圓弧形護(hù)面斜坡堤消浪特性分析

虞鑫，黃珊

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

圓弧形護(hù)面斜坡堤消浪特性分析

虞鑫，黃珊

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

基于物理模型試驗(yàn)提出了一種新型的防波堤結(jié)構(gòu)形式，從相對(duì)超高、波陡、相對(duì)波高和開(kāi)孔率這4個(gè)影響因素對(duì)該新型防波堤的消浪性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，新型防波堤對(duì)于深水及大波陡的情況具有更好的消浪效果；當(dāng)試驗(yàn)工況開(kāi)孔率達(dá)到16.75%時(shí)，防波堤的消浪效果較其他幾種開(kāi)孔情況要好。

斜坡堤；物理模型試驗(yàn)；反射系數(shù)；透射系數(shù)

0 引言

斜坡式防波堤是海港工程中常用的防波堤結(jié)構(gòu)形式，傳統(tǒng)的斜坡式防波堤主要適用于水深相對(duì)較淺，波浪及設(shè)計(jì)波高相對(duì)較小的情況[1]。盡管斜坡式防波堤在港口建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但其研究成果仍主要是經(jīng)驗(yàn)性的，而且傳統(tǒng)斜坡式防波堤的失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。

斜坡式防波堤的穩(wěn)定性主要取決于波浪作用下護(hù)面塊體的穩(wěn)定性。護(hù)面塊體是抵御波浪，保護(hù)斜坡堤堤心石不被沖刷滾落的主要構(gòu)件[2]。自20世紀(jì)50年代初以來(lái)，世界上已研制出百余種護(hù)面塊體，但被廣泛應(yīng)用的僅是扭王字塊體、扭工字塊體、四角錐體、四腳空心方塊等幾種[3]。隨著港口大型化、深水化的發(fā)展，傳統(tǒng)的防波堤已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代港口工程的需求，各種新型結(jié)構(gòu)的防波堤如雨后春筍般開(kāi)始大量涌現(xiàn)[4]。

本文研究的圓弧形護(hù)面防波堤，借鑒了半圓形防波堤的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，尋求一種消浪效果良好的環(huán)境友好型防波堤結(jié)構(gòu)形式。為此，基于波浪水槽的物理模型試驗(yàn)，對(duì)該護(hù)面形式防波堤的消浪特性進(jìn)行了綜合試驗(yàn)分析。

1 物理模型試驗(yàn)設(shè)備及儀器

本次物理模型試驗(yàn)所用的波浪水槽位于長(zhǎng)沙理工大學(xué)云塘校區(qū)水利試驗(yàn)中心，水槽兩側(cè)為透明玻璃，總長(zhǎng)45 m、寬0.8 m、高1.0 m。造波機(jī)后側(cè)設(shè)有直立式消能網(wǎng)，水槽尾部設(shè)有消能坡，以消除波浪反射影響。

波浪水槽造波系統(tǒng)可產(chǎn)生單向規(guī)則波、不規(guī)則波、孤立波。波浪數(shù)據(jù)采集采用電容式浪高儀，型號(hào)為WG-50，精度0.4%，探測(cè)高度10～20 cm，線性度0.2%，反饋時(shí)間2 ms。

2 模型試驗(yàn)布置

模型布置于水槽中間位置，試驗(yàn)共安置7個(gè)浪高儀，其中1號(hào)浪高儀布置在水槽端部10 m左右位置，通過(guò)1號(hào)浪高儀反饋的波浪數(shù)據(jù)檢測(cè)目標(biāo)波浪要素的準(zhǔn)確性。2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)浪高儀負(fù)責(zé)采集防波堤前入射、反射波浪的合成波高，通過(guò)后續(xù)計(jì)算得出入射波高和反射波高；5號(hào)浪高儀布置在堤前，用于采集防波堤前波浪的雍高；6號(hào)、7號(hào)浪高儀布置在模型后端用于測(cè)量堤后透射波高。模型試驗(yàn)浪高儀布置見(jiàn)圖1，模型橫斷面見(jiàn)圖2。

