半潛條件下雙層四環網結構消浪性能研究

南金剛，上官子昌，王志云，尚付瑤

（大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著對海洋資源的不斷開發和利用，海洋周邊生態環境的保護愈來愈受到關注，沈雨生等人在浮式防波堤研究進展中表明：多種透射系數的計算方法均具有一定的局限性，并提出了今后的研究中宜采用物理實驗的方法得出透射系數的經驗公式[1]。賀大川在板式浮筒型防波堤波浪力與運動響應分析中指出：在不同工況條件下，隨著波長的逐漸減小，浮式結構比潛式結構更早達到波浪力和運動幅值的極大值[2]。王環宇在多孔浮式防波堤的實驗研究與數值模擬中得出，對于同一結構不同的結構排布、纜繩系泊方式以及鏤空與否等對裝置的消浪效果影響較大[3]。楊彪等人對雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤的消浪性能研究表明：相對寬度是影響結構的水動力特性的主要因素，而錨鏈剛度主要影響錨鏈的受力，剛度越大受力越大[4]。董國海等人對板-網結構浮式防波堤消浪性能進行的研究表明：防波堤的寬度越大其消浪效果越好，通過對在平板下部添加網衣和增加其剛度可以提高浮式防波堤的消浪性能[5]。姚卓琳在新型半潛式開孔防波堤水動力特性的研究中提出，開孔板與實體底板相比，隨著相對板間距的增大其透射系數呈增大趨勢；而對于無底板來說，周期對其透射系數的影響呈非線性變化趨勢[6]。

在總結以往對浮式防波堤研究的基礎上，本文設計并提出了一種新型半潛條件下雙層四環網消浪結構，此結構造價便宜、施工方便，易海水交換，減少海域內的泥沙淤積、不會影響海面景觀。模型采用輕型耐腐蝕性塑料管和金屬錨鏈銜接而成，自重輕、制作簡單，同時其下部可以系一些網兜用于海水養殖，在保護海岸帶設施及環境的同時可帶來可觀的經濟效益。

1 物理模型試驗

1.1 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（長40 m，寬0.7 m，高1 m）中進行。一端安裝有造波機，可產生波形平穩、可重復性好的單向規則波、不規則波，另一端安裝消能網用來吸收波浪能量從而防止由于波浪反射導致實驗結果產生較大誤差。水槽兩側采用角鋼骨架焊接固定鋼化玻璃做槽壁，以便于實時對實驗狀況的觀察和控制。造波機、DS30型64通道浪高儀等儀器均由計算機系統控制，此系統可以實現試驗數據的自動采集和處理。試驗前對所有測量儀器均進行了精度標定和校準，從而保證最終能夠測得精確有效的試驗數據。

1.2 試驗波浪要素

試驗結合營口白沙灣常年的波浪數據，綜合考慮波浪水槽尺寸、消浪結構以及設計波浪要素和水深等因素，并按照重力相似準則確定模型比尺為1頤20。波浪要素如表1所示，其中波浪模擬時規則波以H1%控制，不規則波以H13%控制。

表1 試驗波浪要素Table1 Test wave elements

1.3 試驗模型設計

試驗模型采用直徑為16 mm的空心管和三通彎頭制成，為防止模型內部進水減小模型浮力，在每個接口處都采用密封膠封死，單個模型單元如圖1所示。

圖1 模型單元圖示Fig.1 Illustration of a model unit

圖2 模型在水槽內布置情況Fig.2 Layout of the model in thesink

每個模型單元之間采用柔性連接方式，受水槽寬度影響，橫向布置兩個模型單元，其間距為6 cm；根據不同工況，縱向分別布置3、4、5、6個模型單元，其排布單元整體長度分別為220 cm、240 cm、290 cm、340 cm；豎向排布方式采用單層模型單元布置和雙層模型單元布置，雙層模型單元之間垂直凈間距分別為2 cm、4 cm、6 cm。

水槽內部布置情況如圖2所示，從左到右依次是造波機寅1號浪高儀寅2號浪高儀寅試驗模型寅3號浪高儀寅4號浪高儀寅消能網，其間距依次為20 m、2 m、2 m（模型前端到2號浪高儀之間的距離）、2 m（模型末端到3號浪高儀之間的距離）、2 m、8.6~9.6 m，其中浪高儀用于量測入射波高和透射波高；每組試驗數據均采集3次，取其3次試驗的平均值，其采樣間隔為0.02 s，試驗中，待波形穩定后開始采集數據，采樣個數為1 024個。

2 試驗結果分析

本次試驗重點研究半潛條件下雙層四環網結構的消浪性能，即透射系數，其表達式為Kt=Ht/Hi，其中Hi為入射波高，Ht為透射波高，即經過模型消浪后的波高。對入射波和反射波進行分離，得出對應條件下模型透射系數Kt。

2.1 不同周期及波高對透射系數的影響

在水深d=0.5 m，模型單元采用橫2縱6布局情況下，分別取波高H=0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.10 m，周期T=0.8 s、1.1 s時，透射系數變化曲線見圖3。

圖3 周期、波高與透射系數的關系Fig.3 Relationship between period,wave height,and transmission coefficient

