柔性水囊潛堤消波特性的潰壩水槽試驗研究

陳本毅，趙西增，劉竹琴，周琪坤，卞 婧

(浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021)

潛堤是保護海岸、港口的重要海工結構物，具備消波、保灘促淤、有利于水體交換、不影響海岸景觀等優點[1-2]，隨著人類海上活動日益頻繁，其已得到廣泛建造和使用。然而，由于水下結構物與波浪相互作用的復雜性，給結構設計帶來了諸多挑戰。為此，國內外已有不少學者從潛堤結構型式、水動力特性、消波機理等方面[3-8]對其進行了深入研究，且關注的焦點多放在剛性潛堤。但剛性潛堤的體積和質量通常較大[9]，令其使用受到一定限制。而人工島礁、跨海橋梁、海洋平臺等離岸基礎設施建設發展迅猛[10]，迫切需要一種簡單便攜、拆裝方便的消浪結構物來對施工區域提供臨時防護，以避免因缺少適當的防護而影響施工從而增加成本。具有結構簡單、制造成本低、轉移方便等優點的柔性水囊潛堤逐漸受到人們的關注和認可。

柔性水囊潛堤，即潛堤表面采用橡膠等材料制成，內部充水，并做水密處理，形似半圓柱水囊。柔性水囊潛堤具備三大優勢：①作為一種柔性防波堤，和傳統的剛性防波堤相比，這種柔性結構不僅可作為臨時的、可損壞的防波堤，降低風暴潮天氣下波浪對港口、近岸海域及固定式防波堤的沖擊作用，而且可為臨時海上作業提供庇護[11-12]；②其構造簡單，制造施工快捷，只需在極端天氣來臨前注入填充料就可進入工作狀態，操作便捷，其拆卸和組裝效率更高；③柔性水囊潛堤采用的由熱塑性聚氨酯彈性體或聚氯乙烯材料[13]制作的薄膜可有效應對極端溫度變化，不易腐蝕，后期維護成本較低。

學者們通過理論分析[14-15]、數值模擬[16-17]和物理模型試驗[18]等手段開展了柔性水囊潛堤的表面變形特點、水動力特性和消波性能的研究。Phadke等[19]以圓柱薄殼理論為基礎，運用變分法推導了柔性水囊潛堤的控制方程，建立了有限元計算模型，發現潛堤內外流體密度比對其表面薄膜運動響應有著重要影響。Das等[20]建立了邊界元與有限元耦合模型，對計算出的潛堤表面薄膜變形響應和波面進行分析，發現柔性潛堤薄膜系統的共振振蕩可起到衰減入射波、降低透射波能的功能。由于薄膜結構的高柔度導致其表面畸變和幾何非線性[21]，使得理論分析和數值模擬具有一定的局限性，需通過物理模型試驗來檢驗其結果的合理性與適用性。Takumi等[22]分析了潛深、內壓等參數對半圓柱柔性水囊潛堤動態變形響應和消波性能的影響，結果表明潛堤表面柔性材料的彈性對波浪透射影響不大，而潛堤內部液體的壓強卻與透反射系數有著密切關系。Masahiro等[9]與Stamos等[18]通過對比半圓柱剛性潛堤和柔性水囊潛堤消波性能，皆發現柔性模型比剛性模型透射率更低，這主要因為柔性結構在波浪作用下產生的輻射波與入射波相互作用，從而使入射波能的耗散增加，故柔性潛堤比剛性的消波效果更好。不過，以上研究都是針對特定規則波和不規則波開展的，而對海上施工危害更大的是風暴潮、臺風和海嘯等極端環境，特別是我國南海更易遭受海嘯的侵襲[23]。為了進一步體現柔性水囊潛堤作為海上施工臨時防護結構物的優勢，擬將其拓展到極端災害波浪海嘯波。由于海嘯、涌潮等向岸傳播的過程與潰壩水流在物理機理上具有特定的一致性[24-26]，故常用較易實施的潰壩波來替代海嘯波并開展相關研究[27]。

在潰壩水槽中，采用物理模型試驗的方式，利用高速相機和浪高儀獲得水位變化數據，研究潰壩波與柔性水囊潛堤相互作用的過程，通過把柔性水囊潛堤同半圓柱剛性潛堤進行對比、調整柔性潛堤內部初始水壓、改變潛深，探究柔性水囊潛堤消波特性，可為海上施工過程中的臨時防護措施提供參考依據。