圖1 模型試驗(yàn)布置（單位：m）Fig.1 The sketch map of experiment plan（m）

圖2 模型橫斷面（單位：mm）Fig.2 Cross-sectional of the model（mm）

3 試驗(yàn)參數(shù)及方法

按照重力相似原則選取模型比尺為1∶15[5]，在三組不同水深情況下，通過(guò)輸入不同波浪參數(shù)進(jìn)行規(guī)則波造波，以及改變模型護(hù)面的開(kāi)孔率φ，得到不同影響因素對(duì)防波堤消浪效果的影響。

試驗(yàn)要素為：

水深D=0.35m、0.40m、0.45m；

周期T=1.0 s、1.2 s、1.4 s、1.6 s、1.8 s；

波高 H=0.10 m、0.12 m、0.14 m、0.16 m、0.18m、0.20m；

開(kāi)孔率φ=8.37%、12.56%、16.75%、20.09%。

按各試驗(yàn)要素組合后每組工況采集2遍，共采集數(shù)據(jù)720組。

4 試驗(yàn)分析

4.1 波浪的反射與透射

波浪在傳播過(guò)程中遇到陡峭的岸線或建筑物時(shí)，其全部或部分波能被反射而形成反射波，這種現(xiàn)象稱為波浪的反射[6]。反射波具有與入射波相同的波長(zhǎng)和周期，但其波高的大小則隨反射波能的大小而定。反射波高與入射波高之比稱為波浪的反射系數(shù)，可表示為：

Kr=Hr/Hi（1）

式中：Kr為反射系數(shù)；Hr為反射波高；Hi為入射波高。

波浪在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，除可能在障礙物前發(fā)生波浪反射外，還有可能透過(guò)障礙物繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象稱為波浪透射。透射波高與入射波高的比值稱為波浪透射系數(shù)，可表示為：

Kt=Ht/Hi（2）

式中：Kt為透射系數(shù)，Ht為透射波高，Hi為入射波高。

波浪在防波堤中的反射系數(shù)Kr和透射系數(shù)Kt是衡量防波堤消浪能力的重要指標(biāo)。本文通過(guò)Goda兩點(diǎn)法[7-8]分離出反射波高和入射波高，從而求出反射系數(shù)和透射系數(shù)。

4.2 反射、透射系數(shù)與影響因素分析

4.2.1 相對(duì)超高對(duì)反射和透射系數(shù)的影響

相對(duì)超高表示如下：

式中：Hc為超高值；H為試驗(yàn)波高；D為試驗(yàn)水深；D0為堤頂高程。相對(duì)超高是影響防波堤波浪爬高和越浪的重要指標(biāo)，是分析反射系數(shù)的重要因素。

圖3為3組試驗(yàn)水深下，波浪周期為T(mén)= 0.14 s時(shí)不同波高情況下的相對(duì)波高與反射和透射系數(shù)的相互關(guān)系。

圖3 相對(duì)超高對(duì)反射、透射系數(shù)的影響Fig.3 The influence of relative high on the reflection and transmission coefficient

從圖中可以看到：3組水深條件下，相對(duì)超高對(duì)反射系數(shù)和透射系數(shù)的影響規(guī)律基本相同，反射系數(shù)隨相對(duì)超高值的增大呈V形走勢(shì)，即存在一個(gè)相對(duì)超高值使防波堤的反射系數(shù)最小。也即為在防波堤堤頂標(biāo)高確定的情況下，在某設(shè)計(jì)水深條件下存在一固定的波高值使得防波堤的反射系數(shù)最小。

