堤坝是沿海港口及海岸防护的重要组成部分，其肩负着削弱波浪对大陆岸线的冲击、维护港内建筑物稳定以及保障港内水域泊稳条件的重任^[1]。直立式堤坝因堤内侧可兼作码头，能提升港口设施的利用率，因而成为常用的港口堤坝结构型式^[2]。对于直立式堤坝的研究，20世纪中叶，Per^[3]率先研究了直立式堤坝在不同波浪条件下对波浪能破坏效果的研究。此后，学者们开始致力于改进直立式堤坝的构型。Neelamani等^[4-5]提出了“T”形与“⊥”形两种新式堤坝，并利用物理模型试验研究了波浪的透射、反射以及能量衰减特性；杜沛霖等^[6]提出了2种带有透浪通道的新型直立式堤坝，并给出了波浪透射系数的经验公式。目前，直立式堤坝虽已广泛应用于各类港口工程中^[7]，但在应对极端海况、满足高消波效率需求以及降低堤坝前反射等方面仍面临诸多挑战^[8]。王浩霖等^[9]研究了不同入射波向直立式堤坝上的波压力，得出直立式堤坝自身所承受的波浪荷载较大。Young等^[10]对直立式堤坝和半圆形堤坝的局部波浪特性开展试验研究，得出直立式堤坝比半圆形堤坝反射更强的结论。此外，直立式堤坝在提升消浪效率方面的方法较为局限^[11]，主要通过增加堤宽来实现，这导致工程成本造价高昂。如今堤坝建设日益向深水区域发展，因沉箱式直立堤坝可先在陆地上预制好后再在水上现场进行安装，具有较好的整体性^[12]，能有效地阻断波浪的冲击力，可较大程度维持港池水面平稳，同时降低了工程造价，因此新型沉箱式堤坝在港口和沿海地区的防波工程中得到了广泛应用，研发新型沉箱式堤坝防护技术也已成为当前港口工程领域的研究热点^[13]。仝成才等^[14]提出一种下部直径大、上部直径较小的瓶形圆沉箱结构，用以在码头中降低波浪力、减少地基应力。Ali等^[15]对沉箱防波堤的开孔几何形状进行了数值模拟研究，结果表明，与刚性直墙沉箱防波堤相比，在新几何形状的沉箱防波堤下，结构越浪量有明显减小。

总体来看，沉箱堤坝具有广阔的应用场景，但目前的沉箱堤坝主要利用其自身结构与波浪直接相撞来挡回来波，实现消浪的目的^[16]，因此其普遍存在堤前反射系数大^[17]、波浪荷载过大^[18]的问题。为克服这些问题，本文提出了一种新型的贯顶式沉箱堤坝，该堤坝设有贯通堤前到堤顶的透浪通道，可将波浪从堤前引到堤顶，利用加速后的波浪自身能量在堤顶处消耗后续来波，以实现在降低堤前波浪反射的同时提高消浪效率的目的。本研究还利用波浪水槽试验对贯顶式沉箱堤坝水动力特性进行了研究，对比分析了贯顶式沉箱堤坝与传统矩形沉箱堤坝2种消浪结构(即堤型)在不同堤顶水深及不同波浪要素下堤坝的透射系数、反射系数规律，并对两者的堤前、堤后最大流速进行研究，以期为贯顶式沉箱堤坝的进一步研究及工程应用提供参考。

1 试验设置 1.1 试验模型

贯顶式沉箱堤坝模型(见图 1(a)和(b))整体高度为36 cm，沿波浪传播方向宽30 cm，垂直于波浪传播方向长40 cm。贯顶式沉箱堤坝由倒梯形顶板、透浪通道以及基座组成，三者将堤高分为三等份，各部分高度均为12 cm。此外，其位于迎浪面的进浪口通过堤体内部透浪通道连通堤顶出浪口，进浪口总高度为24 cm，出浪口宽度为4 cm，透浪通道后的挡墙为反弧形，传统矩形沉箱堤坝(见图 1(c)和(d))是与贯顶式沉箱堤坝长、宽、高一致的实体结构。本文主要研究这两种构型的堤坝消浪减流效果的差异，为降低试验中材料摩阻对波浪能量的损耗，试验模型采用表面光滑的不锈钢材料制作而成。两种堤坝具体结构尺寸如图 1所示。

