規則波作用下透空格柵板式防波堤波浪力試驗研究

程永舟，常佳夫，楊小樺，黃筱云，3

（1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410004；2.長沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004；3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

規則波作用下透空格柵板式防波堤波浪力試驗研究

程永舟1，2，常佳夫1，楊小樺1，黃筱云1，3

（1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410004；2.長沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004；3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

透空格柵板式防波堤是一種新型防波堤結構，為了促進該結構在實際工程中的應用，論文通過模型試驗研究其所受波浪點壓力和波浪總力的特征。試驗結果表明，在規則波作用下，下層水平格柵板所受波浪點壓力較上層水平格柵板大，且防波堤中前端波浪點壓力分布不規律；相對板寬B/L對該防波堤所受波浪總力的影響較大，相對板間距S/h對其整體穩定性的影響次之，而相對波高H/h主要影響該防波堤的垂向受力；此外，當上層水平格柵板與靜水面齊平且孔隙率相對較大時，該防波堤所受波浪總力最小，對其整體穩定性最有利。

透空格柵板式防波堤；水平格柵板；波浪點壓力；波浪總力；穩定性

隨著深水港建設開發力度的加大，防波堤建設條件變得更加復雜。亟需研究和開發消浪效果好、工程造價低、環保且施工方便的新型防波堤結構。板式防波堤是一種新型防波堤結構，與重力式防波堤相比，板式防波堤具有較好的消浪效果，受力小，造價更加低廉，水體能夠進行自由交換，利于海洋環境污染治理等眾多優點。因此，許多學者對板式防波堤開展研究，它經歷了從單層板，到開孔單層板，再到雙層板甚至是多層板的發展過程。很多學者從板式防波堤的消浪效果出發，研究了其隨相對水深，淹沒深度，來波條件等參數變化下的消浪規律，但是從防波堤的局部穩定性和整體穩定性出發，對其的受力特性研究較少，因此也限制了板式防波堤在實際工程中的應用。

Patarapanich（1984）用勢流理論的方法計算了由波浪繞射引起的實體薄板的波浪力和傾覆力矩，并與有限元方法所得結論進行了對比，發現該薄板式防波堤所受垂直力和傾覆力矩均隨淹沒深度和相對水深的增加而減少。Rey等（2011）在Patarapanich（1984）的研究基礎上進一步研究了不同來流條件時該板式防波堤所受的水動力荷載和力矩，為該淹沒板式防波堤在實際工程中的應用奠定了基礎。邱大洪等（1986）首次將板式防波堤引入國內。王科等（2011）研究了平板及立板式防波堤在3個自由度上所受的垂蕩、橫蕩和橫搖波浪力。雖然單層實體薄板具有工藝簡單便于安裝等一定的優勢，但是當波浪傳播至防波堤前沿時，波高增加會導致板式防波堤前端迎浪面的波壓力急劇增大，由于受力不均，會導致防波堤傾斜或造成局部破壞，對防波堤的安全和穩定性造成不利影響。因此在單層實體板式防波堤的基礎上，Chwang等（1983）首先提出了單層開孔板式防波堤，Yip等（2000）用勢函數理論分析了前端為豎直開孔板，中間為內置水平實體板，后方為豎直實體板的板式防波堤的孔隙參數，力系數，力矩系數等參數對防波堤消浪和受力的影響，并發現合適的孔隙率能最大限度的消減波能從而提高該防波堤的穩定性。Wu等（2002）又用類似的方法研究了圓形開孔板式防波堤，并指出，和實體板式防波堤相比，開孔的板式防波堤不僅能有效的減小入射波高，還能有效的減小作用在板式防波堤上的波浪荷載和傾覆力矩。

