半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構規則波下的試驗研究

劉大年 上官子昌 王志云

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構規則波下的試驗研究

劉大年 上官子昌*王志云

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

在不影響海域景觀達到消減波浪緩減海岸侵蝕目的下，基于物理實驗模型提出了一種半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構，并從波浪周期、入射波波高、模型排間距、下潛深度、模型排間排列方式對其在規則波作用下的消浪效果進行了研究。試驗結果表明，此消浪結構具有良好的消浪效果，能夠在一定程度上緩解海岸侵蝕。

半潛,消浪結構,消浪效果

0 引言

近年來，隨著海洋工程理論和技術的不斷發展和成熟，消浪設施已經由以前的淺海和近海逐漸發展到深海和遠海。傳統的消浪設施(如：直立式防波堤、斜坡式防波堤)造價大、成本高，且因其坐地式結構特點，使其所保護的水域水體的循環受到限制，影響近海生態。浮式、半潛式消浪裝置具有很強的海水交換能力，不容易產生淤泥且造價低，更容易適應于近海和遠海作業。

阮成江、謝慶良論述了我國主要海岸侵蝕區的侵蝕現狀、特點及原因。并提出海岸侵蝕的防治對策：“保堤必須保灘”“全線防護變成線段防護”，在不同地區建造丁壩、淺堤、護坎壩、離岸堤以及它們的相互組合形式[1]。何超勇、王登婷通過物理模型試驗，探討矩形方箱錨鏈錨泊浮式防波堤在規則波作用時，投射系數隨浮箱寬度、吃水深度、錨鏈初始張力等因素的變化規律[3]。嚴建國、戴小平利用特征函數法對矩形浮箱式放浪堤的消浪性能進行分析，分析了浮堤的水動力特性，確定浮堤的消浪性能[4]。江沭淮、周效國分析了透空式防波堤提出的背景及應用前景，闡述了透空式防波堤理論研究、試驗研究及工程應用進展[5]。蔣昌波、袁盛良等對透空箱體浮式防波堤消浪特性進行實驗研究，分析了浮式防波堤在規則波作用下防波堤透射系數與模型頂板相對入水深度、相對板間距、相對板長以及頂板開孔的關系[6]。汪宏，徐洪彬，宣剛提出了一種由消浪塊體、柔鎖和錨鏈系統組成的新型柔性浮式防波堤結構形式[7]。Mizutani和Rahman對于帶有穿孔結構的平板錨泊結構的箱式消浪結構進行研究。本文在以上基礎上考慮到保護海洋景觀等因素設計了一種半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構，此結構不僅造價低，環境適應性強，易于施工且具有較好的海水交換能力。內部設計的球型網箱可以作為養殖箱來養殖貝類等，帶來經濟效益。

1 試驗設備及儀器

試驗在中國水產科學院江蘇試驗基地的波浪水槽(總長60 m，寬1 m，高1.5 m)中進行。水槽一端裝有可以產生單向規則波、不規則波的造波機，造波機產生的波形平穩且重復性好；水槽另一端布置消浪網用以減少波浪的反射；水槽的兩邊為透明的鋼化玻璃，有利于對試驗情況的觀察。造波機由微機系統控制且能夠對試驗數據進行自動采集和分析，波浪的測量儀器用DS30型64通道波高儀。儀器和設備在試驗前進行過標定，能夠滿足試驗所需的靈敏度和穩定度的要求，為本次模型試驗的成功提供了必要保證。

試驗水槽一端是造波機，另一端是消浪網。模型前后分別放置兩個波高儀，編號分別是1,2,3,4。2號波高儀放置在距模型前段2 m處，1號波高儀放置在2號前段1.5 m處，用于采集入射波高數據；3號波高儀放置在模型后端2 m處，4號放置在3號后端1.5 m處，用于采集透射波高數據。

2 試驗物理模型及布置

如圖1所示，此次物理模型，由若干個相互連接的單元體組成的群式消浪裝置。單元體由8個內徑16 mm外徑20 mm三通直角管兩兩連接，連接處進行密封處理，制作成邊長為100 mm的透空六面體型塊體。透空塊體內部有直徑是80 mm的球型網箱。透空塊體下面四角處分別固定有一個小掛環，用于模型的下潛與固定，單元體之間的連接方式采用柔性連接。整個模型共有15排6列，單元體間的橫向間距固定為60 mm，縱向排間距有50 mm,100 mm,150 mm；每排單元體處在同一下潛深度的規則排列和偶數排較單數排相對下潛20 mm的121型的錯位排列。

此次試驗針對規則入射波，結合試驗設備的條件(造波機產生最大波高且保證波浪不破碎等因素)，并按照重力相似的準則來確定試驗波的要素。試驗采用水深d=0.9 m,波高H=0.05 m,0.06 m,0.07 m,0.08 m，波浪周期采用0.7 s,0.8 s,0.9 s,1.0 s，確定模型比尺是1∶30。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3 試驗數據分析