1.2 试验布置

本试验在中国海洋大学海岸工程环境实验室的波浪水槽中开展。水槽长度为14 m，宽度为0.5 m，高度为0.7 m，在水槽前端配有推板式造波系统，所制造的规则波波形稳定，重复性好。在水槽的末端配有消波系统，可较大程度地减少波浪反射对试验区域水体的影响，以确保试验结果的准确性。波面采集使用成都科大胜英科技公司生产的CBG03型数字波高仪，流速采集使用挪威Nortek AS公司生产的Vector多普勒流速仪。

试验共计使用4个波高仪和2个流速仪，其中堤前、堤后各布放2个波高仪和1个流速仪。试验整体布置如图 2所示。根据波浪模型试验规范要求，并结合本试验条件，堤前、堤后的2波高仪间距均为0.8 m，堤坝模型与其前、后波高仪的距离均为1 m，与其前、后流速仪的距离均为0.5 m。试验过程中，待水面平静后开始造波，待所造波浪稳定后开始采集波高数据，每组采集时长为600 s，采集间隔为0.01 s。

1.3 试验工况 1.3.1 堤坝消波试验

在规则波作用下分别测试2种堤型的堤坝(贯顶式沉箱堤坝和矩形沉箱堤坝)在5种堤顶水深、3种波浪周期及4种入射波高条件下的消浪特性。鉴于堤坝模型高度为36 cm，试验选取以下5种堤顶水深工况：2种低于堤高的水深(30和33 cm，分别对应堤顶水深为-6和-3 cm)；1种与堤高相同的水深(36 cm，对应堤顶水深为0 cm)；2种高于堤高的水深(39和42 cm，分别对应堤顶水深为3和6 cm)。入射波高根据试验条件选取4种规格(8、10、12和14 cm)，波浪周期设定为3种值(1.2、1.5和1.8 s)。本次试验共开展52组消浪试验，具体工况如表 1所示。

1.3.2 堤坝减流试验

在规则波作用下分别测试2种堤坝在2种堤顶水深、1种波浪周期、4种入射波高条件下的减流特性。试验选取1种高于堤高的水深(39 cm，对应堤顶水深3 cm)，和1种低于堤高的水深(33 cm，对应堤顶水深-3 cm)，入射波高根据试验条件选择8、10、12和14 cm，共计4种入射波高，波浪周期设定为1.5 s。此次试验共进行16组减流试验，具体工况如表 2所示。

1.4 数据处理与分析方法

由于堤前入射波与反射波相互叠加，波高仪测量的其实是两者叠加后的结果，因此本文采用Goda等^[19]提出的两点法进行波高分离。其中布放在堤前的1号和2号波高仪测量的数据用于入、反射波浪的分离，布放在堤后的3号和4号波高仪测量的数据用于分析透射波浪，根据分离后的波高数据计算透射系数K_t和反射系数K_r，计算公式如下：

$ K_{\mathrm{t}}=H_{\mathrm{t}} / H_{\mathrm{i}}, $

(1)

$ K_{\mathrm{r}}=H_{\mathrm{r}} / H_{\mathrm{i}} 。$

(2)

式中：H_t为透射波高，单位为m；H_i为入射波高，单位为m；H_r为反射波高，单位为m。

2 试验结果与分析 2.1 两种堤坝消浪过程中波面变化情况

图 3为2种堤坝在消浪过程中的波面变化情况对比，试验工况为堤顶水深0 cm、入射波高14 cm、波浪周期1.5 s。在试验过程中，当波峰传导至堤前时，矩形沉箱堤坝前立波现象更为明显，当波峰继续向前传导并到达堤顶时，2种堤坝的消浪表现差异显著，由于透浪通道的存在，贯顶式沉箱堤坝在出浪口附近对来波产生较大程度地破碎，泛起白色破碎水花，而矩形沉箱堤坝在堤顶处基本无泛起的白色水花。当波峰越过堤后，贯顶式沉箱堤坝堤后的波浪发生破碎，波形紊乱，矩形沉箱堤坝堤后波浪则还存在1个较明显的波峰。

