波浪作用下的新型消浪板結(jié)構(gòu)

陳大明，雷振國(guó)，孫洋波，翁友法

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200032；2.上海建惠建設(shè)咨詢有限公司，上海 200002）

作為防波堤、護(hù)岸工程的一個(gè)重要組成部分，護(hù)面塊體的設(shè)計(jì)、選擇等是防波堤、護(hù)岸工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，護(hù)面塊體的水力性能將直接關(guān)系到防波堤、護(hù)岸等結(jié)構(gòu)物的安全、堤身斷面大小、堤頂高低等。因此，研究穩(wěn)定性好、反射小、爬高低、經(jīng)濟(jì)且易施工的護(hù)面塊體是一個(gè)重要的技術(shù)課題[1-2]。目前，用于斜坡式防波堤的護(hù)面消浪塊體已有100余種[3]。然而，前人研究的多種護(hù)面塊體的形式已逐漸不能適應(yīng)某些復(fù)雜的地質(zhì)及氣候環(huán)境[4]。而新型消浪板結(jié)構(gòu)正是在這種情況下進(jìn)行的研究，提出新的結(jié)構(gòu)體系來(lái)解決斜坡式防波堤表面的消能和受力問(wèn)題，該結(jié)構(gòu)主要包括上層開(kāi)孔板和下層實(shí)心板兩部分，通過(guò)波浪與開(kāi)孔以及雙層板之間的相互作用來(lái)消能，根據(jù)之前的分析研究，該消浪板結(jié)構(gòu)具有較好的消能效果[5]，因此本文主要研究在波浪作用下結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性。

1 試驗(yàn)方法

本次模型試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程試驗(yàn)室的波浪水槽中進(jìn)行。點(diǎn)壓強(qiáng)和波高的量測(cè)均采用水利部北京水利水電研究院的DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其配套的傳感器、浪高儀。其中點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器的量程為10 kPa。試驗(yàn)遵循《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[6]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

進(jìn)行波浪模擬試驗(yàn)時(shí)，在模型斷面的中心軸線處放置浪高儀，調(diào)整水槽中的水位至所設(shè)定的值后進(jìn)行造波試驗(yàn)，測(cè)定原始波高。由計(jì)算機(jī)完成選定分析和采樣工作。規(guī)則波試驗(yàn)的實(shí)測(cè)波高、周期和目標(biāo)平均波高、周期的偏差控制在士5%以內(nèi)。

根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]，在試驗(yàn)中規(guī)則波采樣每秒30次，采集20 s。

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

在每組模型試驗(yàn)中，需要進(jìn)行以下三方面的實(shí)測(cè)：入射波高與反射波高、波浪爬高與回落深度以及堤身點(diǎn)壓強(qiáng)。其中入射波高與反射波高是在造波機(jī)和堤前設(shè)定的距離各擺放一臺(tái)浪高儀。波浪爬高與回落深度的測(cè)量是在開(kāi)孔板兩端設(shè)置標(biāo)尺，試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行錄像，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)分析出讀數(shù)。堤身的點(diǎn)壓強(qiáng)是在堤身的設(shè)定部位開(kāi)孔，將點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器置于其中測(cè)得。

測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)的模型共安裝8個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器（每種試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷狞c(diǎn)壓強(qiáng)的測(cè)試個(gè)數(shù)、位置相同）。傳感器的位置如圖1～4所示。在上層板上，安放4個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器（1～4號(hào)）；在底層板上安放了4個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器（5～8號(hào)），這4個(gè)傳感器的位置正好與上層板的開(kāi)孔位置對(duì)應(yīng)，以便測(cè)得底板受到的波浪力。

圖1 開(kāi)孔直徑為5 cm的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖2 開(kāi)孔直徑為10 cm的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖3 開(kāi)孔為橢圓孔的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖4 底板傳感器布置圖（單位：cm）

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图安贾?/h2>

模型試驗(yàn)幾何比尺λl取為1∶10，模型采用有機(jī)玻璃制成，寬度為80 cm（略小于水槽寬度），縱向長(zhǎng)90 cm，板厚度為3 cm，兩層板間距取10 cm，坡度為1∶1.5，試驗(yàn)水深為33 cm，開(kāi)孔板開(kāi)孔分別取5 cm和10 cm的圓孔以及橢圓孔。橢圓開(kāi)孔形式結(jié)構(gòu)模型立體圖如圖5所示。

圖5 模型立體圖

為了盡量減小波浪反射對(duì)試驗(yàn)的影響，除堤后設(shè)有消波裝置（消能網(wǎng)）外，試驗(yàn)時(shí)將模型放置在水槽中后部，距離造波板足夠遠(yuǎn)的地方，保證模型處不會(huì)受二次反射波浪的影響。距離造波機(jī)10 m處放置1號(hào)浪高儀，距離堤前2 m處放置2號(hào)浪高儀，模型在水槽中的布置如圖6。

圖6 試驗(yàn)水槽及模型布置圖

3 點(diǎn)壓強(qiáng)

