圓弧型防波堤開孔護面波浪荷載理論分析與實驗研究

摘 要：為研究圓弧型防波堤開孔護面所受的波浪荷載，本文基于實際工程青島中港西北防波堤采用一定幾何比例尺建立物理模型，在不同開孔率和水深工況下，采集模型護面波壓力數據，并將試驗數據與現有波浪荷載計算理論結果對比分析，分析結果表明：試驗數據與理論分析數據基本吻合，可以為同類試驗提供一定的借鑒，對圓弧型防波堤的研究具有促進作用。

關鍵詞：防波堤；圓弧型；波浪荷載

引言

近年來，圓弧型開孔護面防波堤作為一種新型的防波堤，具有消能效果好，外形優美的優點[1-2]，但正是由于開孔也導致了防波堤的護面塊體結構容易被波浪破壞[3]。因此正確了解這種防波堤的波浪荷載分布規律，有利于了解防波堤面板的受力情況，使這種防波堤得到更廣泛的應用，本文通過物理模型試驗采集波浪荷載數據，結合現有波浪荷載理論進行對比分析。

1 波浪荷載理論

圓弧型防波堤在使用期所受的主要荷載是波浪力與靜水壓力[4-5]，在堤頂出水情況下，圓弧面防波堤波浪力正向水平波壓力可以半圓型防波堤正向水平波壓力乘以修正系數1.1來計算[2]。半圓型防波堤的的波浪力計算根據韓理安教授編寫《港口水工建筑物》建議是將計算直立堤波浪力的合田良實公式進行修正的經驗公式來計算其波浪力。

對于半圓型防波堤，上列公式進行相位修正：

2 物理模型試驗

本文通過建立物理模型試驗獲得波壓力數據，試驗參數借鑒的實際工程為青島中港西北防波堤，考慮到風浪水槽等因素，將幾何比例尺寸定位1：20。設計波浪要素及水深如下：水深為480mm，設計波高120mm，設計波周期為1.2s。

模型試驗在自由振蕩波槽中進行，實驗槽長40m，寬0.8m，高1.8m，一端裝有造波機，一端有消能坡，實際有效長度為37m。

由于開孔率對波浪總力及波浪壓力分布影響與相對水深有關 ，故本試驗選取一種水深，三種開孔率進行研究。水深480mm，開孔率分別為23.36%，19.14%，15.86%，開孔的中心位置不變。在模型弧面的外壁垂直均勻布置5個壓力感應器，在內壁上布置2個壓力感應器，安裝高程分別是100、150、200、300、400、450、500mm（水槽底部高程為0），同步采集7點波壓力變化過程，壓力感應器的編號由下至上依次是1、2、3、4、5、6、7。

試驗數據與理論數據對比分析

測量點壓強的CYG-505壓力感應器出廠前已進行了率定，考慮實際工程中大填料應用較多，因此在實驗中使用大填料，試驗采集的數據見圖。壓力傳感器7的數值比壓力傳感器6要高，這是因為部分波浪經孔洞傳至模型內，能量沒有得到全部消除，余能作用在壓力感應器上所致。因此在壓力傳感器7的位置可以進行額外加固。

通過上述的波浪荷載理論結合本物理模型比例尺，計算得出該防波堤面板所受波浪荷載數值，見圖4中理論數據。對比分析表明，物理模型試驗數據與計算理論數據基本吻合，說明本文物理試驗是正確的，結構能夠反映圓弧型防波堤波浪荷載分布的基本規律。

3 結論

本文通過參照實際工程建立圓弧型防波堤物理模型，進行波浪試驗，獲得波壓力的試驗數據，與現有波浪荷載理論計算結果對比分析，可以得出以下結論：

3.1 通過物理模型試驗，與圓弧型防波堤波浪荷載計算理論對比，得到理想的結果，反映了本文試驗與國內其他學者相關理論的一致性。

3.2 不同開孔率的圓弧型防波堤開孔護面上波浪荷載基本一致，但在堤內有殘留波浪余能的地方，波浪荷載較大，如額外加固處理將有利于防波堤結構的穩定。

參考文獻

[1]吳進，謝善文.弧面格型結構防波堤[J].港工技術，2006（3）：26-28.

[2]謝世楞，李炎保，吳永強等.圓弧面防波堤波浪力初步研究[J].海洋工程，2006，24（1）：14-18.

[3]李炎保，蔣學煉，劉任.防波堤損壞特點與其成因的關系[J].海洋工程，2006，24（2）：130-138.

[4]俞聿修，張寧川，饒永紅.半圓型防波堤的水力特性研究[J].海洋工程，1999，17（4）：39-48.

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[6]韓理安，港口水工建筑物[M]北京：人民交通出版社，2008：257-258.

[7]張寧川，俞聿修.大開孔的半圓堤在波浪作用下的受力[A].第四屆全國海事技術研討會文集[C].上海：[中國海洋環境科學學會]，1998：36-41.