雙平板式透空堤消能效果評價方法

張之晨, 李雪艷, 2, 王 慶, 高浩杰, 謝 天, 戰 超, 王玉坤

雙平板式透空堤消能效果評價方法

張之晨1, 李雪艷1, 2, 王 慶1, 高浩杰1, 謝 天1, 戰 超1, 王玉坤1

(1. 魯東大學 海岸研究所, 山東 煙臺 264025; 2. 魯東大學 跨海工程研究院, 山東 煙臺 264025)

雙平板式透空堤具有較為優越的消浪性能備受專家學者關注。目前關于其消浪性能的評價多采用透射波高法開展, 僅考慮波高一個參數。本文采用透射波高法、波浪能量法和波能流法分別對平板式透空堤的消能效果進行評價, 結果表明, 綜合考慮波高、水深和周期三個參數的波能流法更加全面與深入。探討了雙平板式透空堤迎浪向與背浪向處波能流的主要影響因素, 結果表明, 相對板寬、位置參數和波高大小對波能流的影響較板間距和潛深更加顯著。

雙平板; 透空堤; 波能流; 消能效果

與重力式防波堤相比, 平板式透空堤的工程造價較低且利于港區內外水體自由交換, 可有效減小漲落潮時口門流速, 對海洋生態環境影響小, 是一種環境友好、符合海洋生態文明建設要求的新型防波堤。近年來, 平板式透空堤的相關研究備受專家學者關注。

平板式透空堤研究始于上世紀中葉[1], 主要討論其消浪性能和流場特性[2-6]。鑒于潮汐變化影響, 單層平板式透空堤在大潮差海域的應用受到限制。隨后, 雙層和多層平板式透空堤受到廣泛關注和研究[7-10]。多層潛式平板式透空堤的透射和反射系數受相對板寬、頂層板相對潛深和相對水深[11]的影響較顯著。與單層平板式透空堤相比, 平板的層數達到3層或以上時的消浪效果并沒有顯著增強[12-13]。相對板寬是影響平板式透空堤透射系數的主要因素, 位于靜水面附近時的消浪效果最為顯著, 其消浪效果要優于單層平板式透空堤[14]。波浪經過淹沒平板式透空堤時, 水平板底部產生均勻振蕩流, 則可將淹沒水平板式透空堤視為消浪兼獲能裝置[15]。

目前有關平板式透空堤的研究多以透射波高計算透射系數來衡量結構的消浪性能, 鮮有從波能流的角度去評價其消浪效果。尤再進等[16]應用“跨零-能量”法推導了規則波與不規則波浪作用時, 任意水深條件下波能流的理論計算公式。本文將采用該公式計算不同情境下的波能流, 并與透射波高法和波浪能量法進行比較, 同時探討了波能流的影響因素。

1 試驗設置

本次試驗在魯東大學港口航道與海岸工程實驗中心的的波流水槽中開展(圖1)。水槽長60.0 m、寬2.0 m、高1.8 m, 最大工作水深1.5 m, 水槽一端配備有伺服電機驅動的推板式造波機, 可產生平穩、重復性好的規則波浪。水槽另一端端消浪區鋪設有不規則石塊, 用以減弱槽壁波浪反射。采用有機玻璃將水槽分割為80 cm和120 cm寬的兩條小水槽, 雙平板式透空堤放置于80 cm寬水槽的中后段。采用天津港灣工程研究院生產的DS30型多點波高采集系統監測不同位置的波浪高程, 采集時間間隔為0.02 s。在透空堤迎浪向一倍波長之外布置2根浪高儀N1和N2, 其間距不等于半波長的整數倍, 用以監測透空堤前的波高變化, 與結構物后的波高變化形成對比以便消浪效果分析。在透空堤背浪向一倍波長外布置2根浪高儀N3和N4, 用以監測透空堤后的波高變化。雙平板式透空堤物模試驗的水槽布置示意圖詳見圖2所示。