各個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)的具體位置（如圖1～4所示）。本次對(duì)點(diǎn)壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)論是不同開(kāi)孔形式還是不同波要素情況下，其測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置不變。本文以規(guī)則波為例，對(duì)消浪板結(jié)構(gòu)的點(diǎn)壓強(qiáng)進(jìn)行分析比較。

消浪板結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下的點(diǎn)壓強(qiáng)值如表1，圖7列出了部分測(cè)點(diǎn)上的點(diǎn)壓強(qiáng)過(guò)程線。從以上圖表中可以看出，規(guī)則波作用時(shí)各種條件下結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)壓強(qiáng)有以下的特點(diǎn)。

表1 規(guī)則波作用下各種結(jié)構(gòu)形式點(diǎn)壓強(qiáng)的比較 kPa

續(xù)表1 kPa

續(xù)表1 kPa

1）無(wú)論哪種開(kāi)孔形式，上層板各測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測(cè)點(diǎn)（為3號(hào)測(cè)點(diǎn)）。向下隨著入水深度的增加，點(diǎn)壓強(qiáng)有規(guī)律地減小；靜水面以上的點(diǎn)壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。

2）壓強(qiáng)具有尖陡的峰值和短暫的作用時(shí)間，體現(xiàn)了近破波的性質(zhì)。除個(gè)別情況，壓強(qiáng)時(shí)間過(guò)程線相對(duì)平穩(wěn)，不同時(shí)刻采集的壓強(qiáng)最大值相差不是很大，有些情況下甚至很接近。

圖7 消浪板結(jié)構(gòu)上部分測(cè)點(diǎn)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)間過(guò)程線（橢圓形開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，波高H=0.15 m，周期T=1.00 s）

3）上層板上的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，在一些小波（波高較小的波浪）作用下未能作用到該測(cè)點(diǎn)，并且還有少量大波（波高較大的波浪）在周期較大時(shí)也未能作用到該測(cè)點(diǎn)。而對(duì)于相同波高和周期情況下，相對(duì)開(kāi)孔較小時(shí)，上層板上的1號(hào)測(cè)點(diǎn)有點(diǎn)壓強(qiáng)存在，這說(shuō)明相對(duì)開(kāi)孔較小時(shí)波浪爬高較大，能作用到該測(cè)點(diǎn)，從而可得出相對(duì)開(kāi)孔較小時(shí)結(jié)構(gòu)的消能效果相對(duì)較差。

4）在相同波高和周期情況下，相對(duì)開(kāi)孔較小時(shí)板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值要比相對(duì)開(kāi)孔較大時(shí)板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值大，尤其是1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，不同開(kāi)孔狀態(tài)下，點(diǎn)壓強(qiáng)相差較大。測(cè)試結(jié)果證明，橢圓形開(kāi)孔的消浪板結(jié)構(gòu)不僅具有較好的消能效果，而且其上層板表面受到的波壓力也較小。

5）對(duì)于底板，與上層板開(kāi)孔相對(duì)應(yīng)的位置上布置了5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)測(cè)點(diǎn)，從上層板開(kāi)孔射入箱室的水體直接作用于與開(kāi)孔相對(duì)應(yīng)的底板測(cè)點(diǎn)上，加上進(jìn)入箱室的波能擴(kuò)散受阻，從而導(dǎo)致底板測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)較大。從表1中可以看出，底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值一般都比與之相對(duì)應(yīng)的上層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值大。

此外，對(duì)于相同波高和周期情況下，不同開(kāi)孔形式的消浪板結(jié)構(gòu)的底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值相差較大，以橢圓形開(kāi)孔結(jié)構(gòu)底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值最大（7號(hào)和8號(hào)測(cè)點(diǎn)），而且其點(diǎn)壓強(qiáng)作用范圍也最大，這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對(duì)較大。

根據(jù)研究，相對(duì)開(kāi)孔是影響消浪板結(jié)構(gòu)消能效果的最主要因素，消能系數(shù)隨相對(duì)開(kāi)孔的增大而明顯增大，即相對(duì)開(kāi)孔越大，結(jié)構(gòu)的消能效果越好[7]；然而，從波浪作用下結(jié)構(gòu)承載能力角度看，應(yīng)該盡量減小底層板上受到的波壓力，這就限制了對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)孔的設(shè)計(jì)，并非相對(duì)開(kāi)孔尺寸越大越好，因此綜合考慮消能和受力兩方面因素，確定采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式，既有好的消能效果，也能夠滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。

