對稱波形底箱型水面防波堤性能試驗研究

鄒 明,吳靜萍,王明玉,關 超,吳云鵬

(1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢 430084；4.中交四航局第三工程局有限公司，廣東 湛江 524005)

防波堤作為一種常見的港口、碼頭及海岸的水上工程防護設施，常用來抵御從外海傳向近海岸的波浪的作用，保障域內穩定的作業環境及海岸與建筑物免受海浪的侵蝕。而波浪的能量大部分集中在水體的表層，在表層2～3倍波高的水層厚度內分別集中了90%和98%的波能。由此，產生了適應波能分布特點的水面防波堤。水面防波堤的主體位于水面，主體與水底之間是透空的。采用錨鏈定位、可以發生運動的稱為浮式防波堤；而采用樁柱固定的稱為透空式防波堤。相較于傳統固定大壩式防波堤而言，水面防波堤具有不影響水質循環、工程造價低、建造工藝簡單、適應水域環境能力強等優點，在國內外已有不少實際工程應用[1-2]。

水面防波堤的結構形式以箱型最為普遍，截面如方形、圓柱形[3]、三角形[4]和梯形[5]等，其中常見的箱型截面是方形。由于波浪可以透過水面防波堤傳播而削弱了防波堤的效果，因此出現了大量的提高水面主體消波性能的改進措施。除增加箱體個數外，還有在箱體外增加各種附體的措施，如在箱體外增加附板和柔性膜[6]等；還有將箱體迎浪側開孔，在箱內增加消波結構[7-8]；等等。

研究水面防波堤性能的方法是科學研究常用的理論解析解、數值計算方法和試驗方法。嚴建國等[9]利用特征函數法對單個方箱形水面防波堤的消浪性能進行分析，建立了單個方箱形水面防波堤與波浪相互作用的數學模型，通過求解各部分流域速度勢，分析了單個方箱形水面防波堤的水動力性能。Williams等[10-11]基于勢流理論，應用邊界元方法研究了雙箱形式水面防波堤的水動力性能，研究表明雙箱形式可提高水面防波堤的消浪效果，其消浪效果除了受方箱寬度、吃水和錨固方式等因素影響外，還受箱體間距的影響較大。鄭艷娜[12]采用線性波浪疊加法對不規則波進行數值模擬，采用時域邊界元法對不規則波作用下的方箱形水面防波堤進行數值模擬。Subramaniam和Al-Banaa[13]通過試驗研究了單個方箱形水面防波堤的透射、反射和能量損耗系數隨相對寬度的變化情況，發現隨著相對寬度的增加防波堤的透射系數逐漸變小，而反射和能量損耗系數逐漸增大。王永學等[14]提出了一種在方箱下加水平板的水面防波堤，并通過試驗發現方箱下加水平板可以提升防波堤的消波性能，且加兩層板的消波效果要好于一層板。Huang Z.等[15]和Neelamani S.等[16]分別通過試驗方法對方箱下加多塊開槽和開孔豎直板的水面防波堤進行了研究，均發現在箱型底部增加附體可以有效提升防波堤的消波性能。

本文基于波形板[17]研究的啟發，提出了一種對稱波形底箱型水面防波堤，就是對方箱型主體的平底外形進行改造，將平底改造為對稱的波形底，并通過物理試驗方法對其透射系數、反射系數和能量損耗系數等水動力性能隨波浪參數的變化規律展開研究。試驗時分別將平底和對稱波形底的方箱型消波主體通過支架固定在小型波浪水槽中，保持水槽水深不變，改變箱體吃水、波陡、波長進行了系列試驗，給出了平底和對稱波形底兩種模型的透射系數、反射系數和能量損耗系數隨相對寬度B/L的變化規律。通過比較，對稱波形底的消波性能比平底的優良，增加的消波效果高達60%。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設備和儀器