1 試驗介紹

1.1 試驗布置與儀器設備

試驗在港口航道與近岸工程實驗室內完成，潰壩水槽、重力式開門裝置和測量系統三部分組成了整個試驗裝置。潰壩水槽及相關模型設備布置如圖1所示，水槽尺寸為600 cm×40 cm×60 cm(長×寬×高)，閘門將整個水槽分為長度L0=200 cm的上游蓄水段和400 cm的下游試驗段。

圖1 試驗布置示意Fig. 1 Experimental set-up

水槽采用鋼化玻璃制成，槽底和側壁較為光滑。閘門由不銹鋼板制成，厚約0.1 cm，用鋼纜經過一套定滑輪組使其與重物相連，當釋放重物時，連接的鋼纜迅速帶動閘門向上運動，從而將閘門瞬間開啟，整個開啟過程用時極短，滿足瞬時潰壩條件[27]。試驗前關閉閘門，上游蓄水深度為hu，下游試驗為hd，使上下游形成水頭差h0，試驗時打開閘門形成潰壩波。

試驗中采用高速相機拍攝潛堤附近波面歷時形態，通過浪高儀記錄測點水位變化數據。高速相機采樣頻率設為200 Hz，像素為1 280×1 024。下游段布置兩個電容式浪高儀，測點位于水槽中間斷面上，堤前測點為G1，距閘門105 cm，堤后測點為G2，距閘門255 cm，采樣頻率100 Hz。

圖2 半圓柱潛堤模型尺寸示意Fig. 2 Dimensions of hemi-cylindrical breakwater model

1.2 試驗模型

試驗分別使用半圓柱柔性水囊潛堤和剛性潛堤兩套模型開展研究，兩者的底部和側面均為厚度0.3 cm的亞克力平板，側面圓心距閘門150 cm，如圖2所示，半圓柱半徑R=13 cm、長39 cm。兩種模型的區別在于其弧面所使用的材料，剛性結構模型為熱彎形成的厚度0.1 cm的亞克力材料，柔性結構模型為厚度0.1 cm、彈性模量3 MPa、硬度70ShoreA、密度1.24 g/cm3的氯丁橡膠薄膜，兩者所有邊緣的連接處均進行了水密處理。兩種模型均在其頂部靠邊緣處安裝有直徑φ=2 cm的塑料細管，通過細管向潛堤內部注滿水體，特別是柔性潛堤使用細管內水面高度與外部水槽水面高度的差值y來表征其內部水壓，模型注水達到所需條件后將細管密封，使模型內部初始水壓保持恒定。

1.3 工況設置

通過將柔性水囊潛堤試驗結果和剛性潛堤結果同相應潰壩初始條件下的空水槽結果進行對比，以分析防波堤與潰壩波相互作用。

試驗中，潰壩水頭差選取5組來產生不同的潰壩波高。對于柔性水囊潛堤內部壓強，選取了4組工況。下游初始水深hd分別設置兩組，即16 cm和20 cm，潛深d分別為3 cm和7 cm，以探究潛深對防波堤的影響，詳細數值見表1。其中，NM為空水槽，RM表示剛性潛堤模型，FM為柔性潛堤模型。

表1 剛性潛堤和柔性水囊潛堤模型試驗工況Tab. 1 Experimental runs for the rigid and flexible hemi-cylindrical submerged breakwaters

圖3 試驗重復性驗證Fig. 3 Verification of experimental repeatability

1.4 試驗重復性

為了避免試驗偶然性對結果的影響，每個工況分別進行了3次重復性試驗，以增強試驗的可靠性。如圖3為下游水深hd=16 cm、水頭差h0=20 cm、注水細管內外水面高差y=0 cm條件下，柔性水囊潛堤的重復性結果，橫軸是時間，縱軸為測點G2處水位h，曲線No.1、No.2和No.3分別代表的不同試驗次數，曲線Ave為三份數據的均值。由結果可見，試驗具有較高的重復性。

2 消波特性

2.1 波面變化

選取了具有代表性的三組工況，以分析柔性水囊潛堤和剛性潛堤與不同潰壩波高相互作用的特性。所選取工況的下游水深hd恒為16 cm，水頭差h0分別是5 cm、15 cm和20 cm，注水細管內外水面高差y=0 cm。圖4～6為在不同水頭差條件下，測點G1和G2水位變化結果。研究和分析波面形態變化，對理解潰壩波與結構物相互作用過程具有重要意義。