圖1 試驗用大型波流水槽

圖2 雙平板式透空堤水槽試驗示意圖

試驗模型為雙平板式透空堤(圖3a), 采用有機玻璃制作。根據實際工程透空堤尺寸, 本文依據重力相似準則, 按照1︰25的比尺設計模型尺寸, 因此模型實際長度為19.75 m, 寬11.25 m, 厚度為0.25 m; 對應實際海域波高為1.5 m、2.5 m, 實際波長為53~109 m, 實際周期為我國大部分海域周期6~10 s。透空堤沿波浪傳播方向的寬度為0.45 m, 沿波峰線方向的長度為0.79 m, 兩塊平板的厚度均為0.01 m, 板間距為0.05 m和0.09 m。以板間距為0.05 m、位于靜水面處的板式透空堤為例, 示意圖詳見圖3b所示。通過預留在平板四個頂角上的柱子孔, 將板式透空堤穿過焊接在水槽底部的四根螺桿上, 通過移動螺母的位置改變平板距靜水面的距離及兩層板之間的板間距, 來實現物理模型試驗所要求的不同潛深和不同板間距的要求。同時, 上方橫梁支架經由長柱和兩根橫桿與下部四根螺桿連接固定, 保證板式透空堤在試驗過程中不發生移動。

圖3 透空式防波堤結構

試驗采用規則波, 水深為0.60 m, 波高分別為0.06 m、0.10 m, 波浪周期分別為1.2 s、1.4 s、1.6 s、1.8 s和2.0 s, 潛深分別為–0.03 m(表示上層板上表面位于靜水面上0.03 m)、0 m(表示上層板上表面與靜水面齊平)、0.03 m(表示上層板上表面位于靜水面下0.03 m), 試驗參數如表1所示。采用不同波高、周期、潛深和板間距的組合, 共確定試驗組次50組。為減小試驗誤差, 每個組次均重復試驗3次, 試驗結果取3次的平均值。

表1 試驗參數

2 消能效果評價方法

本節將分別從透射波高法、波浪能量法和波能流法共3種方法探討平板式透空堤的消能效果。透射波高法[17-18]主要通過在結構背浪向布置浪高儀, 監測波浪作用于透空堤后的波面高程, 用H表示。

波浪能量分析法是近似利用線性波浪理論的波能計算公式[19], 分析波浪作用于透空堤后的能量變化, 具體計算公式見方程(1)所示。

波能流[20-21]又稱波功率是用來描繪波浪傳播或輸送波浪能量的能力, 在風區內, 由于風輸送能量到水體使得水體產生波動。風區外, 水體產生的波浪保持運動自由傳播到淺水區, 其波能也繼續向前傳遞, 在淺水區波能受底部摩擦和波浪破碎的影響將大部分能量消耗掉, 其余的能量消耗到波浪的海灘爬高上。從波面到任意水深的波能流如公式(2)所示[16]。

海水密度=1 028.1 kg/m3, 重力加速度=9.81 m/s2, 波高取m計算, 波周期取s計算。為波數,=2π/,=2πh/表示相對水深。總結來說波能流法綜合考慮了波高、周期和水深, 探討波浪作用于透空堤后的波能流變化具有一定的說服力。

2.1 透射波高法

圖4給出了水深=0.60 m, 潛深分別為–0.03 m、0 m和0.03 m情況下, 雙平板式透空堤背浪向N3和N4監測波高與入射波高比較圖。橫坐標0為入射波高值(即實驗設計波高值0.06 m和0.10 m), 縱坐標分別為不同位置所監測波高值。3和4分別代表N3和N4處所監測的波高。圖中斜率為1的直線代表無結構時的波高與有結構時的波高相等時的情況。由圖可知, 雙平板式透空堤背浪向2根浪高儀所監測的波高值均小于入射波高值。可見, 雙平板式透空堤能夠顯著減小其后的波高幅值, 可起到較好的消浪效果。三種不同潛深情況下, 波高削減幅度在10.4%至64.9%之間。