雖然單層板式防波堤有一定的優點和應用范圍，但是在實際工程其很難達到滿意效果。Cheong等（1992）首先提出了上層板與靜水面齊平，下層板淹沒的雙層實體板式防波堤，并發現雙層板式防波堤和單層板式防波堤比起來，波浪的反射系數更大，透射系數更小，更有利于防波堤的消浪；且能量損失系數即使在水深較大時也更大，即雙層板式防波堤在水深較大的情況下應用前景更為廣闊。Usha等（2005），Neelamania等（2006）再次驗證了該結論。為增加雙層板式防波堤的安全性，王志勇等（2012）等從其結構形式出發，探討了不同支承形式、鋼板厚度、H型鋼加勁肋個數和型號等因素對水平板應力和變形的影響。為達到進一步消浪和減小防波堤受力等效果，Liu等（2008）提出了上層板開孔，下層板為實體板的雙層板式防波堤模型，在分析其水動力特性和受力的基礎上預言：若下層板也開孔，能進一步增加該模型的消浪特性和穩定性。Kweon等（2013）提出了3種不同的方法研究雙層開孔板的受力特性，Kweon等（2014）在這基礎上觀測到了上水平板存在逆流現象，并探討了上板逆流現象對波浪傳播相位和防波堤受力的影響。王晶等（2015）對比了其提出的雙層預制板裝配式防波堤和雙層開孔板式防波堤的受力情況，發現雖然前者受力只略小于后者，但其消浪特性要比后者更明顯，因此，為該種雙層預制板裝配式防波堤在實際工程中的應用奠定了良好的基礎。王國玉等（2005）則探討了多層透空格柵板式防波堤的水動力特征。

本文提出的三層格柵板式防波堤結構是從雙層預制板裝配式防波堤（王晶等，2015）改進而來，著重分析了其點壓力和波浪總力隨相對板寬、相對板間距、相對波高的變化情況，為該板式防波堤在實際工程中的應用奠定基礎，同時為板式防波堤的受力研究提供參考。

1 防波堤結構簡介及試驗布置

1.1防波堤結構簡介

透空格柵板式防波堤由上、中、下3層格柵板組成，而每一層格柵板又由數個長條形水平預制板組成且開有一定孔隙，具體結構見圖1。防波堤側面與橫梁相連，可調節長條形水平預制板之間的間距，背浪面用實體板封住，下部由4根樁基支撐。防波堤的主體消浪結構類似于一個組裝的消浪室。

1.2試驗布置

圖1 透空格柵板式防波堤主體結構圖

試驗在長沙理工大學水利實驗中心多功能波浪水槽中進行，水槽總長40 m、寬0.8 m、深1.0 m，最低工作水深0.3 m，最高工作水深0.8 m。水槽前端為推板式造波機，兩側為透明玻璃，末端設有直立式消能網，以消除波浪反射影響。造波控制系統采用大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室研究開發的Wave make系統，可產生單向規則波、不規則波，且產生的波形平穩，重復性好。試驗整體布置圖見圖2。采用成都泰斯特電子信息有限責任公司研制高精度智能數字點壓力傳感器及其采集系統測量點壓力，測量精度為0.1%，量程為0～ 20 kPa。在上、下層水平格柵板的上、下表面均對稱布置各5個，各點壓力傳感器間距詳見圖3。采用揚州科動電子技術有限責任公司研制的二分量應變式測力天平測量總力，各分量測量范圍-100 N～ 100 N，準確度：±0.5 N，線性度：＜1%。兩個測力天平分別布置在防波堤下層板下表面中間的前后端，用以測量防波堤的整體受力情況，測力天平布置圖詳見圖3。試驗采用規則波，防波堤板寬B= 0.8 m，改變試驗水深h、波長L、上、下水平格柵板間距S、防波堤淹沒高度h’、水平格柵板孔隙率（上或下層格柵板孔隙面積之和與該層水平預制板面積之和的比值）G等參數。其中，中層各長條形水平預制板保持間距為2 cm不變。根據實際透空式防波堤的尺寸范圍和重力相似準則，綜合考慮水槽尺寸、造波機和試驗采集儀器的精度等影響因素，本模型比尺采用1∶25。

圖2 試驗整體布置圖

圖3 試驗點壓力傳感器及測力天平布置圖

波浪點壓力測量試驗組次見表1，波浪總力測量試驗組次見表2。試驗規定：當防波堤上層格柵板與靜水面齊平，即h′=0 m時，稱之為平水堤；當防波堤上層格柵板位于靜水面以下，即h′= -0.05 m時，稱之為淹沒堤；同理有出水堤，即h′= 0.05 m，上層格柵板位于靜水面以上。為消除試驗的隨機性，對同一次試驗組次進行三次測量，每一次取波浪傳播穩定后8個波浪周期受力的平均值；待水面平靜后，進行下一組次試驗的測量；且在每個波況結束后，檢查防波堤的穩定狀況及各試驗儀器的連接情況。若出現異常，則重新測量該組次試驗。