圖4 水頭差h0=5 cm時測點水位變化Fig. 4 Variations of water level，water head h0=5 cm

圖5 水頭差h0=10 cm時測點水位變化Fig. 5 Variations of water level，water head h0=10 cm

圖6 水頭差h0=15 cm時測點水位變化Fig. 6 Variations of water level，water head h0=15 cm

圖4中，h0=5 cm，潰壩波在1.40 s時到達堤前，1.63 s時已經越過潛堤，相互作用時間極短。由圖4(a)測點G1可見，潛堤作用會使潰壩水體在堤前產生涌高現象，這主要由潛堤對潰壩水流的阻擋造成。從圖4(b)測點G2結果中也能得到證實，堤前水位增高，越過潛堤的潰壩水體就相對減少，所以無論是柔性潛堤還是剛性潛堤，堤后測點水位相對于無結構物而言都已下降，無結構物時最大波高3.54 cm，剛性潛堤堤后最大波高3.16 cm，柔性潛堤堤后最大波高2.97 cm。其中柔性水囊潛堤下降得更加顯著，消波效果更佳。

圖5中，h0=10 cm，相較于圖4中h0=5 cm的結果，水頭差增大，潰壩波傳播速度加快。從圖5(b)測點G2的結果可知，經過潛堤作用，此時潰壩波高相較于無結構物時反而增高了，無結構物時最大波高6.96 cm，剛性潛堤堤后最大波高8.32 cm，柔性潛堤堤后最大波高8.23 cm。剛性和柔性水囊潛堤都產生了相同的現象，但后者峰值略低于前者。這是因為潰壩波在與潛堤作用之后，其波陡增加，潰壩波接近破碎的臨界狀態，所以波高不降反升。

圖6中，h0=15 cm，圖中無論是堤前還是堤后，柔性水囊潛堤的水位最大值都是最低。從圖6(a)測點G1可以看到，對比圖4(a)和圖5(a)結果，圖6中堤前測點波面變陡非常明顯。在圖6(b)測點G2結果中，相較于無潛堤的情況，堤后波高下降明顯，無結構物時最大波高12.81 cm，剛性潛堤堤后最大波高11.13 cm，柔性潛堤堤后最大波高10.47 cm。且經柔性水囊潛堤作用后的波浪峰值皆小于剛性潛堤，柔性水囊潛堤和剛性潛堤的堤后波面呈非線性特點。

綜合圖4～6可以看出，潰壩波與潛堤相互作用時，隨著潰壩水頭差的增大，堤前波面變陡，波浪傳播速度加快，與潛堤作用之后產生的非線性現象也同時增強。當潰壩波高增大到一定程度后，潰壩波最大水位衰減明顯。柔性水囊潛堤相對于剛性潛堤而言，無論在小水頭差還是大水頭差情況下，對潰壩水體的阻擋作用相對較弱，這表現在堤前水位相對較低。但柔性水囊潛堤堤后波高峰值均相對較小，此現象表明柔性水囊潛堤對潰壩波能的耗散強于剛性潛堤，其柔性結構對于增加波高衰減有著重要的影響。

2.2 無量綱分析

Lauber等[28]認為，某點無量綱最大水位Hm=h/h0只與水箱上游蓄水段相對長度λ=L0/h0有關。圖7為下游水深hd=16 cm、水細管內外水面高差y=0 cm的情況下，不同模型無量綱最大水位隨水頭變化情況。上游蓄水段長度L0恒定為200 cm，因此λ值從小到大代表水頭差h0從20 cm依次變化到5 cm。

圖7(a)為堤前測點G1的無量綱最大水位Hm隨水頭變化結果，在不同水頭差情況下，其值在0.67～0.82的區間內變化。其中，柔性水囊潛堤水位變化幅度較小。因為在不同波高作用下，柔性潛堤表面隨著波浪產生不同形變，形變程度與波高有關，使其堤前水位波動范圍也相應縮小，對潰壩水體的阻擋作用相對較弱，有利于保持堤前無量綱最大水位高度的穩定。λ=13.33時，剛性潛堤和無潛堤結果Hm達到最大值，而柔性水囊潛堤Hm卻相對于λ=20而言降低。在λ=40.00時，柔性水囊潛堤和剛性潛堤堤前無量綱最大水位都達到最小值，此時潰壩水頭差h0=5 cm，說明在小波高作用下，潛堤對潰壩波流的阻擋作用減弱。