圖4 不同位置所監測波浪高程比較

2.2 波浪能量法

圖5給出了水深=0.60 m, 潛深分別為–0.03 m、0 m和0.03 m情況下, 雙平板式透空堤背浪向N3和N4監測位置處的波浪能量比較。橫坐標為無雙平板式透空堤時的平均波浪能量, 縱坐標為雙平板式透空堤作用下的平均波浪能量。3和4分別代表N3和N4位置處的平均波浪能量。圖中斜率為1的直線代表無結構時的波浪能量與有結構時的波浪能量相等時的情況。由圖可知, 不同潛深情況下, 雙平板式透空堤背浪向不同位置處所計算的平均波浪能量均小于無結構時的平均波浪能量。可見, 雙平板式透空堤能夠顯著削減波浪能量。三種不同潛深情況下, 波浪能量削減的幅度不同, 潛深為–0.03 m, 即平板式透空堤處于出水狀態時的消浪效果最顯著, 波浪能量削減幅度在36.1%至82.6%之間。波浪能量的計算中涉及波高的平方, 而沒有引入其他波浪參數, 故其對消浪效果的評價與透射波高分析法比較類似, 圖中數據點較為單一集中, 且受波高影響顯著。

圖5 不同監測位置處波浪能量比較

2.3 波能流法

圖6給出了水深=0.60 m, 潛深分別為–0.03 m、0 m和0.03 m情況下, 雙平板式透空堤背浪向N3和N4監測位置處的波浪流比較。橫坐標為無結構時計算的平均波能流, 縱坐標為雙平板式透空堤存在時計算的平均波能流,3和4分別代表N3和N4位置處的平均波能流。圖中斜率為1的直線代表無結構計算的波能流與有結構計算的波能流相等時的情況。由圖可知, 雙平板式透空堤背浪向的平均波能流均小于無結構時的平均波能流, 減小幅度在19.6%~82.6%之間。由于波能流的計算中引入了周期和水深, 故其更能深入反映能量的分布與變化。

上文所述三種方法分別從雙平板式透空堤背浪向的透射波高、波浪能量和波能流大小進行分析, 評價結構的消浪性能。從圖4和圖5中的數據點可以看出, 由于透射波高法和波浪能量法僅考慮了波高一個變量, 故其結果受波高影響顯著, 所有數據點在同一波高位置成直線分布。波能流法除考慮波高外, 還綜合考慮了周期和水深兩個變量, 可以更加深入地反映雙平板式透空堤作用后的能量變化情況。

3 波能流的影響因素

3.1 板前與板后不同位置

圖7給出了在水深=0.60 m時、不同波高、板間距、潛深情況下, 雙平板式透空堤迎浪向N2與背浪向N3波能流大小的比較。橫坐標為無量綱變量; 縱坐標為波能流, 單位W/m。黑色方點代表N2位置處波能流, 紅色圓點代表N3位置處波能流。由圖可知, 雙平板式透空堤背浪向處的波能流較其迎浪向處顯著減小, 透空堤的消浪效果較為優良。在= 1.78和1.39(即周期=1.2 s和1.4 s)時, 雙平板式透空堤的消浪效果最為顯著, 背浪向較迎浪向的波能流減小了約80%; 當=0.99和0.86(即周期=1.8 s和2.0 s)時, 雙平板式透空堤的消浪效果相對較弱, 背浪向較迎浪向的波能流減小了約40%。隨著增大, 雙平板式透空堤背浪向與迎浪向的波能流差距也增大, 即在小周期作用時, 雙平板式透空堤的消浪效果更為顯著。

圖6 不同監測位置處波能流比較

圖7 浪高儀位置對波能流的影響

3.2 入射波高

圖8給出了水深=0.60 m、板間距為=0.05 m時、不同潛深情況下, 入射波高對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向波能流的影響。2代表透空堤迎浪向N2位置處的波能流,3代表透空堤背浪向N3位置處的波能流, 單位為W/m。黑色方點代表波高為0.06 m時的波能流, 紅色圓點代表波高為0.10 m時的波能流。

