半潛直立筒式消浪結構性能的試驗研究

荊佳瑩，上官子昌，劉大年

（大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023）

半潛直立筒式消浪結構性能的試驗研究

荊佳瑩，上官子昌*，劉大年

（大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023）

在加強海水交換及不影響海域景觀的前提下，基于物理實驗模型提出了一種半潛直立筒式消浪結構，并對其在不同參數的規則波作用下的消浪效果進行了研究。主要從波浪周期、入射波波高、模型排數、間距及下潛深度的變化來探究其消浪性能。試驗結果表明，此消浪結構具有良好的消浪效果，在一定程度上可以緩解海岸侵蝕現象的發生，為今后推廣應用提供依據。

半潛；試驗研究；消浪性能；透射系數

0 引言

世界上第一個浮式防波堤當屬1811年在英國Plymouth港安放的木質浮式防波堤[1]。日本的第一個防波堤安置在Aomori港，1976年又在日本福山建成了矩形浮箱式浮堤正式應用[2]。我國由南京水利水電科學研究院研制的浮式導航防波堤于1962年應用在丹江口水庫中[3]。Hales[4]和Mc Cartney[5]分別闡述了浮式防波堤的發展歷史及其應用。董國海等[6]提出一種新型的板-網浮式防波堤，用于保障深水養殖網箱在風浪中的安全。程永州等[7]通過探討了一種新型防波堤上下層平板的相對間距及格柵板間隙比等參數得出上下各格柵板間隙比為0.1時，消浪效果最佳。王登婷等[8]對竹排浮式消浪結構進行了模擬實驗并結合眾多學者的研究成果導出了改進后的透射系數公式。楊彪等[9]提出雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤，并與雙浮箱浮式防波堤進行對比。吳靜萍等[10]提出一種用圓形模板漂浮在水面上的浮漂式防波堤。一些學者也進行了不同形式的消浪結構的試驗，比如新型柔性浮式防波堤[11]，多孔浮式防波堤[12]，T形透空式防波堤[13]等，本文在浮式消浪結構的基礎上設計了一種半潛直立筒式消浪結構，此結構不僅有較強的海水交換性能和較高的性價比；對地基的要求低，可以在軟土海床上進行建造，安放位置很容易改變；其制作工藝相對簡單，浮體、錨具都易制得[14]。而且此模型全部潛入水下，不會對海域景觀產生破壞，其下部系上網兜的設計可以養殖貝類等，帶來經濟效益。

上述研究表明這種新型半潛式消浪結構有很好的應用前景，本文針對此半潛直立筒式消浪結構進行了物理模型試驗研究，分析了周期、波浪、間距、下潛深度等因素對半潛直立筒式消浪結構的波浪透射系數的影響，為以后工程上的實際應用提供參考依據。

1 試驗設備及儀器

試驗在大連海洋大學遼寧省海岸工程重點實驗室的波浪水槽（總長40 m，寬0.7 m，高1 m）中進行。水槽一端裝有造波機，可產生單向規則波、不規則波，且產生的波形平穩重復性好；水槽另一端設有多層消波網以減少波浪反射。水槽兩端為透明鋼化玻璃，方便對試驗情況進行觀察。造波機由微機系統控制且可進行試驗數據的自動采集和分析，波浪的測量采用DS30型64通道波高儀。這些儀器和設備在試驗前后進行標定，滿足試驗所需的靈敏度和穩定度的要求，為半潛直立筒式消浪結構物理模型試驗的成功提供了必要保證。

2 試驗波要素

試驗針對規則入射波，綜合考慮試驗設備條件、造波機所能產生的最大波高且保證波浪不破碎等因素，并按照重力相似準則確定試驗波要素。試驗采用水深d=0.65 m，波高H=0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.10 m，波浪周期分別為0.7 s、0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s，模型比尺1∶30，分別對應實際波高為1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m，對應實際周期為3.83 s、4.38 s、4.93 s、5.48 s、6.02 s。

3 試驗模型

此次模型單元體采用直徑為32 mm的空心圓管，為了增大其浮力，在圓管的兩端分別用直徑為32 mm的泡沫圓柱填充，并在頂端用涂有防水膠的蓋子密封，單元體下端系上網兜，裝入等重量的石子以平衡浮力（圖1）。單元體和單元體之間采用柔性連接，橫向單元體間距離為3 cm，縱向距離為12 cm和18 cm。

圖1 半潛直立筒式消浪結構模型Fig.1 Semi-submerged verticalcylinder type wave dissipation structure model

