此降低。同时我们也可以看出在相同坡度条件下波高越小反射系数越大，说明TB-CUBE块体对于小波高条件下消浪效果并不是很好，同时也在侧面反映出在面对大波高时TB-CUBE块体更具优势。但是，在T=2.5 s时，出现了随着坡度的逐渐增加，反射系数先增加后急剧减小的趋势，说明波浪在TB-CUBE块体上不是坡度m越大反射率越小。结合试验现场现象分析原因：当周期和坡度达到某一值时，爬坡水体层会在块体表层形成一层薄薄的水膜，使得爬高值增大的同时，块体对爬坡水体能量的耗散相对较小，使回流水体具有较大能量，反射波具有较大能量使得反射系数增加；但当坡度继续增大时候，水体爬坡时的水膜消失，消浪块体加大了对爬坡水体能量的耗散，使得反射系数又逐渐降低。

2）水深d对R和Kr的影响

目前，国内外关于堤前水深对于波浪爬高的影响研究甚少，由于试验条件、试验方法上存在的问题，迄今为止尚未有学者系统全面地对此做出研究。根据之前的研究成果，一般认为：当堤前水深d／H≥3.0时，可以不考虑水深对波浪爬高的影响；当堤前水深d／H＜3.0时，需要考虑堤前水深对爬高的影响；当堤前水深d／H=1.5～2.0时，会出现最大爬高。以上结论虽然可以作为参考，但局限性较大。(www.xing528.com)

（1）对爬高R的影响。水深对爬高的影响如图4-13所示，由图可知：随着相对水深的增加，波浪爬高呈现先减小后增加的趋势。当d／L＜0.12时，随着水深的逐渐增加，通过块体的孔洞进入块体内部的水流越来越多，块体内部水体的紊乱程度越来越大，块体的消浪效果越来越强。当d／L=0.12时，波浪在块体上的爬高值出现了最小值，说明此时块体对于波浪的消浪效果到达了最佳状态。当d／L＞0.12时，随着水深的继续增加，爬坡水体层厚度也在逐渐增加，此时已经逐渐逼近块体的最大消浪能力，块体的消浪效果逐渐减弱，波浪在块体上的爬高又逐渐增加。

图4-13　波浪相对爬高时随相对水深的变化规律趋势图（m=2）

（2）对反射系数Kr的影响。水深对反射系数的影响如图4-14所示，由图可知：随着水深的逐渐增加，堤前的波浪反射率逐渐减小；当d／L＞0.10时，随着波高的逐渐增加，堤前波浪反射系数出现了小幅度增加的趋势；当d／L＞0.12时，反射系数又随着波高的逐渐增加呈现出逐渐减小的趋势。分析其原因：当堤前水深较浅时，波高越大，波浪爬高越大，但是水深小时会在块体表面形成一层水膜，导致块体消浪效果不佳，使得反射波具有较大能量，反射系数逐渐增加；而随着堤前水深的逐渐增加，爬坡水体层厚度越来越大，在大波高的工况条件下块体逐渐发挥其消浪效果，使得堤前反射波具有的能量越来越小，故堤前反射系数又随着波高的逐渐增加而减小。

图4-14　堤前反射系数随相对水深的变化规律趋势

3）波坦H／L对R和Kr的影响

1956年美国学者Savilles对波浪爬高进行了较为全面的研究后发现，波浪的爬高会随着波坦的增加而逐渐增加。目前，国内应用的波浪与波坦之间的关系主要有三种形式：R／H∝（L／H）、R／H∝（L／H）1／2、R／H∝（L／H）1／3对于目前在拟合公式时一般使用较多R／H∝（L／H）、R／H∝（L／H）1／2，而R／H∝（L／H）1／3的相对误差在L／H=10～15范围内比较大。所以如果波浪爬高不考虑波坦的影响，则公式不能正确反映波浪的真实爬高。周期在1.2～1.8 s范围，随着水深的增加波浪爬高逐渐增加，但是当周期大于1.8 s后，波浪爬高随着水深的增加波浪爬高反而会逐渐减小。从现场的试验观测来看，当周期小、水深大时，爬坡水层厚度会变大，造成水体来不及进入块体的内部进行能量耗散，但当波浪周期逐渐变大时，水体的爬坡时间会相对延长，使得水体能完全进入块体内部进行消能，而水深小时块体的优势将成劣势，所以会形成此种现象。