圖7(b) 為堤后測點G2的無量綱最大水位Hm隨水頭變化結果。可見，隨著上下游水頭差增大，堤后測點G2處的波面峰值也逐漸上升。無潛堤時，Hm在λ=13.33處最大；而有潛堤時，Hm在λ=20處達到最大，但柔性水囊潛堤峰值比剛性峰值低；水頭差繼續增大，Hm峰值迅速下降，在λ=10處為所有工況最低值。這與第2.1節波面變化中的結果相對應：上下游水頭差h0=10 cm時，堤后波面非線性較強；h0=15 cm時，已經出現最大波高迅速衰減的情況。

圖7 不同模型無量綱最大水位隨水頭變化Fig. 7 The dimensionless maximum water level varies with the head in different models

為了進一步定量比較潛堤作用結果，將堤后測點G2的柔性水囊潛堤最大波高hf和剛性潛堤最大波高hr分別除以無潛堤結果hn，以更深入地研究兩者與潰壩波相互作用的特性，結果如圖8所示。

圖8 堤后測點G2處不同模型最大波高比隨水頭變化Fig. 8 At gauging point G2，the maximum wave height ratio varies with the head in different models

圖8中，在不同波高的潰壩波作用下，柔性水囊潛堤堤后波高均較剛性潛堤小。柔性水囊潛堤阻擋水體的作用弱于剛性潛堤，即柔性水囊潛堤的堤前最大波較低。但其堤后最大波高卻低于剛性潛堤，這是因為在波浪作用下，柔性水囊潛堤表面發生劇烈變形從而使波面產生相應改變，從Das等[20]的研究結果中可以看到，變形最嚴重的地方在潛堤表面中部區域。因為柔性水囊潛堤是一種多自由度的振蕩系統，其表面會隨波浪變化而發生非線性響應，而剛性潛堤無法做到這一點。正是柔性水囊潛堤表面的非線性變形，使其與潰壩波相互作用時加強了潰壩波能的耗散，于是才有如圖8所示，在大部分工況中，柔性水囊潛堤消波性能均優于剛性潛堤。在λ=33.33時，柔性和剛性潛堤消波效果差距最大，此時兩者堤后最大波高的比值相差了0.1，也就是說柔性潛堤使潰壩波最大水位已下降近10%，而剛性潛堤的下降值幾乎為零。而在λ=10.00和λ=20.00時，柔性和剛性潛堤堤后最大波高結果最接近。在λ=20.00時，柔性和剛性潛堤都發生了堤后波高增大的情況，這是因為潰壩波經潛堤作用后在堤后形成了一個接近破碎的極端波浪，由圖5測點G2的結果可以看到，波陡增加；在λ=10.00時，有潛堤作用的堤后測點波高結果相比無潛堤結果而言，已下降18%。總體而言，在初始水頭差較大(λ=10.00、λ=20.00)與初始水頭差較小(λ=40.00)時，柔性和剛性潛堤的堤后最大波高都已降低了10%以上。除了λ=10.00之外的其他工況中，柔性水囊潛堤堤后波高降低幅度皆大于剛性潛堤。在λ=10.00時，柔性潛堤和剛性潛堤消波效果差別也非常小，前者堤后最大波高已降低18.5%而后者為18%。

3 初始參數分析

3.1 內壓

柔性水囊潛堤內壓與其消波性能有非常密切的關系[18, 22]。柔性水囊潛堤是由內部密封水體和表面柔性材料組成的一個系統，改變內部液體的壓強，會對其系統的整體剛度產生直接影響。試驗在下游初始水深hd=16 cm的條件下，選取4組內壓工況來探究柔性潛堤內壓對其消波性能的影響。需要說明的是，試驗通過柔性水囊潛堤注水細管內外液面的高差y來表征內部壓強，因y為細管內水體液面高于管外液面的水柱高度，故在此之后都稱y為水柱高度。

圖9為不同內壓下無量綱最大水位Hm隨水頭變化結果。

圖9 不同內壓下無量綱最大水位隨水頭變化Fig. 9 The dimensionless maximum water level varies with the head at different internal pressures

如圖9(a)所示，潛堤前方測點G1的無量綱最大水位變化幅度較小。λ=13.33時，空水槽潰壩波因其非線性增強，峰值增大，但在柔性潛堤作用下，卻使其峰值減小。從圖9(b)測點G2可以看出，λ較大時，在水柱高度y=0條件下的無量綱最大水位Hm最低。隨著λ逐漸減小，波浪與潛堤作用的非線性增強，λ=20.00時，在不同內壓情況下，Hm皆達到在其各自條件下的最大值。其中，y=0的值最大，Hm=0.82。λ最小時，在水柱高度y=0的條件下無量綱最大水位也最小，為0.52。