模型試驗在武漢理工大學交通學院流體力學實驗室的小型推板式波浪水槽中進行，水槽長18 m、寬0.6 m、深0.8 m。波浪水槽見圖1a)。水槽始端設有推板式造波機，造波機能夠產生穩定性和重復性都比較好的規則波，且所造規則波的波高單位距離衰減程度均小于2%[18]。水槽尾部消波段為U形結構設計，消波裝置由方形浮板和柔性帆布組成，并且在水槽末端放置有折角板，用于改變池壁反射的方向和增加波能耗散，以便能夠最大限度地減少池壁反射對試驗的影響。水槽消波段的消波裝置見圖1b)。

圖1 波浪水槽和消波裝置

受波浪水槽長度限制，防波堤模型放置于距離造波板前緣7.5 m處，在模型前后各放置兩支YWH200-DXX型數字浪高儀記錄波高數據，其量程為0.3 m，誤差在0.5%以內，絕對誤差小于1.5 mm。4支浪高儀分別標記為P1、P2、P3和P4，數據處理以P2和P3為主，P2距離造波板前緣6 m，滿足堤前浪高儀與造波板至少距離1倍最大波長的要求，P3距離模型1.5 m。浪高儀與模型安裝見圖2。

圖2 浪高儀與模型安裝

1.2 試驗模型和波浪參數

試驗模型為木質結構，長和寬分別為0.595 m和0.240 m，模型底部曲線為一個半周期的余弦波函數曲線，余弦波的波幅為0.06 m，試驗模型見圖3a)。模型通過金屬細桿與水槽上方的金屬支架固定，支架可根據試驗的需要調整模型的浸深，模型固定安裝后沿池寬方向展示見圖3b)。

圖3 試驗模型

試驗期間水深保持不變，試驗水深h為0.6 m，造波個數不少10個，波浪周期T為0.60～1.15 s，波陡H/L為0.03、0.05，試驗模型箱體的浸深d分別為0.06 、0.12 m，波長L為0.561～1.974 m，相對寬度B/L為0.12～0.43。

1.3 數據處理

試驗的透射波高由布置在堤后的P3浪高儀測得，P3浪高儀距離堤后1.5 m。試驗最大波長為1.974 m，浪高儀P3的布置對應最大波長，滿足在堤后1倍波長距離的要求。透射系數的處理方法參見文獻[6]。

透射系數Kt為透射波高與入射波高之比，即:

(1)

式中：Ht為透射波高；Hi為入射波高。

本試驗的反射波高由布置在堤前的P2浪高儀測得的波形進行分析，P2浪高儀在堤前1.5 m。

波浪傳播至防波堤模型發生反射，反射波與入射波疊加后合成新的波形。因為要得到反射系數，首先須將反射波從合成波中分離，這導致防波堤模型的反射系數較難確定。

本試驗反射波的分離方法，采用自主提出的一種使用單支固定浪高儀的反射波分離方法[19-20]。簡單地說，就是將P2浪高儀采集到的有防波堤模型的合成波形減去其采集到的無模型入射波形，分離出反射波形，從而得到反射波高。由于試驗水池長度有限，反射波個數有限，但至少有3個反射波形。

反射系數Kr為反射波高與入射波高之比，即：

(2)

式中：Hr為透射波高。

根據能量守恒原理，波浪入射波能等于反射波能、透射波能和波能損耗3項之和，因此透射系數Kt、反射系數Kr和能量損耗系數Kl滿足下式：

(3)

(4)

式中：Kt為透射系數；Kr為反射系數。

2 試驗結果比較分析

選取波陡H/L分別為0.03、0.05，浸深d分別為0.06、0.12 m，對比分析了4種情況下兩種模型的透射、反射及能量損耗系數隨相對寬度B/L的變化情況。

2.1 對稱波形底與平底箱型水面防波堤透射系數比較分析

圖4給出了4種情況下兩種模型透射系數Kt隨相對寬度B/L變化的比較。

從圖4中可以看出：

1)兩種模型的透射系數均隨相對寬度B/L的增大而減小。波陡對于兩種模型的透射系數影響較小，浸深對兩種模型的透射系數的影響比較大。

圖4 兩種模型透射系數Kt比較

2)在4種不同條件下，對稱波形底箱模型的透射系數均小于平底箱模型的透射系數，即對稱波形底箱模型的消波效果優于平底箱模型，增加的消波效果高達60%左右。當浸深d=0.06 m、相對寬度B/L接近0.2時，平底箱模型的透射系數降低至0.5，而此時對稱波形底箱模型的透射系數降低至0.3，增加的消波效果達到40%；當浸深d=0.12 m、相對寬度B/L接近0.2時，平底箱模型的透射系數在0.25左右，而對稱波形底箱模型的透射系數低至0.1，增加的消波效果達到60%。

