立管-水平板結構消浪特性試驗研究

2020-12-11 01:56:24初岳峰劉必勁王立輝傅丹娟方文

海洋通報 2020年4期

初岳峰，劉必勁，王立輝，傅丹娟，方文

（1.福州大學土木工程學院，福建福州 350108；2.廈門理工學院土木工程與建筑學院，福建廈門 361024）

隨著“加快建設海洋強國”戰略的不斷推進，我國的海洋工程建設正逐步從近岸港灣淺水水域向無掩護的深水開放水域發展，在港口和海上構筑物的建設中，防波堤是其中重要的一環。防波堤可分為重型和輕型兩大類，傳統的重型防波堤為坐底式結構，堤身多為鋼筋混凝土或天然塊石構成的不透水結構；輕型防波堤主要包括透空堤和浮堤等，它們利用波浪能集中于水體表層的特點研究設計而成。相比傳統的重型防波堤，輕型防波堤可適應水深較大、地基松軟、大潮差以及引入水交換改善港內水質等情況，且建造方便、成本低，可拆卸遷移（王永學等，2002；Biesheuvel，2013；沈雨生等，2016），已成為當今研究的熱點。目前，透空堤和浮堤在國內外已有很多實際工程應用（Briggs et al，2002；Dykstra et al，2011）。

透空式防波堤由上部的消浪結構和下部的支撐結構組成。上部結構為箱式或擋板式，下部結構為柱式或框架式等。浮式防波堤通常由上部的浮體和下部的錨泊系統組成。根據浮體結構的不同，浮式防波堤主要分為浮箱式、浮筒式、浮筏式以及其他形式（Mccartney，1985）。將消浪結構設置于波能集中的水面處，減少波能較小的深水處的用料，是透空堤和浮堤共同的設計理念。箱式結構是這兩種輕型防波堤的常見消浪結構，其構造簡單，依靠箱體對波浪的反射作用減少波浪透射。但缺點是其自身承受波浪力較大，不利于結構整體的穩定性，在箱式結構的基礎上改進的透空結構可以減小受力，同時增強堤身破碎波浪的能力。

近年來，國內外學者已經對透空堤和浮堤這兩種輕型防波堤進行了大量研究。Koraim 等（2011）通過實驗和理論研究了雙層立板透空堤規則波作用下的消浪性能，比較了不同波況和結構參數下的水動力特性。Shim 等（2013）設計了一種可供魚類棲息的透空式防波堤。Zhang 等（2014）根據已有的試驗資料，提出了透空式防波堤的透射系數經驗公式，與現有經驗公式和解析式進行對比，并驗證了其合理性。程永舟等（2016）通過模型試驗，研究了透空格柵板式防波堤在規則波作用下所受波浪點壓力和波浪總力的特征。Tereshchenko 等（2018）考慮沿岸泥沙流的影響，對透空堤進行了實驗和數值研究。Chioukh 等（2019）提出了一種改進的無網格奇異邊界法，用于分析規則波作用下透空堤的水動力性能。

浮式防波堤上部消浪結構的新設計層出不窮。在較為成熟的方箱結構的基礎上加以改進，是一種可行的方案。在方箱上增加水平板結構或類似的板狀消能件，是減少波浪透射簡單且有效的辦法（Chen et al，2012；董華洋等，2016；Liu et al，2019）。許多研究表明，開孔等透空結構對破碎波浪、摩擦消耗波能有很大幫助（侯勇等，2010；蔣昌波等，2012；胡文清等，2018），與單排方箱相比，雙排的組合結構消浪效果更好（Yang et al，2018；虞軍輝，2018；Ji et al，2019）。此外，還有更多其他形式的改良結構出現（王環宇，2010；李松喆等，2016；孫笠等，2019），綜合研究的結果表明這些新結構消浪性能優于傳統的矩形方箱。

本文提出一種立管-水平板結構，該結構可作為透空堤或浮堤的上部消浪結構。通過物理模型試驗，研究此結構固定于水面時的消浪特性。

1 試驗設計

1.1 試驗設備和測量裝置

本次物理模型試驗在波浪水槽中進行，水槽有效長度35 m，寬0.7 m，最大水深0.8 m，有效水深0.6 m。水槽造波系統為吸收式推板造波機，最大可模擬波高為0.2 m，最大可模擬周期為5 s，造波機在吸收模式下造波可以降低二次反射波對試驗的影響。在水槽首尾兩端均設置有多孔介質消能裝置，水槽末端在此基礎上還增設了鋼板制成的消能坡，進一步減少了水槽末端的反射。