透射系數(shù)隨相對(duì)波高值的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)但變化幅度不大，透射系數(shù)一直保持在一個(gè)較小區(qū)間。表明相對(duì)超高對(duì)透射系數(shù)的影響不大，即波浪對(duì)堤后水域的擾動(dòng)很小，堤后波面較平穩(wěn)，防波堤效果較好。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)D=0.35 m時(shí)，在相對(duì)超高值約為0.93的時(shí)候反射系數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)Kr=0.24；D=0.40 m時(shí)，在相對(duì)超高值約為0.62的時(shí)候反射系數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)Kr=0.22；D=0.45 m時(shí)，在相對(duì)超高值約為0.27的時(shí)候反射系數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)Kr=0.15。由3種試驗(yàn)水深條件下的試驗(yàn)測(cè)值可知，隨著水深的增大，反射系數(shù)逐漸減小。綜上所述，在3組試驗(yàn)水深條件下，此新型防波堤在水深D=0.45 m時(shí)的消浪效果較好。

4.2.2 波陡對(duì)反射和透射系數(shù)的影響

圖4給出了3組試驗(yàn)水深條件下，入射波高H=0.16 m時(shí)，波陡H/L與防波堤反射、透射系數(shù)的相互關(guān)系[9]。

圖4 波陡對(duì)反射、透射系數(shù)的影響Fig.4 The influence of wave steepness on the reflection and transmission coefficient

從圖4（a）中可以看到，在3組不同試驗(yàn)水深條件下，隨著水深的增加反射系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。這與上述相對(duì)超高值與反射系數(shù)之間的相互關(guān)系所得到的結(jié)論一致。當(dāng)水深D=0.45 m時(shí)，此時(shí)防波堤整體的反射系數(shù)都要遠(yuǎn)小于其他2種水深條件。而隨著波陡的增加，反射系數(shù)則表現(xiàn)出先增大，后減小，再緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)波陡處于0.055～0.06時(shí)，3種不同水深的反射系數(shù)都達(dá)到最大。隨著波陡的繼續(xù)增大，反射系數(shù)則開(kāi)始迅速減小，而且水深越小，這種下降的趨勢(shì)越明顯。當(dāng)波陡處于0.08～0.09時(shí)，此時(shí)反射系數(shù)都達(dá)到最小。之后，隨著波陡的增大，反射系數(shù)開(kāi)始相應(yīng)的增大，但是增長(zhǎng)幅度都較小。

從圖4（b）中可以看到，透射系數(shù)總體變化不大，基本保持在3%～7%之間。當(dāng)水深D=0.35 m時(shí)，透射系數(shù)最小。而其他2種水深條件下透射系數(shù)隨波陡增大呈遞減趨勢(shì)。而水深D=0.45 m時(shí)的透射系數(shù)較0.40 m時(shí)小，分析原因可能是由于波浪爬高后大部分波浪被堤頂?shù)男貕踝。缓蠡亓髦料耸疫M(jìn)行了二次消能的結(jié)果。

在D=0.35 m時(shí)，透射系數(shù)最小，而其反射系數(shù)最大。這表明在水深較淺的情況下，波能主要以反射波的形式重新傳遞回去，致使堤前波況紊亂；雖然防波堤保護(hù)了堤后水域，但并未充分發(fā)揮其消浪、消能的功能。而當(dāng)D=0.45 m時(shí)，反射系數(shù)最小。即隨著波陡的增大，其透射系數(shù)變化不太明顯。這表明，當(dāng)水深、波陡較大時(shí)，該新型防波堤消浪、消能效果較好。

4.2.3 相對(duì)波高對(duì)反射和透射系數(shù)的影響

圖5給出了3組試驗(yàn)水深條件下，入射周期T=0.14 s時(shí)，相對(duì)波高H/D對(duì)防波堤反射、透射系數(shù)的影響關(guān)系。

圖5 相對(duì)波高對(duì)反射、透射系數(shù)的影響Fig.5 The influence of relative wave height on the reflection and transmission coefficient

如圖5（a）所示，在相同周期條件下，防波堤的反射系數(shù)隨著水深的增加而減小，而隨著相對(duì)波高的增大，其反射系數(shù)先減小后增大。當(dāng)相對(duì)波高值達(dá)到約0.40時(shí)，該防波堤在3種水深條件下的反射系數(shù)均達(dá)到最小值。由此可知，不同水深條件下，此防波堤反射系數(shù)最小時(shí)，其相應(yīng)波高不同，而相對(duì)波高是一定值。