2.2 堤顶水深对堤坝消浪性能的影响

图 4展示了在相同的波高条件下，2种堤坝的透射系数随堤顶水深的变化情况。从图 4中可以看出，随着堤顶水深的增加，2种堤坝的波浪透射系数均逐渐增大，这表明堤顶水深越小，2种堤坝的消浪效果越好。在堤顶水深为-6、-3、0和3 cm的工况下，同一工况中贯顶式沉箱堤坝的透射系数始终小于矩形沉箱堤坝，这表明在这4种堤顶水深下，贯顶式沉箱堤坝具有更佳的消浪能力，消浪能力相对于矩形沉箱堤坝可提升5.5%~32.2%。在6 cm堤顶水深下，同一工况中，矩形沉箱堤坝的透射系数小于贯顶式沉箱堤坝，这表明在较大的堤顶水深下，矩形沉箱堤坝的消浪能力更佳，在该堤顶水深下消浪能力相对于贯顶式沉箱堤坝可提升1.6%~5.7%。在堤顶水深为-3和0 cm的工况下，2种堤坝的消浪能力差距较大，贯顶式沉箱堤坝消浪能力明显优于矩形沉箱堤坝，当堤顶水深为-6、3和6 cm时，2种堤坝的消浪能力差距均相对较小。

图 5展示了在相同的波高条件下，2种堤坝的堤前反射系数随堤顶水深的变化情况。从图 5中可以看出，堤顶水深为-6 cm时2种堤坝的反射系数最大，堤顶水深为6 cm时2种堤坝的反射系数最小，随着堤顶水深的增加，2种堤坝的波浪反射系数均逐渐减小，这表明堤顶水深越小，2种堤坝的反射现象越明显。且在试验的5种堤顶水深工况下，贯顶式沉箱堤坝的堤前反射系数均小于矩形沉箱堤坝，2种堤坝反射系数在堤顶水深为-6 cm、入射波高为8 cm的工况下相差最小，该工况下贯顶式沉箱堤坝反射系数相对于矩形沉箱堤坝可减少3%，2种堤坝反射系数在堤顶水深为3 cm、入射波高为10 cm的工况下相差最大，该工况下贯顶式沉箱堤坝反射系数相对于矩形沉箱堤坝可减少37.9%。这是因为贯顶式沉箱堤坝中存在一个连通堤前与堤顶的透浪通道，该通道允许波浪在一定程度上穿透沉箱结构并从堤顶涌出，可以使波浪能量更有效地被吸收和消散，从而在一定程度上减少波浪在堤前的反射高度，进而降低反射系数，这对稳定堤前水体具有良好的效果。

2.3 入射波高对堤坝消浪性能的影响

图 6展示了在相同的堤顶水深条件下，2种堤坝的波浪透射系数随入射波高的变化情况。从图 6中可以发现，2种结构型式堤坝透射系数与入射波高无明显的单调规律，但整体情况符合前期研究所得结论，即除在6 cm堤顶水深的4种入射波高工况下贯顶式沉箱堤坝透射系数大于矩形沉箱堤坝外，其余堤顶水深条件下改变入射波高，贯顶式沉箱堤坝透射系数均小于矩形沉箱堤坝。这意味着贯顶式沉箱堤坝在非大堤顶水深工况下有更好的消浪性能，在抵御波浪冲击时，能够更有效地吸收或耗散波浪的能量，从而减少波浪对后方水域或陆地的影响。

2.4 波周期对贯顶沉箱堤坝消浪性能的影响

图 7展示了在相同入射波高条件下，贯顶沉箱堤坝的透射系数随波周期的变化情况。由图 7可知，随着波周期的增大，贯顶沉箱堤坝的波浪透射系数在3种堤顶水深下均逐渐增大，这表明贯顶沉箱堤坝在周期较短的波况下具有更佳的消浪性能。对于波周期较小的波浪，其波形较陡峭，因而其波能主要集中在波峰附近，使得波浪在撞击堤坝时，由于波峰附近的能量更为集中，波浪更容易因被冲击而发生破碎，进而耗散能量。此外由图 7可见，本试验中，当堤顶水深为-3 cm时，贯顶式沉箱堤坝的透射系数小于堤顶水深为0 cm时的透射系数，而堤顶水深为0 cm时的透射系数又小于堤顶水深为3 cm时的透射系数。当水位下降时，相对堤顶水深相应减小，从而增强了堤坝对波浪的阻挡作用，导致波浪形态发生更大改变，消耗能量更多，进而使透射系数减小。