本文重點討論此半潛嵌入球箱透空式塊體在規則波作用下透射系數的變化及消浪效果的試驗研究。透射系數Kt=Ht/Hi，其中,Hi為堤前入射波高；Ht為堤后波高。

圖2～圖7是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在按照表1試驗方案探討波高、下潛深度、排間距、排間排列方式對透射系數的影響以及下潛深度對布設排間排列方式消浪性能的影響的試驗結果分析。

3.1周期T對透射系數的影響

結合圖2～圖7試驗結果分析，結果表明：透射系數隨著周期的增大而增大。當周期為1.0 s，波高0.08 m時，消浪效果依然能達到45%作用，此消浪結構消浪效果明顯。

3.2波高對透射系數的影響

圖2是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在排間距15 cm、下潛深度0 cm、排間采用規范排列的方案下，在不同波高下對透射系數影響的試驗結果。由圖2可看出，隨著波高的增大，波浪透射系數先變小后變大，但波高每變化0.01 m透射系數的變化范圍基本在2%以內,說明波高對透射系數的影響不大。

3.3下潛深度對透射系數的影響

圖3是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在排間距15 cm、排間采用規范排列的方案下，在不同下潛深度下透射系數的試驗結果。由圖3可以看出，在下潛2 cm下，透射系數比在下潛0 cm和2 cm下時的透射系數小，且透射系數隨周期變化的線性增長沒有在下潛0 cm和下潛4 cm時的線性增長明顯。即此消浪結構在下潛2 cm時的消浪效果比在下潛0 cm和4 cm時的效果好。下潛2 cm和4 cm時，在大波高大周期作用下，消浪效果依然能達到45%左右，消浪效果明顯。

3.4縱向排間距對透射系數的影響

圖4是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在下潛0 cm，排間排列采用規則排列的方案下，在不同排間距下的透射系數的試驗結果。由圖4可以看出，透射系數隨著排間距的增大而減小。即此消浪結構的消浪性能與排間距成正比，隨排間距的增大而增大。

3.5布設排間排列方式對透射系數的影響

圖5是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在下潛0 cm,排間10 cm的方案下，排間排列方式每排單元體在同一下潛深度的規則排列與偶數排較單數排相對下潛2 cm的121錯位排列試驗結果的對比。由圖5可以看出121的錯位排間排列方式的透射系數比規則排列的小，即錯位方式的消浪性能比規則排列的消浪性能好，尤其在小波高小周期下，其消浪效果達到了80%。

3.6下潛深度對布設排間排列方式透射系數的影響

圖6是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在波高0.08 m，排間距10 cm的方案下，在下潛0 cm和2 cm下每排單元體都距水面同一下潛深度的規則排列與偶數排較單數排相對下潛2 cm的121錯位排列的試驗結果的對比。由圖6可以看出在下潛0 cm時，錯位排列的透射系數比規則排列的小；在下潛2 cm時，錯位排列的透射系數卻比規則排列的大，其消浪性能反不如規則排列。

3.7波陡對透射系數的影響

波陡反映了波浪波動的平均斜率，其定義是：波高H與波長L的比值。圖7是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構在波高0.08 m，排間距分別是5 cm,10 cm和15 cm，下潛深度分別是0 cm,2 cm和4 cm方案下波陡H/L對透射系數影響的試驗結果。由圖7可以看出所有曲線都符合相同的規律：隨著波陡的增大透射系數在減小。下潛2 cm，排間距是15 cm時的消浪效果最好，與前面在下潛深度和排間距對透射系數的影響得到的結論相一致。

4 結語

本文對此半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結構進行了在規則波作用下的物理模型試驗研究，分析了波高、周期、下潛深度、縱向排間距、排間排列方式和波陡等因素對此消浪結構透射系數的影響。結果表明，波高對此消浪結構透射系數影響不大；隨著周期的增大，模型的透射系數增大，在1.0 s周期下此模型消浪效果達到45%，消浪效果依然明顯；隨著下潛深度的增加，透射系數先減小后增大，即在某一下潛深度下，模型存在最大消浪性能；隨著縱向排間距的增大消浪效果變好。

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Theexperimentalstudyonthehollowwavedissipationstructureofasemi-submersibleembeddedballboxintheregularwave

LiuDanianShangguanZichang*WangZhiyun

(InstituteofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

In order to break wave to protect coast without coastal landscape destruction, based on the physical experiment mode, a kind of semi-submersible embedded spherical block wave structure is proposed. In this paper the wave length, wave height, model row spacing, depth of submergence and model arrangement are studied. The experimental results show that the wave structure has a good wave effect.

semi-submersible, wave structure, wave effect

1009-6825(2017)30-0048-03

2017-08-16

劉大年(1990- )，男，在讀碩士

上官子昌(1959- )，男，教授

U656.31

A