表1 波浪點壓力試驗組次

表2 波浪總力試驗組次

2 壓力分析方法

2.1點壓力分析方法

為研究防波堤所受波浪點壓力，參考Kweon等（2013）、Kweon等（2014）提出的對雙層水平板式防波堤局部點壓力的處理方法，以透空格柵板式防波堤的上、下層水平格柵板為研究對象，且以同一層板上下對稱布置的壓力傳感器所測點壓力之和作為該板所受的波浪點壓力。其中，1#-5#及6#-10#點壓力傳感器分別布置在上、下層水平格柵板下部；11#-15#及16#-20#點壓力傳感器分別布置在上、下層水平格柵板上部，詳見圖3。計算公式為：

2.2總力分析方法

為研究防波堤所受波浪總力，參考Yu等（1994），Liu等（2008）等提出的力系數CF概念，對透空格柵板式防波堤所受波浪總力進行無量綱化處理。其中，

可反應防波堤所受波浪總力大小。

3 試驗結果分析

3.1相對板寬B/L對透空格柵板式防波堤點壓力和總力的影響

圖4描繪了透空格柵板式防波堤的上層（圖4（a））、下層（圖4（b））水平格柵板點壓力分布隨相對板寬B/L的變化情況，其中，縱坐標P/ρgH為無量綱化點壓力。從圖4可看出，上層水平格柵板的點壓力分布基本隨相對板寬B/L的增加而增大，且當B/L超過0.3時，變化幅值增大明顯。而下層水平格柵板則剛好相反，其點壓力分布基本隨相對板寬B/L的增加而減小，且當相對板寬B/L小于0.3時，其變化幅值增大明顯。綜合考慮上、下層水平格柵板點壓力分布規律可得：當B/L位于0.3附近時，上、下層水平格柵板所受點壓力均相對較小，對實際工程中防波堤的局部穩定性有利。Yip等（2000）在研究由單層開孔板和實體板組成的消浪室時也指出，當消浪室的長度與入射波波長的比值介于20%～25%時，為消浪室的最佳尺寸。

圖4 防波堤上層、下層板點壓力分布隨相對板寬B/L的變化情況

此外，從圖4可發現在防波堤的中前端，即當X/B=0.2～0.4時（B為防波堤板寬，B=0.8 m），防波堤的上、下層水平格柵板點壓力分布不規律。這是因為當波浪傳播至防波堤前端時，波高增加變陡，波浪在防波堤中前端引起的震蕩達到最大值，入射波和反射波的相互作用最強烈，因此，在防波堤的中前端，點壓力隨B/L的變化不明顯；而隨著波浪逐步傳播至防波堤后端，上、下層水平格柵板點壓力隨B/L的變化則越規律。

圖5 防波堤所受波浪總力隨相對板寬B/L的變化情況

圖5給出了當防波堤為出水堤，水平格柵板孔隙率G=0.2時防波堤所受無量綱（即力系數CF）波浪水平總力（圖5（a））和垂直總力（圖5（b））隨相對板寬B/L的變化情況。其中，Xmax+、Ymax+分別表示水平和垂直正方向防波堤所受波浪總力的最大值，同理有Xmin-、Ymin-（圖7、圖9同理）。從圖中可知，防波堤所受水平和垂直總力均基本隨相對板寬B/L的減小而增大，且在B/L=0.3左右達到穩定。這是因為隨著相對板寬B/L的減小，波長相對較長時能更容易到達防波堤后方的豎直擋板處，所以，當相對板寬B/L較小時防波堤所受波浪總力相對較大。

此外，從圖5可知，防波堤所受正方向的波浪水平總力略大于負方向的波浪水平總力，而所受正方向的垂直波浪總力略小于負方向的垂直波浪總力，由力的合成定理可知，防波堤可能會受到向后傾斜的合力，因此在實際工程中，應考慮該透空格柵板式防波堤的傾覆力矩。

3.2相對板間距S/h對透空格柵板式防波堤點壓力和總力的影響

圖6描繪了透空格柵板式防波堤的上層（圖6（a））、下層（圖6（b））水平格柵板波浪點壓力分布隨相對板間距S/h為0.2、0.3、0.4時的變化情況。從圖6中可以看出防波堤的上、下層水平格柵板均以受到向下的波浪點壓力為主。其中，上層水平格柵板所受波浪點壓力基本以防波堤上層板中點為對稱分布（即若以防波堤寬度的中點X=0.4建立坐標軸；下同），但是在防波堤末端波浪點壓力值有上揚（S/h=0.3）或下傾（S/h=0.4）的趨勢，即隨著相對板間距S/h的增加，上層水平格柵板所受波浪點壓力的振蕩特征表現得越明顯；而下層水平格柵板則在相對板間距S/h=0.3時所受波浪點壓力最小且相對對稱。綜合上、下層水平格柵板所受波浪點壓力分布隨相對板間距S/h的變化情況可得出：當相對板間距S/h不超過0.3時，防波堤所受波浪點壓力的分布較對稱，波浪點壓力值也較小，有利于防波堤的局部穩定性。