2.5 两种堤坝堤前、堤后流速变化规律

在港口港池水体稳定方面，从冲刷与侵蚀、船舶操纵以及水体混合与交换等角度来看，最大流速往往具有直接且显著的影响。最大流速在很大程度上决定了水流对港池底部和岸边的冲刷能力，最大流速过高可能增加船舶操纵的难度，对船舶安全构成威胁。因此为探究新型贯顶式沉箱堤坝堤前、堤后的减流效果，本文将其与矩形沉箱堤坝进行对比，开展了不同堤顶水深及不同入射波高下的堤前、堤后最大流速试验。

由图 8可见，与传统的矩形沉箱堤坝相比，在8种工况下，新型贯顶式沉箱堤坝前的流速均为最小，在相同堤顶水深条件下，随着入射波高的增加，堤坝前流速均相应增大。在本试验工况下，贯顶式沉箱堤坝前的最大流速为0.54 m/s，而矩形沉箱堤坝前的最大流速为0.61 m/s。在堤顶水深为-3 cm、入射波高为8 cm的工况下，两堤坝前的流速值相差最小，贯顶式沉箱堤坝相对于矩形沉箱堤坝前的流速降低6.3%，在堤顶水深为3 cm、入射波高为10 cm的工况下，两堤坝前的流速值相差最大，此时贯顶式沉箱堤坝相对于矩形沉箱堤坝，堤前流速降低19%。矩形沉箱堤坝前的流速比贯顶式沉箱堤坝前的流速大的原因主要是矩形沉箱堤坝堤前反射更为剧烈，在该状态下，反射波与入射波的叠加会导致堤前波高进一步增高，进而引起水流速度的增大。具体来说，反射波的存在会加剧水流的扰动，使水流速度在时间和空间上的分布更加复杂多变，这种变化导致堤前流速增大，而过大的流速不利于进港船只的靠泊。

由图 9可见，在8种工况下，新型贯顶式沉箱堤坝后的流速也均小于矩形沉箱堤坝，贯顶式沉箱堤坝后的最大流速为0.27 m/s，矩形沉箱堤坝后的最大流速为0.37 m/s，在堤顶水深为3 cm、入射波高为8 cm的工况下，2种堤坝后的流速值相差最小，贯顶式沉箱堤坝后的流速相对于矩形沉箱堤坝后的流速降低4%，在堤顶水深为-3 cm、入射波高为14 cm的工况下，2种堤坝后的流速值相差最大，贯顶式沉箱堤坝堤后的流速相对于矩形沉箱堤坝后的流速降低52.2%。因透浪通道的存在以及在出浪口处消浪挡流的作用，贯顶式沉箱堤坝相对于矩形沉箱堤坝降低流速效果更佳，这有利于维护港池内稳定的水体环境，使港口能够提供更多的停泊位置，并扩大港口的安全系数。

3 结论

本文提出了一种新型贯顶式沉箱堤坝，并通过波浪水槽试验探究了该堤坝在不同试验参数下的消浪性能，分析了堤顶水深、入射波高和波浪周期对波能透射和反射的影响。同时通过改变波浪参数，进一步考察了该新型堤坝结构的减流性能，得到以下结论：

(1) 相较于传统矩形沉箱堤坝，具备透浪通道的新型贯顶式沉箱堤坝在非较大堤顶水深条件下展现出更强的波能耗散能力，在本次试验设定的条件下，其透射波高相较于矩形沉箱堤坝可降低5.5%~32.2%，反射波高可降低3%~37.9%，彰显出优良的消波能力与降反射性能。

(2) 堤顶水深对堤坝的波浪防护特性具有较为明显的影响，在本次试验条件下，较小的堤顶水深会进一步增强波浪能量耗散，削弱波浪的透射能。此外，随着波周期的增加，贯顶沉箱堤坝的波浪透射系数逐渐增大，这表明贯顶沉箱堤坝在周期较短的波况下具有更佳的消浪性能。

(3) 由于透浪通道的存在，贯顶式沉箱堤坝能够减小堤前反射，从而降低堤前流速；同时，在出浪口处涌出波浪的消浪挡流作用下，贯顶式沉箱堤坝相对于矩形沉箱堤坝更能有效降低堤后流速，这对维护港池内稳定的水体环境具有积极作用。