3)對稱波形底箱模型的透射系數在浸深d=0.12 m的值均小于在浸深d=0.06 m的值。當波陡一定，B/L大于0.2、浸深d=0.06 m時，對稱波形底箱模型的透射系數低于0.3，而浸深d=0.12 m時的透射系數低于0.15，增加的消波效果達到50%。

2.2 對稱波形底與平底箱型水面防波堤反射系數比較分析

圖5給出了4種情況下兩種模型反射系數Kr隨相對寬度B/L變化的比較。

從圖5中可以看出：

精裝修工程的施工過程中，施工管理人員、施工人員的綜合素質較差、專業水平門檻較低。與此同時，管理人員及時作出相關決策，執行力度十分薄弱，無法對精裝修工程進行有效管理。還有部分施工方案十分不規范，也沒有采用合理、科學的施工工藝，出現返工問題，會對精裝修的施工質量與效率產生不良影響。

1)4種不同條件下兩種模型的反射系數變化趨勢相同，均隨著相對寬度B/L的的增大而增大，即隨著波長的增加兩種模型的反射系數均減小。

2)在波陡H/L=0.03時，兩種模型的反射系數均大于0.5，而在波陡H/L=0.05時，兩種模型的反射系數最小在0.4左右。兩種模型在相同條件下的反射系數大小相近，說明改變箱型底部結構在該試驗條件下對于反射系數的影響不大。

圖5 兩種模型反射系數Kr比較

2.3 對稱波形底與平底箱型水面防波堤能量損耗系數比較分析

圖6給出了4種情況下兩種模型能量損耗系數Kl隨相對寬度B/L變化的比較。

從圖6中可以看出：

1)4種不同條件下兩種模型的能量損耗系數的變化趨勢相同，且均在相對寬度B/L接近0.15～0.25時，能量損耗系數達到最大。

圖6 兩種模型能量損耗系數Kl比較

2)當相對寬度B/L大于0.3，兩種模型的能量損耗系數大小相近；當相對寬度B/L小于0.3時，對稱波形底箱模型的能量損耗系數均大于平底箱模型，即對稱波形底箱模型在與波浪相互作用時對于波能的損耗效果要優于平底箱模型。綜合來說，兩種模型對波長較短波的波能的損耗效果區別不大，但是隨著波長的增加，對稱波形底箱模型在與波浪相互作用時對于波能的損耗效果相較于平底箱模型更好，且優勢愈發明顯。

3 結論

1)兩種防波堤的透射、反射及能量損耗系數隨相對寬度B/L變化趨勢相同。在箱寬一定的條件下，兩種防波堤的透射系數隨著波長的增大而增大、反射系數隨波長的增大而減小。

2)波陡對于兩種模型的透射系數影響較小，浸深對兩種模型的透射系數的影響比較大。在相同試驗條件下，對稱波形底箱型水面防波堤的透射系數均小于平底箱型水面防波堤，即對稱波形底箱型水面防波堤的消波性能更好，增加的消波效果高達60%左右。

3)在本試驗的條件下，兩種防波堤的反射系數相差無幾，說明改變箱型底部結構對于防波堤反射性能的影響不大。

4)當B/L小于0.3時，兩種模型的能量損耗系數相近，隨著B/L的增大，對稱波形底箱型水面防波堤的能量損耗系數明顯要大于平底箱型水面防波堤，即隨著波長的增加，對稱波形底箱型水面防波堤對于波能的損耗要強于平底箱型水面防波堤。