自由水面式半圓體開孔海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)研究

翟 鋼 軍， 馬 哲， Teh Hee－min， Vengatesan Venugopal

（1.大連理工大學(xué) 深海工程研究中心，遼寧 大連 116024；2.愛丁堡大學(xué) 能源系統(tǒng)研究所，英國(guó) 愛丁堡 EH9 3JL）

0 引 言

近年來，相對(duì)傳統(tǒng)的海洋工程結(jié)構(gòu)物型式，建造對(duì)自然影響更小的“軟性結(jié)構(gòu)”已成為國(guó)外研究熱點(diǎn).“軟性結(jié)構(gòu)”指的是為了維護(hù)海岸結(jié)構(gòu)的天然性，允許海洋工程結(jié)構(gòu)物后方水域有一定能量的波浪存在.自由水面式海洋工程結(jié)構(gòu)物就是這種“軟性結(jié)構(gòu)”的代表，通常也被叫做開敞式結(jié)構(gòu)物，因其不阻斷海水流域，近些年越來越受到海岸及海洋工程從業(yè)者的關(guān)注.這種結(jié)構(gòu)型式對(duì)解決結(jié)構(gòu)物后方水體污染問題、近海魚類正常遷徙以及結(jié)構(gòu)物周圍泥沙淤積等問題都有重要意義.

由于波浪的能量隨著水深的增加逐漸減小，波浪能量的有效作用深度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其海域的海水深度.從功能上說，以消除波浪為目標(biāo)的傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)物的本質(zhì)就是將來浪反射回去，使其遠(yuǎn)離港口碼頭岸線，但是不可避免地會(huì)對(duì)海上小型船舶的航行造成影響.

Teh等[1]將自由水面式海洋工程結(jié)構(gòu)物按照不同結(jié)構(gòu)型式分為4類，包括堆砌式結(jié)構(gòu)、板式結(jié)構(gòu)、沉箱式結(jié)構(gòu)以及多體式結(jié)構(gòu).

（1）堆砌式結(jié)構(gòu)：堆砌式海洋工程結(jié)構(gòu)物具有相對(duì)簡(jiǎn)單的外觀設(shè)計(jì)，典型的包括箱型、圓柱型、帶前趾型以及梯型等結(jié)構(gòu)型式.Koutandos等[2]進(jìn)行了箱型自由水面式海洋工程結(jié)構(gòu)物的物理模型試驗(yàn).該類型的結(jié)構(gòu)物在浸入水深較大時(shí)具有很高的堤前反射，當(dāng)結(jié)構(gòu)浸水深度與水深之比在0.2～0.3，相對(duì)入射波長(zhǎng)寬度在0.3時(shí)，反射波的能量約占入射波能量的80%.

對(duì)于曲面型式的自由水面海洋工程結(jié)構(gòu)物，Li等[3]應(yīng)用Tsay等的近似法[4]進(jìn)行了長(zhǎng)圓柱型結(jié)構(gòu)波浪透射性能的數(shù)值模擬.結(jié)果顯示隨著結(jié)構(gòu)物幾何尺寸以及浸水深度的增大，波浪的透射效應(yīng)減小.Sundar等[5]建立了一種組合式海洋工程結(jié)構(gòu)物，它被設(shè)計(jì)成前端為1/4曲面、后端為常規(guī)方箱的結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)方式有利于消除波浪的反射能量.試驗(yàn)結(jié)果表明在不規(guī)則海況下該種結(jié)構(gòu)的波浪反射率最大值為65%.

（2）板式結(jié)構(gòu)：板式結(jié)構(gòu)的海洋工程結(jié)構(gòu)物通常由單層或多層水平/豎直板所組成，目前已經(jīng)報(bào)道過的類型有水平板、雙重板、T形板、⊥形板以及H形板等.對(duì)于單層水平放置的板式海洋工程結(jié)構(gòu)物，Hu等[6]發(fā)現(xiàn)其波浪透射率隨著結(jié)構(gòu)物浸入水深的增加而增大.對(duì)于雙層板式海洋工程結(jié)構(gòu)物，Neelamani等[7]注意到板間距為水深的0.4倍時(shí)，波浪反射系數(shù)最小.