4 壓強(qiáng)包絡(luò)圖

將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)峰值取平均值后，繪制出不同波要素情況下的壓強(qiáng)包絡(luò)圖。部分壓強(qiáng)包絡(luò)圖如圖8所示。表2列出了不同波要素以及不同開(kāi)孔條件下，1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)壓強(qiáng)值。從包絡(luò)圖可以看出，無(wú)論何種波要素情況下，點(diǎn)壓強(qiáng)的最大值都出現(xiàn)在靜水面附近，隨著水深的增加，其壓強(qiáng)值隨之減小，靜水面以上的點(diǎn)壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。但是就靜水面附近的點(diǎn)壓強(qiáng)值而言，不同開(kāi)孔形式的結(jié)構(gòu)，在波要素一致的情況下，其點(diǎn)壓強(qiáng)值相差不大，比較接近。隨著波高的增大，靜水面附近的點(diǎn)壓強(qiáng)值明顯變大。

圖8 橢圓開(kāi)孔結(jié)構(gòu)上層板點(diǎn)壓強(qiáng)包絡(luò)圖（單位：kPa）

表2 規(guī)則波作用下橢圓開(kāi)孔結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)壓強(qiáng)值kPa

5 總力

本文所討論的總力是指在不同波要素下，消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的總力大小，由點(diǎn)壓強(qiáng)積分所得（根據(jù)壓強(qiáng)包絡(luò)圖），其最大值和平均值如表3所示。雖然通過(guò)這種方式得到的總力和結(jié)構(gòu)所受的實(shí)際總力存在一定的誤差，但是用來(lái)表示不同開(kāi)孔形式的結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受總力的不同，具有相對(duì)的合理性。

綜合考慮消能和受力兩方面原因，最終確定開(kāi)孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式[5]。因此，表3中列出的是橢圓形開(kāi)孔結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受的總力。

表3 規(guī)則波作用下結(jié)構(gòu)受到的總力

由表3可知，結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小隨著波高的增加而增大，同時(shí)，在波高相同時(shí)，總力值的大小還受波長(zhǎng)、相對(duì)板寬和波陡等因素的影響。在相同波要素情況下，除個(gè)別情況（總壓力值的最大值和平均值相差達(dá)35.85%），總壓力值的最大值和平均值相差不是很大，最大可達(dá)到18.31%，而最小僅有4.88%。最大值和平均值相差不大，這說(shuō)明在波浪沖擊消浪板結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然由于波浪的破碎而造成沖擊，但不會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)壓力，這樣對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載力的計(jì)算提供了很多方便。

需要說(shuō)明的是這里分析的總力，是指開(kāi)孔消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的波壓力，而不包括波浪通過(guò)開(kāi)孔進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部后到達(dá)底層板，同時(shí)引起的能量集中，產(chǎn)生較大的瞬時(shí)壓強(qiáng)。這是因?yàn)樗芯康脑诓ɡ藳_擊作用下，結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足要求，主要是針對(duì)上層板而言。雙層開(kāi)孔消浪板結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體，上層板受到的波壓力的總和遠(yuǎn)大于底層板，因此需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的上層板在最大波壓力作用下承載力是否滿足，而對(duì)于穩(wěn)定性的計(jì)算，則需要整體結(jié)構(gòu)都能夠滿足穩(wěn)定性的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)對(duì)消浪板結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下的點(diǎn)壓強(qiáng)和總力的大小以及分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并且將不同開(kāi)孔形式下結(jié)構(gòu)的點(diǎn)壓強(qiáng)和總力進(jìn)行比較，得出以下規(guī)律：

1）在點(diǎn)壓強(qiáng)方面，由于波浪的波要素和結(jié)構(gòu)形式的不同，導(dǎo)致了各個(gè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)壓強(qiáng)值和分布規(guī)律有所不同。但是無(wú)論哪種開(kāi)孔形式以及波要素下，上層板各測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測(cè)點(diǎn)（為3號(hào)測(cè)點(diǎn)）。向下隨著入水深度的增加，點(diǎn)壓強(qiáng)也有規(guī)律地減小；靜水面以上的點(diǎn)壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。

2）由于波浪通過(guò)上層板的開(kāi)孔進(jìn)入到消浪板結(jié)構(gòu)的箱室內(nèi)之后，在與上層板開(kāi)孔位置相對(duì)應(yīng)的底板上產(chǎn)生了較大的壓強(qiáng)峰值。對(duì)于相同波高和周期情況下，以橢圓形開(kāi)孔結(jié)構(gòu)底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值最大，而且其點(diǎn)壓強(qiáng)作用范圍也最大，這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對(duì)很大。這樣，在考慮增大結(jié)構(gòu)開(kāi)孔率以便提高結(jié)構(gòu)消能效果的同時(shí)也要考慮底層板的受力，在保證具有好的消能效果的同時(shí)，也要兼顧結(jié)構(gòu)的受力要求。本文綜合考慮消能和受力兩方面因素，認(rèn)為開(kāi)孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式較好。

3）通過(guò)對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)壓強(qiáng)進(jìn)行同步積分得到結(jié)構(gòu)上層板受到的總力。經(jīng)過(guò)分析研究，結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小受到波高、波周期、波陡、相對(duì)板寬、開(kāi)孔率、上層板與底板間距離等要素的影響。作為一種新型消浪結(jié)構(gòu)，用于工程實(shí)踐應(yīng)需進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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