排樁式防波堤透浪效果試驗研究

周明奎 ，張先波 ，2

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

在西非西海岸某港口項目中，由于長期面臨長周期波浪的作用，需要在掩護條件下進行施工，結合現場條件，提出了在施工海域的外側打排樁的方式，來營造好的施工條件。本次物理模型試驗，結合當地的波浪條件，研究了排樁由于間距和層數不同對透浪效果的影響。

1 排樁布置及試驗參數

排樁布置及試驗參數分別見圖1和表1。

2 理論計算

圖1 排樁布置圖Fig.1 Sketch of pile layout

表1 試驗參數Table 1 Test parameters

Hayashi[1]從連續方程和伯努利方程出發，假定樁前波浪為淺水微幅波，那么由入射、反射和透射波浪引起的水質點水平的平均速度分別為：

式中：H為波高；k為波數；σ為波動角頻率；h為水深；下角標i、R、T分別為入射、反射和透射。

根據伯努利理論，相鄰兩個排樁間透射水體的平均速度為：

式中：η為自靜水位起水面的垂向位移；α為平均速度的修正因子；Cv為透浪水體系數。

所以，在排樁后側的連續性方程如下：

式中：CC為透射水體的收縮系數。同時，假定ki=kR=kT，ωi=ωR=ωT，則波浪穿過排樁的透浪系數可以表達為：

當h/L趨近于0時，即為長波條件下，上述可近似表達為：

3 模型試驗

3.1 試驗比尺

試驗在95 m×4 m×1.8 m的大型水槽中進行，采用正態模型設計，模型幾何比尺λ=16，試驗波浪采用不規則波，譜型采用JONSWAP譜，γ 取 3.3[2]。

3.2 排樁的模擬

現場擬用直徑120 cm的鋼管樁，本次試驗采用直徑為7.5 cm的硬PVC管模擬現場鋼管樁，試驗過程中忽略管本身變形對試驗結果的影響。

3.3 數據分析

本次試驗過程分析的數據，均是距離排樁中心間距為3 m（相當于原型48 m）的測針數據。

4 研究成果及分析

通過對不同波高和周期下波浪透過排樁系數的研究，發現透浪系數隨著入射波高增加而減小；隨著入射波周期增加波浪透浪系數會有所增加，但個別情況下也出現了隨著波浪周期增加，波浪透浪系數沒有明顯變化甚至減小的情況。

4.1 波高與透浪系數的關系

1）單排樁透浪試驗

通過對比單排樁不同間距的試驗，當入射波有效波高為1.0 m、1.5 m和2.0 m時，b=0.1D的排樁間距比b=0.2D的排樁間距透浪系數減小20%左右。在入射波有效波高為2.5 m時，b=0.1D的排樁間距比b=0.2D的排樁間距透浪系數減小了11%～15%。

2）雙排樁透浪試驗

當雙排樁兩排的間距不同時，透浪效果也會略有不同，在入射波有效波高為1.0 m、1.5 m和2.0 m時，S=10D的排間距比S=2D的排間距透浪系數減小了1%～11%。并且，隨著波高增大，透浪系數呈現逐漸減小的趨勢。

3）單排樁與雙排樁透浪試驗對比

通過對比雙排樁（S=2D，b=0.2D）和單排樁間距（b=0.2D）的試驗結果，在同樣波高的條件下，雙排樁的透浪系數比單排樁的透浪系數減小了4%～8%。

4）試驗結果與理論計算的比較

在試驗條件下，雙排樁試驗結果與理論計算結果吻合較好；單排樁時，b=0.1D的試驗結果略小于理論計算值，b=0.2D的試驗結果略大于理論計算值。圖2～圖3為波高變化與波浪透浪系數的關系以及與計算結果的比較。

圖2 波浪周期=8 s試驗值與理論計算值比較Fig.2 Comparison of experimental values(wave period=8 s)and theoretical calculation values

圖3 波浪周期=15 s試驗值與理論值比較Fig.3 Comparison of experimental values(wave period)=15 s)and theoretical calculation values

綜上，在同樣的試驗條件下，隨著波高增大，透浪系數會減小；由于排樁間距和排數不同，也會對波浪透浪產生不同的影響。

4.2 波浪周期與透浪系數的關系

1）單排樁透浪試驗

當波浪周期變化時，b=0.1D和b=0.2D排樁間距透浪系數差值均變化不大，在5%以內。

2）雙排樁透浪試驗

當雙排樁兩排的間距不同時，波浪周期也會對透浪效果產生不同影響，S=2D的排間距隨著波周期增大，透浪系數也逐增大。而S=10D的排間距隨著波周期增大，透浪系數則變化并不規律。

3）單排樁與雙排樁透浪試驗對比

通過對比雙排樁（S=2D，b=0.2D）和單排樁間距（b=0.2D）的試驗結果，在波高相同情況下，隨著波浪周期的變化，雙排樁的透浪系數變化幅度與單排樁的透浪系數的變化幅度基本相同。

圖4～圖5為波浪周期變化與波浪透浪系數的關系。

總之，在試驗條件下，隨著波浪周期的增加，波浪透浪系數會有所增加，但個別試驗組次下也出現了隨著波浪周期增加，波浪透浪系數沒有明顯變化甚至減小的情況。波浪透浪系數隨著周期變化而變化的幅度較小，在試驗條件的波浪周期下（8～15 s），變化幅度均在6%以內。

圖4 有效波高H13%=1.0 m波浪透浪系數與波浪周期關系Fig.4 Relationship between wave transmission coefficient and wave period(wave height H13%=1.0 m)

圖5 有效波高H13%=2.5 m波浪透浪系數與波浪周期關系Fig.5 Relationship between wave transmission coefficient and wave period(wave height H13%=2.5 m)

5 結語

1）波浪在穿過排樁式防波堤時，會隨著波高和波周期的變化，呈現不同程度的衰減。

2）在試驗條件下，波浪穿過排樁式防波堤的波高透浪系數，隨著波浪波高的增加，呈現出了減小的趨勢；且排樁間距對透浪系數影響較大。

3）在相同的波高下，波浪周期不同，也會對透浪系數產生影響，試驗條件下大部分透浪系數是隨著波浪周期的增加而增加，但也出現了個別變化不明顯和減小的情況。