樁基透空式防波堤的水平波壓力試驗研究

張可新 房宇航 桂勁松

摘 要：通過物理模型試驗，采用規(guī)則波。研究了防波堤雙側(cè)擋板所受到的水平波壓力隨著波浪要素的變化關(guān)系，主要探究了水平波壓力隨著波坦、相對堤寬的變化關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著波坦的增大，擋板所承受的波壓力也會變大;前擋板所受到的壓力隨著相對堤寬的增大先是降低，然后增大;后擋板是隨著相對堤寬的增大而增大，然后減小，在0.4左右出現(xiàn)最大點。

關(guān)鍵詞：規(guī)則波 防波堤 浪高

1.介紹

隨著港口建設(shè)向深海發(fā)展，防波堤的建設(shè)條件也變得極為復(fù)雜，主要面臨浪高、水深、急流、地基軟弱、回淤強度大等問題。隨著港口深水化和船舶大型化的發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的實體式防波堤因其隨著水深的增加造價劇增、技術(shù)復(fù)雜、施工困難等因素已不能適應(yīng)深水港發(fā)展的要求，在此背景下，樁基開孔組合板式防波堤應(yīng)運而生。該種結(jié)構(gòu)主要由雙側(cè)擋板、樁基、甲板等組成，該種防波堤不僅能夠滿足港內(nèi)外海水交換，還能夠滿足海洋生態(tài)環(huán)境保護功能、生態(tài)漁業(yè)功能和公眾休閑觀光的要求。

許多學(xué)者對透空式防波堤結(jié)構(gòu)受力問題進行了大量的研究，并根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式和模型簡化方法得出了多種研究成果。國外Ursell最早提出該種結(jié)構(gòu)，他和Wiegel等人從理論上研究了樁基擋板透空式防波堤的透射和反射性能。1970 年Ijima在Stoker 研究的基礎(chǔ)上，研究了浸沒水下一定深度的單板式防波堤，并給出了該種結(jié)構(gòu)透射系數(shù)、反射系數(shù)的解析表達式。但是對有前后擋浪板且有水平面板的透空式防波堤的結(jié)構(gòu)受力研究還比較少。因此，本文針對在波浪要素不同、前后擋板入水深度不同、前后擋板結(jié)構(gòu)形式不同的情況，著重研究透空式防波堤的水平受力問題。

2.試驗儀器以及設(shè)置

物理模型試驗在大連海洋大學(xué)遼寧省海岸工程重點實驗室波浪水槽中進行。水槽有效使用尺寸為長 40m，寬0.7m，深1.0m，可容納最大水深0.7m。水槽的一端配有造波機（1.0m×0.7m）.造波機后部、水槽尾部均安裝了直立式消能網(wǎng) 架、消能架空斜坡等消能設(shè)備，以盡量避免波浪的反射。試驗水槽見圖1。

3.試驗布置以及數(shù)據(jù)采集

實驗布置縱剖面及相關(guān)模型如圖 2所示，共布置了4 個浪高儀。模型之前，浪高儀1和2用于測量堤前波高。編號3、4用與測量堤后波高。

波浪測量采用天津水利科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的DS30型浪高水位儀測量系統(tǒng)該系統(tǒng)可同步測量多點波面過程并進行數(shù)據(jù)分析.

波浪力的測量采用DS30型點壓力測量系統(tǒng)（見圖3），該系統(tǒng)由DS30型點壓力儀和YL1型點壓力傳感器組成。

采用中國水利水電科學(xué)研究院波面數(shù)據(jù)采集技術(shù)DJ800多功能監(jiān)控系統(tǒng).獲取一個測量點的數(shù)據(jù)大約需要400μs。因此，采樣頻率隨著測量點數(shù)量的增加而減少。

試驗采用規(guī)則波，實驗進行三次并取其平均值。

在本試驗中保持堤岸寬度B= 70cm，水深d=30cm不變。試驗所波浪元素如表1所示。前后擋板入水深度共設(shè)置為9種情況，如表2所示。

4.結(jié)果與討論

4.1 水平波壓力隨L/H的變化關(guān)系

圖4是水面以下，水平波壓力隨著波坦的變化關(guān)系。圖5是水面以上水平波壓力隨L/H的關(guān)系

從圖中可以看出，在水下無論是前擋板還是后擋板，隨著波坦的增大，擋板所承受的波壓力也會變大。從圖3可以看出前擋板可以近似看成線性關(guān)系，L/H越大，波壓力也越大。后擋板隨著L/H的增大，水平波壓力也會變大，不過當(dāng)L/H在13.5左右的時候，后擋板所受到的水平波壓力趨于平緩。

4.2水平波壓力隨相對堤寬B/L的變化

由圖6可知，前擋板所受到的壓力隨著相對堤寬的增大先是降低，然后增大。在B/L在0.4時候出現(xiàn)拐點，在該點所受的波壓力最小。后擋板是隨著相對堤寬的增大而增大，然后減小，在0.4左右出現(xiàn)最大點。

5.總結(jié)

在海岸資源日益緊張的今天，樁基透空式防波堤因其特有的優(yōu)點而逐漸被行業(yè)內(nèi)所重視。但是對于該種防波堤受力的相關(guān)研究較少，本文通過物理模型試驗對這一問題進行了探討。通過物理模型試驗，在規(guī)則波作用下，研究了雙側(cè)擋板所受到的水平波壓力隨著波浪要素的變化關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在水下無論是前擋板還是后擋板，隨著波坦的增大，擋板所承受的波壓力也會變大。前擋板所受到的壓力隨著相對堤寬的增大先是降低，然后增大。后擋板是隨著相對堤寬的增大而增大，然后減小，在0.4左右出現(xiàn)最大點。

參考文獻：

[1]Goda Y.Random seas and design of maritime structures[M].Singapore：World Scientific Publishing Co Pte Ltd，2000.

[2]盛祖蔭，過達.深水樁基碼頭波浪力的計算[J].華東水利學(xué)院學(xué)報，1984（2）：54-64.

[3]過達，蔡保華.透空式建筑物面板波浪上托力計算[J].華東水利學(xué)院學(xué)報，1980（1）：16-35.

[4]宋，白立興.波浪對離岸透空式碼頭上部結(jié)構(gòu)的作用[J].港工技術(shù)，1997（4）：5-13.

[5]董霞.樁基擋板透空式防波堤結(jié)構(gòu)波壓力特性研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[6]邵杰.不規(guī)則波作用下?lián)醢迨酵缚盏趟畡恿μ匦匝芯縖D].南京：河海大學(xué)，2010.

[7]王偉.單擋板透空式防波堤透浪系數(shù)和波浪力研究[D].南京：河海大學(xué)，2011.

[8]Ursell，F(xiàn).The effect of a fixed vertical barrier on surface waves in deep water [J].In：Proceedings of the Cambridge Philosophical Society，1947，vol.43，part3， pp：374-382.

[9]Wiegel，R.L.Transmission of waves past a rigid vertical barriers.[J].Journal of Waterways and Harbour Division，ASCE WW1， 1960：1-12.

[10]Siew P F，Hurley D G.Long surface waves incident on a submerged horizontal plate.Fluid Mech.1977，5（4）：141-151.