1.2 模型制作

根據實際工程背景和試驗條件，模型按照幾何比尺1頤15 設計制作。模型的下部是兩塊水平布置的矩形復合材料板，在兩層平板的邊緣處打孔并插入PVC-U 材質圓管，頂部輔以條狀板材固定。

共制作了3 種尺寸的模型，3 種模型的立管高度均為250 mm，其中粗管的外徑32 mm，管壁厚2 mm，細管外徑16 mm，管壁厚1.5 mm，相鄰兩管之間的空隙寬度均為9 mm。矩形板長度均為690 mm，板厚均為15 mm。3 種模型的區別在于矩形板寬度，即結構寬度不同，分別為300 mm、440 mm、600 mm。

圖1 立管-水平板結構模型（單位：mm）

1.3 模型布置

模型布置處距離水槽前端10.5 m，并由連接在水槽側壁上方的鋼架剛性固定，使模型在波浪作用時與水槽邊壁保持相對靜止。在模型前后各布置一根電阻式浪高儀，固定位置均為距離模型4.5 m處，浪高儀的采樣間隔為0.05 s，每次試驗的采樣時間為50 s。試驗工況確定后，在未放置模型的空水槽中造波，通過1 號和2 號浪高儀的讀數率定全部所需的波浪要素。

2 號浪高儀用于測量透射波高，距離水槽末端20 m。為保證試驗數據準確性，50 s 的采樣時間內，取前段穩定數據用于計算，經試驗前的測試，此時2 號浪高儀讀數受水槽末端反射波影響較小，能夠較為準確地測得透射波高。每次試驗前均等待水面平靜，再進行造波。

圖2 模型布置

1.4 試驗工況

本次試驗均采用規則波，試驗水深均為0.5 m，共進行了不同寬度模型、不同波浪要素、不同吃水深度，以及不同布置形式的試驗。具體試驗工況如下。

表1 模型尺寸

表2 試驗組次

本文首先對3 個不同尺寸的模型分別進行了吃水深度為0.14 m 時，6 種周期和5 種波高組合工況的試驗，后續進行了特定工況下的吃水深度以及布置形式變化的試驗。

1.5 試驗數據處理

本次試驗以透射系數Kt作為衡量結構消浪性能的唯一指標，Kt的值越小，表示消浪性能越好。

式中：Hi為入射波高，即水槽中未放置模型時測得的波高；Ht為透射波高，即對應的試驗中2 號浪高儀讀數穩定段的波高。每種工況均進行3 次試驗，計算出對應的透射系數，最終結果為3 次試驗透射系數的平均數。

2 試驗結果分析

2.1 不同寬度模型的透射系數

首先根據有限水深波長計算公式

確定水深d = 0.5 m 時，不同周期對應的波長L，式中g 為重力加速度（m/s2）。

表3 試驗波長

圖3 給出了剛性固定的3 種寬度的模型，吃水深度為0.14 m，水深為0.5 m 時，在不同波高H 條件下透射系數Kt隨波長L 變化的情況。由圖3 可知，在同一波浪要素下，3 種寬度模型的透射系數Kt的大小排序為：模型1 躍模型2 躍模型3，即透射系數隨著結構寬度的增大而減小，結構寬度越大，消浪性能越好。在同一波高下，3 種寬度模型的透射系數Kt隨著波長的增大而增大，波長較大的波具有更大的能量，因而更難被消除。

圖3 不同寬度模型的透射系數Kt 隨波長L 的變化情況

2.2 模型單、雙排布置對透射系數的影響

將兩個寬度為0.30 m 的模型1 前后布置，剛性固定。兩模型之間的距離l=0.1 m，兩模型吃水深度相同，均為0.14 m。若認為此時的結構總寬度為兩個模型的寬度之和，即0.6 m，則此時其與單個的寬度為0.60 m 的模型3 具有相同的結構總寬度，將二者吃水深度同為0.14 m 時不同波浪要素下的透射系數進行對比。

圖4 對比了總寬度相同的模型雙排布置和單排布置時的透射系數變化情況，可以看出，相同波況下的透射系數，雙排布置的模型1 總是小于單排布置的模型3，平均減小了約10%，波高較小時二者相差更大。雖然二者的結構總寬度相同，但雙排布置的模型1 相較單排布置的模型3 增加了兩層迎浪面處的消浪結構，對波浪的干擾作用更強，因此透射系數較小。