一种越浪量测量的新方法

第11卷第8期中国水运V ol.11
N o.82011年8月Chi na W at er Trans port A ugus t 2011
收稿日期：2011-06-11
作者简介：罗兴远（1983-），男，河南省范县人，大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验，硕士，研究方向为港口、
海岸及近海工程。

金红山（）青海省互助人，中国人民解放军部队工程师。

一种越浪量测量的新方法
罗兴远1
，金红山
2
（1大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2中国人民解放军91987部队，辽宁大连116041）
摘
要：越浪量的测量是护岸和防波堤设计中的一项重要内容，文中介绍一种测量越浪量的新方法，图像分析法，
即通过浪高仪记录越浪水体历时曲线即越浪过程线，通过视频图像分解得到越浪水体对应的水平速度，从而推求越浪量，将其测量结果与传统的称重法测量结果进行对比，二者吻合较好，表明新方法是比较合理的。

关键词：越浪量；图像分析法；称重法；测量中图分类号：U 442文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）08-0100-03
一、引言
波浪遇建筑物后会沿堤面上爬，当爬高超过堤顶时，即发生越浪。

实际海浪是不规则的，在一个波列中，可能只有少数波浪越顶，且每个波浪的越浪量是不同的。

整个波列的越浪量等于各个波浪（常取100个波）的越浪量之和（亦即累积越
浪量）。

通常取单位时间内越过单位堤长的平均水量作为衡量
越浪量的标准，叫做越浪流量，以Q ［m 3/(m s )］表示。

影响越浪量的因素很多，除了波高以外，主要的依次为相对顶高H c ′/H s 、坡比m 、入射波波陡H s /L 、相对水深d /H s 。

此外，护岸形式（包括挡浪顶墙的形状）、顶宽和护脚的形式等都影响到越浪量[1]。

越浪量的研究方法主要有数值模拟、物理模型试验和经验公式三种。

现有的数值模型仅仅被有限资料所验证，因此其通用性有待考证。

现有的研究成果对越浪量影响因素分析及计算方法的研究相对较多，但由于影响越浪量的因素很多，海堤或护岸越浪现象非常复杂，现有计算平均越浪量的公式，大多适用范围较窄，使用起来有很大的局限性，且彼此之间的计算结果差异也很大[2]。

因此，对于具体工程常通过物理模型试验测量越浪量的大小。

在物理模型试验中，测量越浪量通常采用称重法。

称重法应用广泛，但也有其局限性，对于不同的越浪形态，就不能反映出来。

而越浪形态的观测，对于分析越浪水体对后坡行人、车辆及结构物等的影响尤为重要[3]。

因此，本文采用一种新的越浪量测量方法，即由图像分析法推求越浪量，此方法可在准确测量平均越浪量的同时，观测每个越浪的形态，从而弥补了称重法的不足，将试验结果与传统的称重法测量结果进行对比，研究成果可供工程设计参考。

二、物理模型试验
1．试验设备仪器及模型设计
试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的海洋环境水槽中进行，水槽长50m ，宽3m ，深1m ，最大工作水深0.7m ，水槽一端配备大连理工大学自制的液压伺服不规则波造波机系统，可模拟规则波、椭圆余弦波及目前国内
外常用的七种波谱，造波周期：0.5~5.0s 。

水槽另一端安装有消能网，可有效消除波浪反射的影响。

水槽试验段分为两部分，宽度分别为0.8m 和2.2m ，试验断面模型放置在0.8m 宽的部分，另一部分用以消除波浪的二次反射。

采用该实验室研制生产的DLY -1型波高、滤波、应变混合式测量仪（以下
简称浪高仪）测量波要素、凑谱，浪高仪波高测量范围不小于
30cm ，绝对误差小于1mm ，试验前进行标定，标定线性度大于0.999。

采用有机玻璃制成的接水容器收集越浪，并采用电子秤称重。

用录像系统同步记录越浪过程。

根据《波浪模型试验规程》（J TJ /T234-2001）[4]的相关规定，选用正态模型，按Frou de 相似定律设计。

试验模型断面和胸墙型式相同，如图1、2所示，胸墙采用水泥制作而成，胸墙和护面下铺碎石垫层，堤心采用更小的碎石堆成，胸墙弧面下端点与护面上端点相切。

模型护面采用四角空心块，水深0.32m
1:1.75
Hc
R=5c m
7
c m 1
c m
图1试验模型图2弧型胸墙
2．越浪量测量方法
越浪量测量在采用称重法的同时，尝试了一种新的测量方法——图像分析法。

测量仪器布置如图3、4所示，将接水容器放置在胸墙顶端中部，在胸墙后面左侧放置一个储水小盒，小盒顶端与胸墙顶标高一致，储水小盒中装满水，将浪高仪放置在里面，把录像系统放置在右侧记录越浪过程。

所有试验重复三遍,结果取其平均值。

1:1.75
H c
接水容器
储水小盒浪高仪
图3越浪量测量
1974-91987
第8期
罗兴远等：一种越浪量测量的新方法101
浪高仪
储水小盒胸墙顶
胸墙墙趾
接
水
容器
录像系统
图4
测量仪器俯视图
（1）称重法
由波浪模型试验规程[4]，建筑物越浪量试验宜采用不规则波。