Neelamani等[8，9]對(duì) T 形和⊥形海洋工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)T形比⊥形結(jié)構(gòu)物在消波性能方面更加有效，有效率約高出25%.Neelamani等[10]又研究了H形海洋工程結(jié)構(gòu)物的幾何形式對(duì)波浪的影響.結(jié)果表明在減小波浪能量方面，H形結(jié)構(gòu)物后方的擋板浸水深度比前方擋板的更加重要.

（3）沉箱式結(jié)構(gòu)：沉箱式自由水面海洋工程結(jié)構(gòu)物在水體與結(jié)構(gòu)接觸處筑有不透水的墻體，最常見的結(jié)構(gòu)型式有U形結(jié)構(gòu)，以及將其上下倒置的П形結(jié)構(gòu).為了增加對(duì)波浪能的耗散，往往在墻體上開有數(shù)量不等的孔.Brossard等[11]對(duì)迎浪面開孔的U形海洋工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)該種類型結(jié)構(gòu)物的消波性能隨著結(jié)構(gòu)浸水深度的增加而增強(qiáng).在結(jié)構(gòu)安放型式方面，Günaydln等[12]通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出了П形海洋工程結(jié)構(gòu)物的消波性能要優(yōu)于U形.

（4）多體式結(jié)構(gòu)：典型的多體結(jié)構(gòu)式海洋工程結(jié)構(gòu)物由一定數(shù)量的水平板構(gòu)成，布置在水下一定深度的區(qū)域.這樣的結(jié)構(gòu)型式有助于減小波浪反射以及水平方向的波浪力.Wang等[13]設(shè)計(jì)了一種格柵式海洋工程結(jié)構(gòu)物，由一系列的水平板構(gòu)成，這些水平板可以有效約束流體粒子的豎向運(yùn)動(dòng).當(dāng)水平板間距約是波長(zhǎng)的1/4時(shí)，結(jié)構(gòu)物可以最有效地減低入射波高.波浪的透射系數(shù)隨著水平板間距的增加呈增大的趨勢(shì)，但板間距對(duì)反射系數(shù)的影響不大.

綜上所述，大多數(shù)的自由水面式海洋工程結(jié)構(gòu)物，可以有效地減小結(jié)構(gòu)物后方水域的波高，但結(jié)構(gòu)物前方的波浪反射效應(yīng)較大，對(duì)小型船舶的航行仍有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn).本文結(jié)合以上工作，提出半圓體開孔式自由水面海洋工程結(jié)構(gòu)物這一結(jié)構(gòu)型式，并對(duì)其進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)估其在不同水深下的波浪透射、反射以及能量耗散現(xiàn)象.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

作者結(jié)合實(shí)際已經(jīng)建造的傳統(tǒng)式半圓體海洋工程結(jié)構(gòu)物大小確定了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，并?duì)開孔率（6%、9%和12%）、孔洞尺寸（1cm×6cm 和3 cm×6cm）等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，經(jīng)過多次比對(duì)實(shí)驗(yàn)，最終確定了如下的模型結(jié)構(gòu)型式、材料和實(shí)驗(yàn)方案.

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⊿CB模型）采用聚氯乙烯材料制作，模型比尺為1∶20，模型壁厚為10mm，開孔率為9%，見圖1.迎浪方向模型布置有6排4列矩形孔洞，每個(gè)孔洞的尺寸為1cm×6cm.在波浪作用下，水體可以通過這些孔洞，從而起到耗散波浪能量的作用.模型背面布置有2排4列的矩形孔洞，孔洞尺寸為3cm×6cm.這些孔洞被設(shè)計(jì)用來減少波浪的躍浪現(xiàn)象以及波浪對(duì)模型后部的上托力.模型的直徑為0.500m，模型寬度為0.395m.模型兩側(cè)安裝2塊半圓形透明的有機(jī)玻璃板，用來防止波浪沖擊作用下模型產(chǎn)生較大變形，并且不影響模型腔室內(nèi)波浪響應(yīng)的觀測(cè).