如圖2所示，試驗水槽一端是造波機，另一端是消浪裝置，將模型布置在水槽中間位置，距離造波機20 m。堤前布置2個波高儀，1號與2號波高儀間距為1 m，2號波高儀布置在距離模型1倍波長處，用于測模型前端入射波高；堤后布置2個波高儀，3號、4號波高儀布置在距離模型后端1.8 m處，用于測定透射波高的變化。每組試驗重復3遍，取平均值作為最后試驗結果。試驗中采用的采樣間隔為0.02 s，采樣個數為1 024個。試驗中的模型布置如圖1所示。模型布置方案見表1。

圖2 模型試驗示意圖Fig.2 Sketch ofmodelexperiment

表1 模型布置方案Table 1 Modellayout plan

4 試驗結果分析

4.1 周期T對透射系數的影響

圖3～圖6為半潛直立筒式消浪結構在不同周期下透射系數的試驗結果。試驗結果表明，透射系數隨著周期的增大而增大；當大波高、大周期的情況下，透射系數最大可達到0.9左右，其消浪效果不明顯。

圖3 波高對透射系數的影響Fig.3 Effectofwave height on transmission coefficient

圖4 布置排數對透射系數的影響Fig.4 Effectofrow number on transmission coefficient

圖5 布設排間距對透射系數的影響Fig.5 Effect of row spacing on transmission coefficient

圖6 下潛深度對透射系數的影響Fig.6 Effect of water depth on transmission coefficient

4.2 波高H對透射系數的影響

圖3為半潛直立筒式消浪結構在不同波高下透射系數的試驗結果。即實行布置方案二的消波性能觀測。從圖中可以看出，波浪透射系數基本上隨著波浪周期的增大而增大，但隨著波高的增加，透射系數增幅較小，基本在1%～2%之間，這說明波高對透射系數的影響不大。

4.3 模型布置排數對透射系數的影響

物理模型試驗進行了半潛直立筒式消浪結構布置方案一時的消波性能觀測。圖4比較了不同布設排數下透射系數的試驗結果，分為8排、12排、16排3種情況，采用的排間距為12 cm，每增加1排布設長度增加0.152 m。通過圖4試驗結果表明，隨著排數的增加，波浪的透射系數逐漸減小，消浪效果顯著；當排數減小到8排的時候，模型長度為1.096 m，周期為1.1 s，這時的透射系數已經接近0.9左右，其原因是當周期增大到1.1 s時，單個波長已經大于模型長度，波浪越過模型，破碎很少，所以基本無消浪效果。

4.4 模型布置排間距對透射系數的影響

物理模型試驗進行了半潛直立筒式消浪結構布置方案一16排時的消波性能觀測。圖5給出了在模型總排數為16排，每排間距分別為12 cm、18 cm時的透射系數對比圖。圖中試驗結果顯示，透射系數隨著布置排間距的增加而減小。從圖5中發現，當布設排間距為16 cm時（即布設長度為3.21 m）時，周期大于1 s時波浪幾乎70%～80%透過，模型對短波消浪效果顯著。

4.5 模型下潛深度對透射系數的影響

物理模型試驗中進行了半潛直立筒式消浪結構在模型布置方案三時的消波性能觀測。圖6為模型采用16排，其排間距為18 cm，下潛深度分別為0.00 m、0.03 m、0.06 m時的透射系數測試結果。試驗結果表明，下潛深度對透射系數的影響比較明顯，隨著入水深度的增加而增大。當下潛深度為0.06 m時，隨著周期的增大，透射系數的線形增長較明顯，當周期0.9 s時，線形變化更明顯。

4.6 波陡對透射系數的影響

波陡是波高H與波長L的比值，表示了波浪波動的平均斜率。圖7為模型排數8排、12排、16排時透射系數的測試結果。當波高為0.06 m時，8排、12排和16排的透射系數隨著波陡的增加而逐漸減少，在波高為0.09 m、H/L為0.07時，8排和12排的透射系數很接近，反映出半潛直立筒消浪結構的透射系數隨著相對波陡的變化規律存在相似關系。隨著波陡的增加16排的透射系數較8排的減小了0.5左右，效果明顯，也就是模型對短周期的消波效果明顯。

圖7 波陡對透射系數的影響Fig.7 Effect of wave steep on transmission coefficient

5 結語

本文針對此半潛直立筒式消浪結構進行了物理模型試驗研究，分析了周期、波浪、間距、下潛深度、波陡等因素對半潛直立筒式消浪結構透射系數的影響。試驗結果表明，周期對模型透射系數的影響很大，隨著周期的增大模型的消波效果越來越明顯；增大排數和排間距可有效增強模型的消浪性能；而隨著入水深度的增加，也會使得消波性能減弱，但是當模型的下潛緊貼水表面（即0 m）時，試驗結果很理想，最佳透射系數僅為10%左右。

[1]READSHAWJS.The design offloating breakwater[C]//Proceeding ofsecond conference on floating breakwaters,Seattle,1981.