平均越浪量q 定义为1个足够长(例如包含100个以上波浪)的波列在单位堤长、单位时间内的平均越顶水量,单位是(m 3/(m s ))或(L/(s
m -1))。

即
q=t
b V （1）
式中
q ——单宽平均越浪量(m 3/(m
s ))；
V ——1个波列作用下的总越浪水量(m 3)；b ——收集越浪量的接水宽度(m )；t ——1个波列作用的持续时间(s )。

（2）图像分析法
采用浪高仪采集以胸墙顶标高为零点，一个波列作用过程中越过堤顶水体的厚度随时间的变化过程，即越顶水体的时间过程线（以下简称越浪过程线）。

采样时距为0.02s ，采样长度为8192。

采用录像系统同步记录每个越浪的形态，并将视频中的每个越浪分解成每秒25帧的图片，观察越浪水体从胸墙顶至落下前水平运动的距离s 和所用时间t ，即可得到越顶水体水平速度u =s/t 。

图像分析法是根据胸墙顶的越浪过程线，并结合越顶水体的水平速度，分析得到越浪量。

即假设一个波列在宽度为b 的胸墙顶的越浪过程线如图5所示。

其中，竖轴代表越过堤顶水体的厚度h （以下简称越水厚度），横轴代表采样点，共N （i=1……N ）个，采样时间间隔为△t 。

该波列共计发生越浪M 个。

△t
△s
m
n
u j
S j
S
M
u
M
越水厚度h
(m )u i
400
8001200160020002400280032003600
采样点
0.100.120.140.16
0.080.060.040.02
N
h i
h i
+1图5一个波列的越浪过程线
对于图5中的第j （j=1……M ）个越浪，从时刻i △t 到（i+1）△t 范围内，越顶水体的厚度从h i 变化为h i+1，相应的时间段内，越顶水体的水平速度为u i ，则该时间段内，越过堤顶的水量为
()b u S b u t h h Q i i i i i i =+=
+11
于是，第j 个越浪的水体体积为
∑=i
j Q Q 由公式（2.1）可得越浪量
t
bN Q bt V
q j ∑
=
=
由于每个越浪通常是一团水体Qj ，简便起见，可认为该水体具有相同的水平速度u j ，于是
∑∑===j
j i j i j S u b S u b Q Q 从而，由图像分析法所得的越浪量可以表达为
t
N S u
q M
j j
j
=
∑=1
（2）
式中q 为平均越浪量，单位是(m 3/(m s ))；
V ——1个波列作用下的总越浪水量(m 3)，b ——越浪水体单位宽度(m)；
t ——1个波列作用的持续时间(s )，t=N △t 。

（3）试验参数
试验参数如表1所示，表中d 为水深(m)；H s 为有效波高(m)；T p 为谱峰周期(s)；H c ′为胸墙墙顶在静水面以上的高度(m)。

表1
试验参数
水深d(m)H s (m)T p (s)H c ′
(m)0.320.096 2.140.090.320.105 2.140.090.320.105 2.260.090.320.114 2.260.090.32
0.114
2.41
0.09
（4）典型越浪形态
在试验过程中观测到比较典型的越浪形态，如图6、7
所示。

图6
越浪形态
由图6可见，弧型胸墙顶部越浪由较多的实际水体和溅
起很高的弧形水舌构成。

图越浪形态
2
7
102中国水运
第11卷
由图7可见，弧型胸墙顶部越浪由大量的实际水体和很少的水花构成，且水花占越顶水体的比重很小。

三、试验结果及分析1．越顶水体厚度及水平速度越浪过程线如图8
所示。

图8越浪过程线
由图8可知，越浪大浪很多，且大浪的数量及越水厚度随着波高、周期的增加而增加，是由于波高较大、周期较长，容易产生越浪，随着波高、周期的增加波浪爬高更加容易。

越顶水体水平速度随越水厚度的变化如图9
所示。

图9
越顶水体水平速度随越水厚度变化
由图可见，越顶水体水平速度均随越水厚度的增加而
增大。

2．越浪量
由公式（1）（2）计算，得试验模型无因次平均浪量
3g /s H Q 随相对胸墙顶高变化如图10
所示。

图10越浪量随相对胸墙顶高变化
由图10可知，图像分析法所得越浪量和称重法所得越浪量均随相对胸墙顶高的增大而减小，图像分析法结果略小于称重法试验结果，且相对误差随着相对胸墙顶高的增大而增大，是由于：①越浪以实际水体为主，水花或水舌比较少，如图7所示的越浪较多，如图6所示的越浪较少；②随着相对胸墙顶高的减小、周期的增加，如图6所示的越浪越来越少，如图7所示的越浪越来越多。

四、讨论与展望
本文对图像分析法结果与称重法试验结果进行了比较分析，具体结论如下：
（1）越顶水体水平速度随越水厚度的增加而增大。

（2）弧型胸墙顶部越浪通常由实际水体和水舌或激散的水花构成，激散的水花或水舌散开形成的水花均不能被浪高仪读取，弧型胸墙顶部越浪中水舌或激散的水花占越顶水体的比重越小，图像分析法结果与称重法试验结果吻合越好。

（3）图像分析法结果总体上小于称重法试验结果，相对误差随着越浪量的增大而减小，越浪量越大，图像分析法结果与称重法试验结果吻合越好，表明图像分析法是合理的，可行的。

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