圖8 入射波高對波能流的影響

雙平板式透空堤迎浪向與背浪向處的波能流均隨入射波高的增大呈現增大趨勢(圖8)。迎浪向N2處的波能流隨的增大呈現先減小后增大的趨勢(圖8a、8b和8c)。=1.15時波能流最小, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為6.6 W/m和16.3 W/m;=1.39時波能流最大, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為11.2 W/m和32.5 W/m。波高由0.06米增大至0.10m時, 雙平板式透空堤迎浪向處的波能流增幅約在1.2~2.0倍(圖8a、8b和8c)。背浪向N3處的波能流隨的增大而減小(圖8d、8e和8f)。=0.86時波能流最大, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為5.0 W/m和18.1 W/m;=1.78時波能流最小, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為0.9 W/m和3.9 W/m。波高由0.06 m增大至0.10 m時, 雙平板式透空堤背浪向處的波能流增幅約在1.9~3.6倍范圍內變化(圖8d、8e和8f)。

3.3 板間距

圖9給出了水深=0.60 m、潛深=–0.03 m時, 不同波高情況下, 板間距對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向波能流的影響。黑色方點代表板間距= 0.05 m時的波能流, 紅色圓點代表板間距=0.09 m時的波能流。板間距對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向的波能流影響不顯著; 迎浪向N2處時, 板間距=0.05 m情況下的波能流較板間距=0.09 m時的波能流大, 而在背浪向N3處時, 其規律相反(圖9)。迎浪向N2處時, 板間距=0.05 m時的波能流較板間距=0.09 m時波能流的增大幅值約在2.3%~21.4%范圍內變化(圖9a和圖9b)。波高=0.06 m、=0.99時, 板間距=0.05 m時的波能流較板間距=0.09 m時的增大幅度最大, 約為21.4%(圖9a)。波高=0.10 m、=1.78時, 板間距=0.05 m時的波能流較板間距=0.09 m時的增大幅度最大, 約為17.9%(圖9b)。背浪向N3處時, 除波高=0.06 m、=0.86情況下, 板間距=0.05 m時的波能流較板間距=0.09 m時波能流約減小39.2%外, 其余工況下的變化均較小, 約在5%左右(圖9c和圖9d)。

圖9 板間距對波能流的影響

3.4 潛深

圖10給出了水深=0.60 m、板間距=0.05 m時, 不同波高情況下, 潛深對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向波能流的影響。黑色方點代表潛深= –0.03 m時的波能流, 紅色圓點代表潛深=0 m時的波能流, 藍色三角點代表潛深=0.03 m時的波能流。潛深對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向的波能流影響較為明顯; 迎浪向N2處時, 潛深=–0.03 m情況下的波能流最大, 潛深=0.03 m情況下的波能流最小, 潛深=0 m情況下的波能流居中(圖10a和圖10b)。即雙平板式透空堤位于靜水面之上時的波能流最大, 位于靜水面之下時的波能流最小, 位于靜水面時的波能流居中; 背浪向N3處時, 潛深=–0.03 m情況下的波能流最小, 潛深=0.03 m情況下的波能流最大, 潛深=0 m情況下的波能流居中(圖10c和圖10d)。迎浪向N2處時, 潛深=–0.03 m情況下的波能流較潛深=0.03 m情況下的波能流增幅約在3.2%至26.6%范圍內變化(圖10a和圖10b); 背浪向N3處時, 潛深=0.03 m情況下的波能流較潛深=–0.03 m情況下的波能流增幅約在7.1%~83.1%范圍內變化(圖10c和圖10d)。

3.5 相對板寬

圖11給出了水深=0.60m、板間距=0.05 m時, 不同波高和潛深情況下, 相對板寬對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向波能流的影響。橫坐標為相對板寬/, 縱坐標為波能流。黑色方點代表波高為0.06 m時的波能流, 紅色圓點代表波高為0.10 m時的波能流。迎浪向N2處的波能流隨相對板寬的增大呈現先減小后增大的趨勢(圖11a、11b和11c)。/=0.14時波能流最小, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為6.6W/m和16.3W/m;/=0.17時波能流最大, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為11.2 W/m和32.5 W/m。背浪向N3處的波能流隨相對板寬的增大而減小(圖11d、11e和11f)。/=0.10時波能流最大, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為5.0 W/m和18.1 W/m;/=0.21時波能流最小, 在波高=0.06 m和0.10 m時的值分別為0.9 W/m和3.9 W/m。結果表明, 背浪向波能流隨相對板寬的增大而不斷減小, 當相對板寬大于0.17時背浪向波能流更小, 消能效果更加明顯。