圖10為柔性水囊潛堤在不同內壓條件下，測點G2處不同內壓下最大波高比隨水頭變化結果，橫軸為上游蓄水段相對長度λ，縱軸為柔性水囊潛堤最大水位hf與無潛堤結果hn的比值。當λ較大時，波浪與潛堤相互作用產生的非線性現象較弱，在水柱高度y=0條件下，消波性能最好。增加水柱高度y，會使柔性水囊潛堤整個系統的剛度增大，極端情況下會接近剛性潛堤的狀態，故而，在非線性現象較弱時，其消波性能會弱于水柱高度y=0的潛堤，這與增壓后整個剛性增強而產生的表面變形程度減弱有關。所以，當λ=40.00、33.33和25.00時，水柱高度y=4.5 cm的數值較大。隨著λ減小，潛堤與波浪作用非線性增強，在不同水柱高度條件下，都有先上升后減小的變化趨勢。但所有結果中，在水柱高度y=1 cm條件下，λ=13.33時，最小時降到了0.697，也就是說在柔性水囊潛堤作用下，潰壩波高可削減30%左右。可見柔性水囊潛堤能有效衰減潰壩波。

圖10 堤后測點G2處不同內壓下最大波高比隨水頭變化Fig. 10 At gauging point G2, the maximum wave height ratio varies with the head under different internal pressures

適當降低柔性水囊潛堤內壓能夠增強其消波能力，使潰壩波能被耗散的部分增大。降低內壓，能夠減小柔性水囊潛堤系統的整體剛度，其柔性表面在波浪作用時，變形程度加劇，對波浪的作用增強，產生更加明顯的波浪破碎和水氣摻混現象。

3.2 潛深

實際海況中，在潮流的作用下，海平面存在周期性漲落[29]，因此，探究柔性水囊潛堤在不同潛深條件下的消波特性，具有重要的現實意義。

潰壩波為水面波，其波能主要集中在水面附近，因此，潛深增加會使潛堤消波性能減弱。圖11為測點G2處不同潛深最大波高比隨水頭變化。

圖11 測點G2處不同潛深最大波高比值隨水頭變化Fig. 11 At gauging point G2, the maximum wave height ratio varies with the head at different depths

從圖11中可以看出，在水柱高度y=0 cm的條件下，潛深與下游初始水深比值d/hd=0.350(d/R=0.538)時，加上潛堤后，潰壩波面相對于d/hd=0.188(d/R=0.231)時變化減小。在λ=20時，d/hd=0.188時最大波高比在增大而d/hd=0.350的值卻反而在減小。λ減小到13.33后，d/hd=0.188時的波峰已迅速降低，而d/hd=0.350的波峰卻相對增高了。適當減小潛深，會提高潛堤消波性能[30]。但在工程實際應用中，如果潛深過小，一方面，會影響近岸景觀環境、不利于水體交換；另一方面，對潛堤穩定性要求增強，導致施工成本相應提高。通過更加細致深入的研究，找到柔性水囊潛堤的最佳潛深，對工程實際應用具有指導性意義。

4 結 語

在潰壩水槽中開展了潰壩波與柔性水囊潛堤相互作用過程的研究，發現柔性水囊潛堤可作為傳統潛堤的改進方案，能為海上施工提供有效的臨時防護以便工程項目順利推進，并得到如下結論：

1) 柔性水囊潛堤能夠用作臨時防波堤來衰減波浪，且消波性能甚至比剛性潛堤更佳。柔性水囊潛堤對潰壩水體的阻擋作用比剛性潛堤弱，堤前和堤后測點波高都相對較低，說明柔性結構能促進波能的耗散。在λ=33.33時，柔性和剛性潛堤消波效果差距最大。

2) 內部初始水壓會對柔性水囊潛堤消波效果產生重要影響，適當降低水囊內壓更有利于衰減波能。調整初始內壓會改變柔性水囊潛堤系統的整體剛度，使潛堤表面的形變程度發生改變，初始內壓相對較小時會獲得更好的消波效果，堤后最大波高衰減可達30%。

3) 增加潛深，使柔性水囊潛堤對潰壩波的影響程度降低，消波效果減弱。

柔性水囊潛堤有著廣泛的應用前景，它的諸多優點令其具備工程實際應用潛力。試驗可為后續開展相應的理論分析、數值模擬和試驗研究提供參考數據。