如圖5（b）所示，在相同周期條件下，透射系數(shù)受水深的影響不大，基本保持在同一數(shù)值范圍。而透射系數(shù)受相對(duì)波高的影響較為明顯，隨著相對(duì)波高的增大，透射系數(shù)逐漸減小，其防波堤的透射系數(shù)基本維持在3%～9%左右。

4.2.4 開(kāi)孔率對(duì)反射和透射系數(shù)的影響

文中防波堤的圓弧形護(hù)面采用了開(kāi)孔形式，波浪通過(guò)開(kāi)孔圓弧形護(hù)面進(jìn)入消浪室，以達(dá)到消浪、消能的效果。護(hù)面的開(kāi)孔率是該新型防波堤消浪效果的關(guān)鍵因素。在實(shí)驗(yàn)中擬定了4種開(kāi)孔率（φ=8.37%，12.56%，16.75%，20.09%），通過(guò)對(duì)比分析這4種護(hù)面開(kāi)孔率，尋求防波堤的消浪效果。

圖6給出了相對(duì)波高、波陡及水深（引入無(wú)因次數(shù)D/R，其中：D為試驗(yàn)水深；R為圓弧面半徑。本次試驗(yàn)中R為定值）在4種不同開(kāi)孔率下與反射、透射系數(shù)的相互關(guān)系。

圖6 開(kāi)孔率對(duì)反射、透射系數(shù)的影響Fig.6 The influence of opening rate on the reflection and transmission coefficient

從以上圖中可以看到：一般情況下，隨著開(kāi)孔率的增大，防波堤的反射系數(shù)和透射系數(shù)隨之減小，當(dāng)開(kāi)孔率達(dá)到φ=16.75%時(shí)，反射系數(shù)和透射系數(shù)均達(dá)到最小值。而隨著開(kāi)孔率的繼續(xù)增大，防波堤的反射系數(shù)和透射系數(shù)反而明顯的增大。這表明，防波堤護(hù)面的開(kāi)孔率并非越大消浪效果越好，而是存在一個(gè)最佳的開(kāi)孔狀況，使得防波堤的整體性能最好。

本次試驗(yàn)的最佳開(kāi)孔率為16.75%。

5 結(jié)語(yǔ)

在物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)所測(cè)量的波面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了圓弧形護(hù)面斜坡堤的消浪特性，結(jié)果表明：

1）存在一特定的相對(duì)超高值使防波堤的反射系數(shù)最小。

2）3組試驗(yàn)水深范圍內(nèi)，深水情況下的反射系數(shù)最小；并存在一固定的相對(duì)波高值使得防波堤反射系數(shù)最小。

3）此防波堤護(hù)面的開(kāi)孔率并非越大消浪效果越好，而是存在一個(gè)最佳的開(kāi)孔狀況，使得防波堤的整體性能最好。在本次的物理模型試驗(yàn)中，開(kāi)孔率為16.75%時(shí)，該新型防波堤的消浪效果最好。

4）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，這種新型的防波堤對(duì)于大水深、大波陡的波況具有更好的消浪效果。

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Wave attenuation properties of mound breakwater with circular arc surface

YU Xin,HUANG Shan
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Based on the physical model experiment,we put forward a new type of breakwater structure,and analyzed the attenuation properties of this new type breakwater from four aspects of the relative super high,wave steepness,relative wave height and opening rate.The results show that within the scope of the test,this new type breakwater has better wave attenuation effect in deep water and big wave steepness.When opening rate reached 16.75%,wave attenuation effect of this breakwater is better than other opening situations.

mound breakwater;physical model experiment;reflection coefficient;transmission coefficient

U653.4

A

2095-7874（2016）12-0040-05

10.7640/zggwjs201612008

2016-07-07

2016-08-29

虞鑫（1988— ），男，浙江舟山人，碩士，助理工程師，主要從事港口水運(yùn)工程領(lǐng)域的相關(guān)設(shè)計(jì)工作。E-mail：516925720@qq.com