圖6 防波堤上、下層板點壓力分布隨相對板間距S/h的變化情況

另外，通過對比圖4（b），圖6（b），圖8（b）中下層水平格柵板所受波浪點壓力分布情況，可以發現一個試驗規律：即使研究的參數B/L，S/ h，H/h不同，透空格柵板式防波堤的下層水平格柵板所受波浪點壓力均在同一量級，且分布規律均比較類似，Rey等（2011）在研究單層時也得出了同樣的結論。即波浪點壓力變化曲線均類似于起點在Y軸負方向，幅值不斷減小，最后聚于零點的余弦曲線。這是因為當波浪傳播至透空格柵板式防波堤里面時，由于上、中、下3層水平格柵板均有一定的孔隙率，而防波堤后方有豎直擋板，相當于波浪進入消浪室，由此使得水質點在消浪室中的運動更加復雜，波浪一定經歷了一個復雜的轉變過程，而這個轉變過程，始終伴隨著波浪的折射、透射、反射、以及能量的損失和相位差（Liu et al，2007；Wu et al，2002），因此，防波堤下板所受波浪點壓力隨著波浪在消浪室中的運動而逐步減小且基本最后歸于零。在實際工程中，為保證防波堤的安全性，防止下層水平格柵板因受壓破壞，建議在下層水平格柵板的中前端進行局部加固處理。

圖7給出了透空格柵板式防波堤所受波浪水平總力（圖7（a））和垂直總力（圖7（b））隨相對板間距S/h的變化情況。從圖中可以看出，相對板間距S/h對防波堤所受波浪水平總力影響較大，當相對板間距S/h增加時，波浪水平總力正負方向均迅速增大；而相對板間距S/h對防波堤所受波浪垂直總力影響較小，當相對板間距S/h增加時，波浪垂直總力正負方向增值幅度相對較小，因此，當相對板間距S/h相對較小時，更有利于防波堤的整體穩定性。

對比圖5，圖7，可知相對板寬B/L對透空格柵板式防波堤所受波浪水平和垂直總力較相對板間距S/h時大得多，從總力的豎坐標可以看出二者根本不在同一數量級。因此可知，從防波堤的結構對其受力而言，相對板寬B/L較相對板間距S/h影響大得多。

圖7 防波堤所受波浪總力隨相對板間距S/h的變化情況

3.3相對波高H/h對透空格柵板式防波堤點壓力和總力的影響

圖8給出了波長L=2.56 m，相對板寬B/L= 0.31（其中B=0.8）時，防波堤上層（圖8（a））、下層（圖8（b））水平格柵板所受波浪點壓力分布隨相對波高H/h的變化情況。之所以研究相對板寬B/L=0.31時上、下層水平格柵板所受波浪點壓力隨相對波高H/h的變化情況，是因為當相對板寬B/L位于0.3附近時，上、下水平格柵層板所受波浪點壓力均相對較小，對實際工程中防波堤的局部穩定性有利。

從圖8（a）可以看出防波堤上層水平格柵板所受波浪點壓力基本也是以防波堤上層板中點對稱分布，且在防波堤末端波浪點壓力值均有略微上揚的趨勢，即防波堤末端上層水平格柵板所受波浪點壓力值均略大于防波堤最前端的波浪點壓力值，這可能是由于防波堤后方存在豎直實體擋板，當波浪傳播至防波堤末端時，波浪必須向上溢出，從而導致其波浪點壓力值略有增大所致。此外，從圖8還可看出，透空格柵板式防波堤上、下層水平格柵板所受波浪點壓力均隨相對波高H/h的增加而增加，這是因為波能正比于波高的平方，但試驗水深h= 0.5 m保持不變，所以，當防波堤的相對波高H/h增加時，上、下層水平格柵板所受波浪點壓力劇烈增大。

