樁基開孔斜擋板消浪特性試驗研究

張之琳，黃本勝，吉紅香，李 明，程香菊

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2. 河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635；3. 廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；4. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

板式防波堤將擋板直接固定于打在深海中的樁基上，下部懸空，不僅施工方便、造價較低，還有利于港內外水沙交換，可有效防止泥沙淤積、保持港內良好水質條件。這種符合海洋生態(tài)文明建設的結構，利用擋板阻擋集中在表層水體中的大部分波浪能量的傳播，減小后方的透射波高，近年來在國內外工程中得以成功實施，具有廣闊的應用前景[1]。

堤后透射波高與堤前入射波高的比值(透浪系數)越小，擋板消浪性能越好。國內外學者對樁基擋板結構的透浪系數進行了理論推導[2-5]和試驗研究[6-8]。試驗結果表明，擋板相對入水深度是影響透浪系數的最主要因素。大量研究[1，8-10]得出在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下，透浪系數隨相對入水深度的增加而減小的結論。數模試驗[10-11]和理論解析[12]也得出同樣結論。但唐雯等[13]對規(guī)則波試驗得出防波堤出水后的消浪性能優(yōu)于淹沒狀態(tài)下的結論。可見對擋板入水深度影響的研究還未形成統一規(guī)律，有待進一步開展。

現有研究多為垂直檔板結構，而范玉平等[14]表明在相同水深和波浪要素時，開孔斜擋板的透浪系數均比開孔平擋板小；虞丹君等[15]的結果也顯示開孔擋板所受相對波壓強明顯小于不開孔擋板。而且，對海嘯波的消減作用是防波堤保障水安全的重要體現，但現有文獻中少有對海嘯波等極端氣候條件下擋板性能的研究。因此，本文考慮不規(guī)則波和孤立波作用，研究擋板入水深度對樁基開孔斜擋板消浪特性的影響，對護岸工程技術應用具有實用價值。

1 物理模型試驗概況

1.1 試驗設備

物理模型試驗在廣東省水利水電科學研究院水動力學應用研究重點實驗室的波浪水槽中進行。水槽長80.0 m、寬1.8 m、高2.6 m，其工作水深范圍為0.2～2.0 m，平均波高范圍為0.05～0.8 m，平均波浪周期范圍為0.5～5.0 m。水槽的一端配有造波設備和造流設備，可通過造波系統軟件控制推波板造出試驗所需波浪。另一端為消波裝置，用來減少波浪反射對試驗帶來的影響。

1.2 試驗模型及試驗布置

廣東沿海護岸工程多受重力波影響，本次模型按重力相似原則進行設計。試驗模型所使用的長度比尺取為1：10。造波機后約39.7 m布設1：20的緩坡將平臺墊高0.5 m，模擬原型中從深海到近海的過程。在平臺上穩(wěn)定6.6 m后布設擋波板樁基，其中樁基為前后各傾斜15°的三角架；擋板寬40 cm，梅花形布設開孔，孔直徑為2.5 cm，透空率為9.8%。以汕尾市海濱大道西段為原型布設斷面，包括3.2 m長的拋石護岸、4.2 m長的綠化帶及機動車道(見圖1)。

圖1 波浪水槽布置全局示意

試驗共設置7支電容式波高儀(G1～G7)測量波高的沿程變化；其中擋板前每隔1.0 m布設1支，擋板1.5 m后每隔0.5 m布設1支。設置7臺壓力傳感器(P1～P7)測量地面和堤面所受壓力的延程變化(見圖 2)。護岸越浪量的測量是在堤頂機動車道后安裝容器收集越頂水體，然后稱重得到越浪量。

圖2 波浪水槽及模型布置局部示意

1.3 試驗內容

水位設計為1.0 m，對應的灘地水深為0.5 m。造波機所造不規(guī)則波來自原型工程所在海域水深5.0 m處重現期為100年一遇工況，對應模型中有效波高為0.202 m，周期為3.746 s，試驗采集1/10H、1/3H兩種波高；所造孤立波設計最大波高為0.340 m，周期為1.732 s，試驗采集最大波高Hmax。

試驗重點研究擋板入水深度對波浪的消減作用，分別以a、b代表擋板在靜水面以上、以下寬度，單位為cm。試驗包括a、b為30/10、20/20、10/30、0/40及無擋板空白試驗5種工況，前4種工況對應相對入水深度為0.2、0.4、0.6、0.8。各組試驗造波時長330 s，重復3次取平均值。

