立管-水平板结构消浪特性试验研究

2020-12-11初岳峰刘必劲王立辉傅丹娟方文

海洋通报 2020年4期

初岳峰，刘必劲，王立辉，傅丹娟，方文

（1.福州大学土木工程学院，福建福州 350108；2.厦门理工学院土木工程与建筑学院，福建厦门 361024）

随着“加快建设海洋强国”战略的不断推进，我国的海洋工程建设正逐步从近岸港湾浅水水域向无掩护的深水开放水域发展，在港口和海上构筑物的建设中，防波堤是其中重要的一环。防波堤可分为重型和轻型两大类，传统的重型防波堤为坐底式结构，堤身多为钢筋混凝土或天然块石构成的不透水结构；轻型防波堤主要包括透空堤和浮堤等，它们利用波浪能集中于水体表层的特点研究设计而成。相比传统的重型防波堤，轻型防波堤可适应水深较大、地基松软、大潮差以及引入水交换改善港内水质等情况，且建造方便、成本低，可拆卸迁移（王永学等，2002；Biesheuvel，2013；沈雨生等，2016），已成为当今研究的热点。目前，透空堤和浮堤在国内外已有很多实际工程应用（Briggs et al，2002；Dykstra et al，2011）。

透空式防波堤由上部的消浪结构和下部的支撑结构组成。上部结构为箱式或挡板式，下部结构为柱式或框架式等。浮式防波堤通常由上部的浮体和下部的锚泊系统组成。根据浮体结构的不同，浮式防波堤主要分为浮箱式、浮筒式、浮筏式以及其他形式（Mccartney，1985）。将消浪结构设置于波能集中的水面处，减少波能较小的深水处的用料，是透空堤和浮堤共同的设计理念。箱式结构是这两种轻型防波堤的常见消浪结构，其构造简单，依靠箱体对波浪的反射作用减少波浪透射。但缺点是其自身承受波浪力较大，不利于结构整体的稳定性，在箱式结构的基础上改进的透空结构可以减小受力，同时增强堤身破碎波浪的能力。

近年来，国内外学者已经对透空堤和浮堤这两种轻型防波堤进行了大量研究。Koraim 等（2011）通过实验和理论研究了双层立板透空堤规则波作用下的消浪性能，比较了不同波况和结构参数下的水动力特性。Shim 等（2013）设计了一种可供鱼类栖息的透空式防波堤。Zhang 等（2014）根据已有的试验资料，提出了透空式防波堤的透射系数经验公式，与现有经验公式和解析式进行对比，并验证了其合理性。程永舟等（2016）通过模型试验，研究了透空格栅板式防波堤在规则波作用下所受波浪点压力和波浪总力的特征。Tereshchenko 等（2018）考虑沿岸泥沙流的影响，对透空堤进行了实验和数值研究。Chioukh 等（2019）提出了一种改进的无网格奇异边界法，用于分析规则波作用下透空堤的水动力性能。

浮式防波堤上部消浪结构的新设计层出不穷。在较为成熟的方箱结构的基础上加以改进，是一种可行的方案。在方箱上增加水平板结构或类似的板状消能件，是减少波浪透射简单且有效的办法（Chen et al，2012；董华洋等，2016；Liu et al，2019）。许多研究表明，开孔等透空结构对破碎波浪、摩擦消耗波能有很大帮助（侯勇等，2010；蒋昌波等，2012；胡文清等，2018），与单排方箱相比，双排的组合结构消浪效果更好（Yang et al，2018；虞军辉，2018；Ji et al，2019）。此外，还有更多其他形式的改良结构出现（王环宇，2010；李松喆等，2016；孙笠等，2019），综合研究的结果表明这些新结构消浪性能优于传统的矩形方箱。

本文提出一种立管-水平板结构，该结构可作为透空堤或浮堤的上部消浪结构。通过物理模型试验，研究此结构固定于水面时的消浪特性。

1 试验设计

1.1 试验设备和测量装置

本次物理模型试验在波浪水槽中进行，水槽有效长度35 m，宽0.7 m，最大水深0.8 m，有效水深0.6 m。水槽造波系统为吸收式推板造波机，最大可模拟波高为0.2 m，最大可模拟周期为5 s，造波机在吸收模式下造波可以降低二次反射波对试验的影响。在水槽首尾两端均设置有多孔介质消能装置，水槽末端在此基础上还增设了钢板制成的消能坡，进一步减少了水槽末端的反射。

