新型堤前消波池与其他工程措施在减少波浪溢顶性能方面的对比研究

《Applied Materials Today》：Comparative study on wave overtopping reduction performance on a novel dike-front wave dissipation basin and other engineering measures

本文提出了一种海堤前波能消减基（WDB），通过水槽实验比较了不同结构（包括简单斜坡堤、波消减坝、分离式消浪墙和静波消能槽）的越浪量减少效果。结果表明，WDB在正自由板条件下显著降低越浪流量，短WDB效果更优，并建立了基于无量纲参数的经验公式。

　　本研究探讨了一种新的海岸防护工程措施——堤前波耗散池（Wave Dissipation Basin, WDB），旨在有效减少海堤因波浪溢流导致的过流。随着全球气候变化的加剧，海平面上升以及极端天气事件的频率和强度增加，沿海地区的风暴潮、洪水和海岸侵蚀等问题日益严重，对沿海社区的安全和生计构成重大威胁。面对这一挑战，提升海堤的抗灾能力和气候适应性成为重要的研究方向。波浪溢流是海堤失效的主要原因之一，因此，如何有效减少波浪过流成为海岸工程领域的重要课题。本文通过一系列实验室水槽试验，评估了堤前波耗散池在减少波浪过流方面的性能，并将其与其他工程措施进行对比分析，以期为未来海堤的优化设计提供科学依据。

在研究中，我们首先介绍了波浪过流的基本概念及其对海堤结构安全的影响。随后，我们讨论了现有的工程措施，包括波浪耗散平台（wave dissipation berm）、独立防波堤（detached breakwater, BW）和静止波池（stilling wave basin, SWB）。这些措施各有特点，例如波浪耗散平台能够有效减少波浪冲击，而独立防波堤则通过波浪能量的耗散来降低海堤受到的直接冲击。然而，这些传统措施在某些情况下可能并不适用，特别是在空间有限的区域。因此，本文提出了一种新的工程方案，即堤前波耗散池，其设计灵感来源于波浪耗散平台，但通过引入特定结构进一步优化了波浪能量的耗散效果。

为了验证堤前波耗散池的性能，研究团队设计了一系列水槽实验，覆盖了多种波浪条件、水位变化以及海堤横截面配置。实验中，我们重点考察了波浪过流减少系数的变化趋势，以及不同波耗散池长度对性能的影响。通过比较实验数据，我们发现堤前波耗散池在不同水位条件下均表现出良好的波浪过流减少效果，特别是在高相对波浪过流条件（即波浪高度相对海堤高度较大）下，其效果尤为显著。研究还揭示了波浪过流减少系数与波浪高度和海堤结构参数之间的关系，并提出了一种基于无量纲参数的估算公式，为实际工程设计提供了理论支持。

此外，本文还对不同工程措施的综合性能进行了比较分析，包括其在气候适应性、波浪过流减少、空间利用率、结构兼容性以及附加功能等方面的表现。研究结果表明，堤前波耗散池在多个方面优于传统措施，尤其是在波浪过流减少和空间利用率方面表现突出。例如，与传统的波浪耗散平台相比，堤前波耗散池在相同空间占用的情况下，能够更有效地减少波浪过流，从而提高海堤的防护能力。同时，研究还指出，波浪耗散池具有较强的结构兼容性，可以与其他工程措施（如波浪耗散平台和静止波池）结合使用，形成更加综合的海堤防护系统。

在实际应用中，海堤通常采用透水护面（permeable revetment）进行加固，这可能会影响波耗散池的波浪过流减少效果。因此，本文还讨论了透水护面对波耗散池性能的潜在影响，并指出在考虑透水护面的情况下，波耗散池的效果可能会受到一定限制。尽管如此，研究仍认为波耗散池是一种有效的工程措施，尤其在应对极端气候事件时表现出良好的适应性。

本文的实验设计采用了Froude准则进行缩放，确保实验结果能够反映实际海堤的波浪过流情况。实验中使用了多个测量设备，包括超声波波浪仪（UWG）和总力传感器（TFS），以准确记录波浪过流数据。实验结果显示，不同长度的波耗散池在波浪过流减少效果上存在差异，其中较短的波耗散池在正水位条件下表现更优，而较长的波耗散池则在负水位条件下效果更显著。这一发现为波耗散池的设计提供了重要的参考依据。

研究还分析了波浪过流减少系数与无量纲参数之间的关系，提出了一个基于这些参数的估算公式，用于指导波耗散池的初步设计。该公式能够帮助工程师在实际应用中快速评估波耗散池的性能，并根据不同的水位和波浪条件进行调整。然而，研究也指出，这一公式仅适用于特定的波耗散池高度比，因此在应用时需要结合实际情况进行适当调整。

通过综合分析实验数据和文献资料，本文还探讨了波耗散池在不同应用场景下的适用性。例如，在空间受限的区域，波耗散池相较于传统波浪耗散平台具有更大的优势，因为它能够充分利用海堤前方的空间进行波浪能量的耗散。同时，波耗散池还可以与其他工程措施相结合，形成更加完善的海堤防护体系。此外，波耗散池还具有一定的附加功能，如作为道路或步行道的一部分，这为海堤的多功能设计提供了新的思路。

尽管本研究取得了一定成果，但仍然存在一些局限性。例如，实验主要集中在波浪高度和水位变化的影响上，对波浪周期和波耗散池长度等参数的影响研究较为有限。因此，未来的研究需要进一步探讨这些因素对波耗散池性能的具体影响，以完善其理论模型和应用范围。同时，研究还建议在实际工程中考虑海堤护面特性对波耗散池性能的可能影响，并探索不同护面材料与波耗散池之间的相互作用。

总之，本文提出了一种新型的堤前波耗散池，并通过系统的实验和分析，验证了其在减少波浪过流方面的有效性。研究结果表明，波耗散池在多种水位条件下均表现出良好的波浪过流减少效果，尤其是在应对极端气候事件时具有较高的适应性。未来，随着气候变化的持续影响，波耗散池作为一种创新的工程措施，有望在沿海防护工程中发挥更加重要的作用。