2 結果分析與討論

2.1 擋板入水深度對越浪量的影響

海堤最重要的作用之一是減少越浪，本試驗通過對不同工況下越浪量進行測量研究擋板對消減越浪的作用。不同工況下越浪量占無擋板空白試驗的百分比見圖 3。結果表明，擋板對減少越浪量具有明顯作用；板在水下寬度10 cm即可消減75%以上的越浪；隨著入水深度增大到30 cm，幾乎沒有越浪發(fā)生；但當擋板全部在水下后，越浪量稍有回升。這一規(guī)律為在一定范圍內擋板入水深度越大透射的波浪能量越少，與前述多位學者結果相通；但同時擋板淹沒狀態(tài)下消浪性能差于出水擋板，與唐雯等[13]結果一致。李宗偉[16]對規(guī)則波的物模和數模試驗結果表明，隨著相對入水深度從0.4 逐步增加至0.8，擋板防波堤透浪系數可降低50%。可見，擋板入水深度正作用于消減波能只在一定范圍內成立；整體來說，入水深度的影響不是單調的。

圖3 不同擋板入水深度工況下越浪量占空白試驗百分比

另一方面，試驗工況中，擋板對孤立波的作用略好于不規(guī)則波，這對沿海地區(qū)保障水安全具有積極意義。

2.2 擋板入水深度對透射波高的影響

堤后透射波高反應擋板作用后波浪剩余的能量。不規(guī)則波作用時，本文考慮1/10H和1/3H兩種波高；前者體現不規(guī)則波中的波高較大的波，后者則體現波高相對較小的波。圖 4顯示不規(guī)則波和孤立波通過擋板后波高較無擋板空白試驗消減的百分比，其值為擋板后5臺波高儀(G3～G7)數據分析后的平均值。結果表明，試驗工況中，擋板對沿程平均波高消減程度為10%～24%。

圖4 波高較無擋板消減百分比

擋板入水深度對不規(guī)則波和孤立波消減作用的影響有差異。不規(guī)則波作用下，隨著入水深度增加，對1/10H的消減作用增加，對1/3H的消減作用先增加后趨于平緩；這反映波浪在傳播過程中大部分能量都集中在表層水體內[8]。孤立波作用下，擋板入水深度為20 cm時效果最好，此時擋板出水部分對消減波浪起到關鍵作用；隨著入水深度增加，對波高消減作用減小；這與通過規(guī)則波和不規(guī)則波試驗得出的結論明顯不同。考慮日常不規(guī)則波和極端氣候孤立波，建議實際設計擋板時需根據實地斷面及波浪要素進行確定。

2.3 擋板入水深度對波壓力的影響

波浪不斷拍打堤岸，對堤岸所受波壓力的研究有利于研判堤岸穩(wěn)定性。圖 5為不規(guī)則波和孤立波作用下，斷面所受最大正/負波壓力較無擋板空白試驗消減的百分比；由于部分工況下波浪未到達P6處，其值為5臺壓力傳感器(P1～P5)數據分析后的平均值。結果顯示，有無擋板對斷面所受最大波壓力的影響有限，在±11%以內；不規(guī)則波作用下，擋板稍微增加斷面所受最大正波壓力且減小最大負波壓力；孤立波作用下，擋板的影響相反。同時，擋板入水深度對波壓力的影響不明顯。

圖5 不規(guī)則波和孤立波最大正/負波壓力消減百分比

3 結語

本文通過大比尺物理模型試驗，研究了不規(guī)則波和孤立波作用下，擋板入水深度對樁基斜擋板消浪作用的影響，相關參數包括越浪量、透射波高和最大波壓力，具體結論如下：

1) 布置擋板可以有效減少越浪量，消減率為75%以上，具有保障水安全的作用。

2) 入水深度對擋板消浪作用的影響不是單調的。試驗工況中灘地水深0.5 m，對于越浪量，40 cm寬擋板在水下寬度為30 cm時消減作用最好；對于不規(guī)則波波高，擋板剛好淹沒時效果最好；對于孤立波波高，擋板入水深度為20 cm時最好。

3) 有無擋板對斷面所受最大波壓力的影響有限，在±11%以內，且擋板入水深度的影響不明顯。

4) 本文為機理研究，實際設計中應綜合考慮越浪量、透射波高等參數設計擋板布置條件，建議結合實際需求根據實地斷面及波浪要素進行確定。