由圖3看出，無論是規則波還是不規則波，隨著波高的改變，模型透射系數變化范圍很小，其相鄰兩個波高的波動范圍在0.002耀0.010之間；而周期的改變對模型透射系數影響效果顯著，當周期從0.80 s變化到1.10 s時，透射系數的增長范圍在0.28耀0.35之間。綜上所述：周期對模型的消浪效果影響顯著，隨著周期的增大其消浪效果逐漸減弱，而此時波高對模型的消浪效果影響并不明顯。

2.2 相對寬度B/L對透射系數的影響

在水深d=0.5 m保持不變，模型單元采用橫2縱6布局結構情況下，通過改變模型的布置寬度。分別取波高H=0.07 m、0.10 m情況下分析本裝置的消浪效果，其變化曲線如圖4所示。

由圖4看出，隨著相對寬度的逐漸增大，透射系數逐漸減小，也就是說結構的消浪能力越來越強；但是顯然可以看出相對寬度B/L在1.52耀2.33之間變化時，在B/L=1.91處出現了一個峰值點，在B=3.41 m、T=1.1 s的情況下，結構消浪能力明顯減弱，盡管其相對寬度較小，而結構縱向布置寬度最大，說明并不是結構布置的越寬越好，當以結構布置凈間距為15 cm即相對寬度為B=2.41 m時，結構消浪效果最佳；這種情況對大周期的波浪消浪能力有所減弱，但其透射系數Kt<0.7，滿足要求。同一波況下，規則波的消浪能力明顯強于不規則波，當B=2.41 m，B/L臆2.33時，規則波和不規則波的消浪效果差別不大。

圖4 相對寬度與透射系數的關系Fig.4 Relationship between relative width and transmission coefficient

2.3 波陡H/L對透射系數的影響

在水深d=0.5 m保持不變，模型單元采用橫2縱6布局結構情況下，通過改變模型的布置寬度。分別取波高H=0.06 m，0.10 m情況下結構消浪能力，其曲線如圖5所示。

圖5 波陡與透射系數的關系Fig.5 Relationship between wavesteepness and transmission coefficient

由圖5看出，隨著波陡的逐漸增大，透射系數逐漸減小，消浪效果較好，透射系數最小達到了0.22；在相同波陡條件下，不同布置寬度對結構消浪效果的影響差別很大，說明結構的消浪效果并不是由單一因素來決定的，應當綜合考量各個影響因素，選取最經濟的優選方案；在圖中很明顯的出現了小寬度大透射的現象，此情況是因為結構布置寬度小，模型單元之間間距變小，此時的半潛式防波堤類似于直墻式防波堤，對波浪的反射較大，使波浪在堤前發生破碎，從而大大減小了波浪能量，這種情況也符合波浪運動規律[7]。

2.4 模型雙層布置層間距對透射的影響

在水深d=0.5 m，模型排布寬度B=2.2 m保持不變的情況下，改變模型排布為雙層柔性連接排布，分別取波高H=0.06 m、0.12 m，周期T=0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s、1.2 s，寬度層間距分別為0.02 m、0.04 m、0.06 m。其透射系數變化見圖6。

圖6 雙層情況下層間距改變Fig.6 Layer spacing changesin double layers

圖6 中在雙層情況下通過改變模型單元間的層間距來觀察結構的消浪性能，可以看出，在層間距保持不變的情況下，周期在0.8耀1.0 s之間變化時，小波高消浪效果明顯優于大波高，但周期在1.0耀1.2 s之間變化時，情況則相反，這是因為在水體2耀3倍波高的表層間大約集中了90%耀98%的能量[8]。在保持同一個周期不變的情況下，隨著層間距的逐漸增大，結構的消浪效果反而變得越來越差，這意味著雖然模型豎向排布雙層結構能夠增大其消浪效果，但是對于雙層結構單元之間的層間距也不是說越大越好，相應的要注意到試驗的波高數值，一般以2耀3倍波高來布置模型層數以及層間距，正確的布置方式有助于增大模型所發揮的作用；在間距為0.04 m時，其透射系數達到了最大的0.88，此時模型的消浪效果輕微，所以間距為0.04 m為最不理想的排布方式，應當以間距為0.06 m為最佳層間距排布。

3 結語

本文針對半潛條件下雙層四環網結構的消浪性能的試驗研究，分析了周期、波高、相對寬度、波陡以及層間距等因素對半潛條件下雙層四環網消浪結構透射系數的影響，得出以下結論：

1）雙層四環網結構消浪裝置的整體消浪效果顯著，尤其以結構布置寬度為2.41 m，也就是說結構單元之間的凈間距為20 cm時，模型的消浪效果表現最佳，其他排布次之。

2）波陡以及層間距的變化對于消浪效果的影響也比較明顯，不同排布對模型透射系數的影響差別很大，應考慮其他因素綜合分析；由本次試驗可知，雙層結構比單層結構具有更大的優勢，雙層結構的排布可以更大的改變波浪水質點的運動軌跡，從而使波浪產生波能的衰減。

3）由于模型單元自身透空，可以減小波浪對模型造成的破壞使得其相對于其他同等類型結構來說具有更加長的使用壽命。