1.2 模型制作

根据实际工程背景和试验条件，模型按照几何比尺1颐15 设计制作。模型的下部是两块水平布置的矩形复合材料板，在两层平板的边缘处打孔并插入PVC-U 材质圆管，顶部辅以条状板材固定。

共制作了3 种尺寸的模型，3 种模型的立管高度均为250 mm，其中粗管的外径32 mm，管壁厚2 mm，细管外径16 mm，管壁厚1.5 mm，相邻两管之间的空隙宽度均为9 mm。矩形板长度均为690 mm，板厚均为15 mm。3 种模型的区别在于矩形板宽度，即结构宽度不同，分别为300 mm、440 mm、600 mm。

图1 立管-水平板结构模型（单位：mm）

1.3 模型布置

模型布置处距离水槽前端10.5 m，并由连接在水槽侧壁上方的钢架刚性固定，使模型在波浪作用时与水槽边壁保持相对静止。在模型前后各布置一根电阻式浪高仪，固定位置均为距离模型4.5 m处，浪高仪的采样间隔为0.05 s，每次试验的采样时间为50 s。试验工况确定后，在未放置模型的空水槽中造波，通过1 号和2 号浪高仪的读数率定全部所需的波浪要素。

2 号浪高仪用于测量透射波高，距离水槽末端20 m。为保证试验数据准确性，50 s 的采样时间内，取前段稳定数据用于计算，经试验前的测试，此时2 号浪高仪读数受水槽末端反射波影响较小，能够较为准确地测得透射波高。每次试验前均等待水面平静，再进行造波。

图2 模型布置

1.4 试验工况

本次试验均采用规则波，试验水深均为0.5 m，共进行了不同宽度模型、不同波浪要素、不同吃水深度，以及不同布置形式的试验。具体试验工况如下。

表1 模型尺寸

表2 试验组次

本文首先对3 个不同尺寸的模型分别进行了吃水深度为0.14 m 时，6 种周期和5 种波高组合工况的试验，后续进行了特定工况下的吃水深度以及布置形式变化的试验。

1.5 试验数据处理

本次试验以透射系数Kt作为衡量结构消浪性能的唯一指标，Kt的值越小，表示消浪性能越好。

式中：Hi为入射波高，即水槽中未放置模型时测得的波高；Ht为透射波高，即对应的试验中2 号浪高仪读数稳定段的波高。每种工况均进行3 次试验，计算出对应的透射系数，最终结果为3 次试验透射系数的平均数。

2 试验结果分析

2.1 不同宽度模型的透射系数

首先根据有限水深波长计算公式

确定水深d = 0.5 m 时，不同周期对应的波长L，式中g 为重力加速度（m/s2）。

表3 试验波长

图3 给出了刚性固定的3 种宽度的模型，吃水深度为0.14 m，水深为0.5 m 时，在不同波高H 条件下透射系数Kt随波长L 变化的情况。由图3 可知，在同一波浪要素下，3 种宽度模型的透射系数Kt的大小排序为：模型1 跃模型2 跃模型3，即透射系数随着结构宽度的增大而减小，结构宽度越大，消浪性能越好。在同一波高下，3 种宽度模型的透射系数Kt随着波长的增大而增大，波长较大的波具有更大的能量，因而更难被消除。

图3 不同宽度模型的透射系数Kt 随波长L 的变化情况

2.2 模型单、双排布置对透射系数的影响

将两个宽度为0.30 m 的模型1 前后布置，刚性固定。两模型之间的距离l=0.1 m，两模型吃水深度相同，均为0.14 m。若认为此时的结构总宽度为两个模型的宽度之和，即0.6 m，则此时其与单个的宽度为0.60 m 的模型3 具有相同的结构总宽度，将二者吃水深度同为0.14 m 时不同波浪要素下的透射系数进行对比。

图4 对比了总宽度相同的模型双排布置和单排布置时的透射系数变化情况，可以看出，相同波况下的透射系数，双排布置的模型1 总是小于单排布置的模型3，平均减小了约10%，波高较小时二者相差更大。虽然二者的结构总宽度相同，但双排布置的模型1 相较单排布置的模型3 增加了两层迎浪面处的消浪结构，对波浪的干扰作用更强，因此透射系数较小。