[2] 交通部第一航務工程勘察設計院.海港工程設計手冊：中冊[M].北京：人民交通出版社，1997：539. CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.Harbor engineering design manual:middle volume[M].Beijing:China Communications Press,1997:539.

[3]嚴愷.海港工程[M].北京：海洋出版社，1996：358. YAN Kai.Harbor Engineering[M].Beijing:China Ocean Press, 1996:358.

[4] HALES L Z.Floating breakwaters:state-of-the-art literature review[R].Vicksburg,Mississippi,USA:US Army EngineerWaterways Experiment Station,1981.

[5]McCARTNEYBruce L.Floating breakwater design[J].Journal of Waterway Coastal and Ocean Engineering,1985,111(2):304-318.

[6]董國海，鄭艷娜，李玉成，等.板-網結構浮式防波堤消浪性能的試驗研究[J].工程力學，2006，23（7）：142-146. DONG Guo-hai,ZHENG Yan-na,LIYu-cheng,etal.Experimental study on wave dissipation coefficient for board-net floating breakwater[J].Engineering Mechanics,2006,23(7):142-146.

[7]程永舟，楊小樺，黃筱云，等.新型透空格柵板式防波堤消浪性能試驗[J].水利水電科技進展，2016，36（2）：30-34. CHENG Yong-zhou,YANG Xiao-hua,HUANG Xiao-yun,et al. Experimental study on wave-dissipating performance of a new grille plate-type open breakwater[J].Advances in Science and technology of Water Resources,2016,36(2):30-34.

[8]王登婷，潘軍寧，黃海龍，等.竹排浮式結構消浪效果模型試驗研究[J].水運工程，2006（5）：12-15. WANG Deng-ting,PAN Jun-ning,HUANG Hai-long,et al. Experimental research on wave-consumption of bamboo-mattress floating breakwater[J].Port&Waterway Engineering,2006(5):12-15.

[9]楊彪，陳智杰，王國玉，等.雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤試驗研究[J].水動力學研究與進展，2014，29（1）：40-49. YANG Biao,CHEN Zhi-jie,WANG Guo-yu,et al.Experimental investigation of twin pontoon-twin horizontal plate floating breakwater[J].Chinese Journalof Hydrodynamics,2014,29(1):40-49.

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[11]徐洪彬.新型柔性浮式防波堤消浪性能試驗研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2015. XU Hong-bin.Experimental study on wave dissipation performance ofa new type of flexible floating breakwater[D].Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology,2015.

[12]王環宇.多孔浮式防波堤的實驗研究與數值模擬[D].大連：大連理工大學，2010. WANG Huan-yu.Experimental research and numericalsimulation of porous floating breakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology,2010.

[13]黃璐.T型透空式防波堤消波性能分析[D].大連：大連理工大學，2013. HUANG Lu.Analysis of wave dissipation performance of T type perforated breakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology, 2013.

[14]王永學，王國玉.近岸浮式防波堤結構的研究進展與工程應用[J].中國造船，2002，43（S1）：69-75. WANG Yong-xue,WANG Guo-yu.Research progress and application of floating breakwaters[J].Shipbuilding of China,2002,43 (S1):69-75.

Experimental study on the performance of semi-submerged vertical tube wave dissipation structure

JING Jia-ying,SHANGGUAN Zi-chang*,LIU Da-nian
（College of Ocean and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian,Liaoning 116023,China）

Based on the physical experiment model,we proposed a kind of semi-submerged vertical cylindrical waveeliminating structure under the premise ofstrengthening seawater exchange and without affecting the landscape of the sea area, and studied the effect of regular waves in different parameters.The wave period,incident wave height,model row number, spacing and dive depth were investigated to explore its wave dissipation performance.The test results show that the wave dissipation structure has a good effect of eliminating waves,which can relieve the occurrence of coastal erosion to a certain extentand provide the basis for future popularization and application.

semi-submersible;experimental study;wave dissipation performance;transmission coefficient

U652.74

A

2095-7874（2017）02-0038-04

10.7640/zggwjs201702008

2016-09-13

2016-11-11

海洋公益海域評估（34/041114027）

荊佳瑩（1990— ），女，遼寧撫順人，碩士研究生，水利工程專業。

*通訊作者：上官子昌，E-mail：599141207@qq.com