（1）对爬高R的影响。按照前述研究思路，得到相对爬高R／H随波坦L／H的变化趋势如图4-15所示，由图可知：波浪爬高随着波坦的增加变化不明显。分析原因为：当坡度m=1.5～2.5时，波浪形态基本上为激破波和卷破波，波浪会在斜面上经历波浪部分破碎和完全破碎的过程。当波浪部分破碎时，波浪爬高主要受入射波和反射波叠加的影响，而此时波坦对波浪的爬高影响较小。当波浪在斜面完全破碎时，TB-CUBE块体的紊动消能能力便会凸显出来，根据试验数据可以看出，因为块体消能的影响，波浪爬高并未跟随波坦的变化发生明显变化。

图4-15　不同波浪作用下，相对爬高R／H随波坦L／H的变化趋势

（2）对反射系数Kr的影响。堤前反射系数Kr随L／H的变化趋势如图4-16，由图可知：堤前波浪反射率随着波坦的变大呈现出先增加后趋于平缓再继续增加的趋势。分析原因为：随着波坦的增大，爬坡水体层厚度较小，在块体表面形成一层水膜导致块体消浪效果不佳，反射波具有较大能量；随着波坦的持续增加，水膜消失，块体的消浪作用持续增加，反射波具有能量进入一个相对稳定区，反射系数缓慢增加；随着波坦的继续变大，爬坡水体层厚度增加，块体的消浪能力无法承受，使得反射波具有较大能量，反射系数又持续增加。

图4-16　堤前反射系数Kr随L／H的变化趋势

4）破波参数对R和Kr的影响

为了综合考虑入射波高、波长和斜坡堤坡度对波浪爬高的影响，现引入一个综合的系数来反应波浪的破碎形态——伊里巴伦（Irribarren）数，一般我们称为破波参数。破波参数有两种，具体见下式：

式中　β——斜坡堤坡度，下标0表示深水波要素，下标b表示破碎点波要素。其中破波参数的破波类型分界线见表4-7。

表4-7　破波类型分界表

根据波浪在深水中的波陡和近岸水底的坡度，一般有三种类型的破碎波：

（1）崩破波。即波浪开始的时候会在波峰的顶部出现白色的浪花，然后由于波浪向前的不断传播，使得波峰顶部的白色浪花不断出现，最后会一直到海岸线附近。其产生条件一般是深水、大波陡的情况，其水底的坡度比较平缓。

（2）卷破波。即波峰的前沿面开始的时候会变得比较陡，随后会成舌状的波浪形态，随着舌状波峰渐渐向下翻卷，最后又会返回水体中发生破碎。其产生条件一般是深水、中波陡的情况，其水底的坡度中等。

（3）激破波。即波峰前后的水体开始变得不对称，随后波峰前沿水体会从根部开始发生破碎，最后波峰前面水体会展现出非常杂乱的破碎状态，并且会沿着斜坡堤的坡面进行爬坡耗散能量。

由于破波参数包含了波陡与坡度这两个影响波浪爬高的主要因素，所以国内外大多数学者都采用破波参数来确定波浪爬高曲线。不同工况下破波参数的结果见表4-8。

表4-8　不同工况下的破波参数

（续表）

从表4-8中我们可以看出当坡度m=1.5时，破波参数都大于3.3，此时波浪形态都为激破波；当坡度m=2、波高＞0.1 m时，波浪形态为卷破波，波高＜0.1 m时大多为激破波；当坡度m=2.5时，大多为卷破波，个别长周期小波高的情况下波浪形态为激破波。

图4-17描述的是破波参数ξ0与相对爬高R／H之间的关系，由图可知，当破波参数大于2.5时，相对爬高随破波参数的增大呈现的是缓慢增长的趋势，波浪在斜坡堤上的状态为激破波，此时波浪在TB-CUBE块体上的爬高与破波参数之间是一种非线性的缓慢变化关系；当破波参数小于2.5时，波浪状态大多数是卷破波，此时波浪完全破碎，波浪的反射比较小，波浪在TB-CUBE块体上的爬高与破波参数之间存在着较好的线性关系，此时相对爬高会随着破波参数的增大而增大。

图4-17　破波参数与相对爬高关系