圖8 防波堤上、下層板點壓力分布隨相對波高H/h的變化情況

圖9描述了透空格柵板式防波堤所受波浪水平總力（圖9（a））和垂直總力（圖9（b））隨相對波高H/h的變化情況。從圖中可看出，防波堤所受波浪水平和垂直總力均隨相對波高H/h的增加而增加，且基本呈線性關系。通過水平波浪總力和垂直波浪總力的對比可發現，防波堤所受垂直波浪總力要比水平波浪總力大一個數量級，因此，相對波高H/h主要影響透空格柵板式防波堤的垂向受力。且防波堤所受垂直波浪總力基本為正負方向對稱分布，這說明防波堤受力均勻，利于其整體穩定和安全，這可能是由于透空格柵板式防波堤上下結構沿中層水平格柵板比較對稱所致。

圖9 防波堤所受波浪總力隨相對波高H/h的變化情況

通過對比圖5（出水堤），圖7（平水堤），圖9（淹沒堤）可發現，防波堤的淹沒深度對其受力有很大影響（Wu et al，2002；Rey et al，2011）。而平水情況時（圖7）防波堤所受波浪總力最小；另外，考慮到防波堤與靜水面齊平時的消浪效果最好（Liu et al，2008），且海上水位受到潮汐等作用，時刻都在變化，因此建議透空格柵板式防波堤在實際工程應用中采取上層水平格柵板與平均水位齊平的平水堤布置形式。

4 結論

從透空格柵板式防波堤的局部穩定性和整體穩定性出發，通過模型試驗研究了其所受波浪點壓力和波浪總力隨相對板寬B/L、相對板間距S/h、相對波高H/h的變化情況。試驗結果表明：

（1）下層水平格柵板所受波浪點壓力在同一量級，分布規律均隨防波堤寬度的延伸而逐漸減小，且受研究參數B/L，S/h，H/h的影響小。

（2）當相對板寬B/L和相對板間距S/h均不超過0.3時，透空格柵板式防波堤上、下層水平格柵板所受波浪點壓力和波浪總力均相對較小，利于防波堤的局部穩定和整體穩定；而防波堤的中前端波浪點壓力分布不規律，宜進行局部加固處理。

（3）透空格柵板式防波堤所受波浪水平和豎直總力基本呈對稱分布，且相對板寬B/L較相對板間距S/h對防波堤所受波浪總力的影響大得多，相對波高H/h主要影響透空格柵板式防波堤的垂向受力。

（4）透空格柵板式防波堤的淹沒深度h'和水平格柵板孔隙率G對其所受波浪總力有很大影響，當防波堤的布置形式為平水堤且水平格柵板孔隙率G相對較大時，其所受波浪總力最小，利于防波堤的整體穩定性。

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（本文編輯:袁澤軼）

Experimental research of the wave force on the grille plate breakwater under the regular wave action

CHENG Yong-zhou1,2,CHANG Jia-fu1,YANG Xiao-hua1,HUANG Xiao-yun1,3
（1.School of HydraulicEngineering,Changsha University of ScienceandTechnology,Changsha 410004,China;2.Key Laboratory of Water and Sediment ScienceandWater Hazard Prevention,Changsha 410004,China;3.StateKey Laboratory of Hydrology-Water Resources and HydraulicEngineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

The porous grille plate breakwater is a new type structure of breakwater.To strengthen its practical engineering application,a physical model experiment research under the regular wave condition is performed to investigate the characteristics of wave point pressure and wave total forces on the breakwater.The results show that,the wave point pressure on lower horizontal grille plate is larger than that on the upper one,and the distribution near the front edge of the breakwater is unlawful.Meanwhile,the relative plate width B/L is rather significant than the relative plate spacing S/h which can be taken as the second place for the impact of wave total forces on the breakwater,and the relative wave height H/h almost only has effects on the vertical stress of the breakwater.Moreover,the results indicate that the wave total forces on the breakwater is minimum,which is most favorable to the stability of the breakwater when the upper grille plate is placed near the still water and the porous ratio of breakwater is relatively larger.

porous grille plate breakwater;horizontal grille plate;wave point pressure;wave total forces;stability

P731.22

A

1001-6932（2016）06-0641-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.006

2015-08-01；

2015-10-23

國家自然科學基金（41176072,51109018）；交通運輸部應用基礎項目（2012-329-825-160）；湖南省自然科學基金（2015JJ2006）；水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放研究基金（2013491411）。

程永舟 （1974-），男，博士，教授，主要從事波浪、水流及邊界相互作用方面研究。電子郵箱：chengyongzhou@163.com。