圖10 潛深對波能流的影響

4 波能流擬合公式

根據公式(3)波能流計算公式, 將波能流進行無量綱化處理, 并擬合給出與相對板寬相關的函數關系式, 如式(4)所示:

其中, 系數取值如下:

1=8.944,2=–4.374,3=0.652,4=–0.023,

最終得到擬合公式如下:

其中, 0.10≤/≤0.21。

5 結論

1) 本文對平板式透空堤消能效果的三種評價方法進行了探討, 建議采用能夠綜合考慮波高、周期和水深三個參數的波能流法進行消能效果的評價。

2) 波能流受所在的位置影響顯著, 雙平板式透空堤背浪向處的波能流較迎浪向的波能流約減小40%至80%, 透空堤的消浪效果較為優良。隨著增大, 雙平板式透空堤背浪向與迎浪向的波能流差距更加顯著; 小周期作用時, 雙平板式透空堤的消浪效果更為顯著。

3) 雙平板式透空堤迎浪向與背浪向處的波能流均隨入射波高的增大呈現增大趨勢。兩種不同波高情況下背浪向處的波能流隨的增大而減小。波高由0.06 m增大至0.10 m時, 雙平板式透空堤迎浪向處的波能流約增大1.2~2.0倍, 背浪向處的波能流約增大1.9~3.6倍。

圖11 相對板寬對波能流的影響

4) 板間距對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向處的波能流影響不顯著。潛深對雙平板式透空堤迎浪向與背浪向的波能流影響較為明顯, 不同潛深條件下, 波能流的變化差異較大。

5) 相對板寬和相對水深對背浪向波能流影響較為明顯。背浪向波能流隨相對板寬的增大而減小, 當/>0.17時, 雙平板式透空堤消能效果更加明顯。相對水深對背浪向波能流的影響與相對板寬相似, 當>1.39時, 雙平板式透空堤消能效果顯著。

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Evaluation method of the energy dissipation effect of a double-flat-slab open dike

ZHANG Zhi-chen1, LI Xue-yan1, 2, WANG Qing1, GAO Hao-jie1, XIE Tian1, ZHAN Chao1, WANG Yu-kun1

(1. Coast Institute, Ludong University, Yantai 264025, China; 2. Institute of Sea-Crossing Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China)

Experts and scholars have understood the excellent wave dissipation performance of double-flat-slab permeable breakwater. At present, the transmission wave-height method is used to evaluate wave attenuation performance, and only one parameter of wave height is considered. In this study, the transmission wave-height, wave-energy flow, and wave-energy flow methods are used to evaluate the energy dissipation effect of the flat permeable breakwater. The results show that the wave-energy flow method that considers wave height, water depth, and period is the most comprehensive and in-depth method. The main influencing factors of wave-energy flow in the upstream and downstream directions of the double plate permeable breakwater are discussed. The results show that the influence of relative plate width, location parameters, and wave height on wave-energy flow is more significant than that of plate spacing and depth. The research results of this study can provide some reference for the study of the energy dissipation effect of the open dike.

Double plate; Permeable breakwater; Wave-energy flow; Energy dissipation effect

Jul. 8, 2020

U656.2

A

1000-3096(2021)04-0159-11

10.11759/hykx20200708003

2020-07-08;

2020-11-27

NSFC-山東聯合基金項目(U1706220); 國家自然科學基金項目(51709140; 41901006; 41471005); 國家重點研發課題(2017YFC0505902); 山東省自然科學基金項目(ZR2019BD005; ZR2018MEE051)

[NSFC-Shandong Joint Fund Project, No.U1706220; Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.51709140, No.41901006, No.41471005; The National Key Research and Development Program of China, No.2017YFC0505902; Natural Science Foundation of Shandong Province, No.ZR2019BD005, No.ZR2018MEE051]

張之晨(1998—), 男, 山東聊城人, 碩士研究生, 主要從事波浪與海洋結構物相互作用研究, E-mail: 15615556322@163.com; 李雪艷(1980—),通信作者, 博士, 教授, E-mail: yanzi03@126.com

(本文編輯: 康亦兼)