圖1 SCB模型Fig.1 SCB model

1.2 儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在愛丁堡大學(xué)能源系統(tǒng)研究所水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)22m、寬0.4m、工作水深0.7m，見圖2.在水槽首端安裝有搖板造波機(jī)，能對(duì)規(guī)則波及不規(guī)則波進(jìn)行模擬，本實(shí)驗(yàn)對(duì)不規(guī)則波采用Jonswap譜.在水槽尾端安置有海綿消波層，可以有效地減小波浪傳播到尾端的反射效果.模型安放在距離造波機(jī)12m處.在模型的前方、內(nèi)部、后方安插了6個(gè)浪高儀（WP1～WP6），用以記錄水槽內(nèi)不同位置處的波面變化.浪高儀 WP1、WP2和WP3被安置在模型前2m處，獲取結(jié)構(gòu)物前方的入射與反射波高.WP1、WP2和WP3之間的距離隨著波浪周期的改變而變化.WP4被放置在模型前0.05m處，用以量測(cè)模型前端的波高變化.WP5順著模型頂端的矩形開孔位置插入，用以量測(cè)模型腔室內(nèi)部的水位波動(dòng).WP6用來量測(cè)透射波高，布置在模型背面2m處.

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.2 Sketch map of experimental set－up

1.3 實(shí)驗(yàn)組次

本文針對(duì)3種不同的水深條件（d＝0.7、0.5和0.3m），對(duì)半圓體海洋工程結(jié)構(gòu)物消波性能進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究.每組波浪參數(shù)均進(jìn)行3次不同模型浸入水深的實(shí)驗(yàn)，模型浸水深度D＝0.05、0.10 和 0.15m.因此相對(duì)水 深D/d＝0.071、0.100、0.143、0.167、0.200、0.214、0.300、0.333和0.500.

在規(guī)則波條件下，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇了10個(gè)波浪周期T，范圍從0.8～1.8s，間隔為0.1s.波高H選取0.05、0.10和0.15m.在Jonswap譜條件下，譜峰周期Tp的選擇與規(guī)則波相同，有義波高H1/3范圍從0.04～0.14m，根據(jù)波浪周期不同，選取3或4個(gè)波高值進(jìn)行實(shí)驗(yàn).波陡H1/3/Lp范圍在0.01～0.12（Lp是由線性微幅波理論公式算出的代表波長(zhǎng)）.

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

本文選取T＝1.3s，Hi＝0.10m，d＝0.5m不同模型浸水深度下的實(shí)驗(yàn)圖片（見圖3）進(jìn)行說明.

圖3 波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用Fig.3 Wave－structure interactions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Ct、Cr、Cl 的計(jì)算方法

為了系統(tǒng)真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)物的工作性能，選取波浪的透射系數(shù)Ct、反射系數(shù)Cr以及能量耗散系數(shù)Cl作為主要的研究對(duì)象.

式中：Hm0是有義入射波高，Hm0，t和Hm0，r分別是是有義透射及反射波高.由于能量的耗散很難被準(zhǔn)確測(cè)量，結(jié)構(gòu)物的能量耗散系數(shù)根據(jù)能量守恒特性得出，見式（3）.

2.2 波浪透射

圖4給出了規(guī)則波及不規(guī)則波作用下結(jié)構(gòu)物透射系數(shù)Ct與相對(duì)板寬的關(guān)系.從圖中可以看出，無(wú)論是規(guī)則波作用或者是不規(guī)則波作用下，結(jié)構(gòu)物透射系數(shù)Ct在所有的Hi/L以及Hm0/Lp區(qū)塊中，隨著相對(duì)板寬在0.1～0.6內(nèi)的增加而呈降低趨勢(shì).分析中將相同水深下的工況組合到一起，并用相同的顏色來表示，可以有效地發(fā)現(xiàn)水深變化對(duì)波浪衰減效果的影響.總的來看，在不同深度條件下，波浪衰減差異最大值達(dá)10%.

另一方面，波浪的透射系數(shù)Ct受模型相對(duì)水深的影響較大.在一個(gè)給定的B/d的條件下，很明顯地可以看出Ct隨著D/d的增加而減小.當(dāng)評(píng)估相對(duì)水深D/d對(duì)Ct影響與B/d的關(guān)系時(shí)，Ct的變化并不與D/d成比例關(guān)系，因此對(duì)每一組B/d工況組合下，Ct和D/d的關(guān)系應(yīng)該被分別獨(dú)立對(duì)待.從圖4中還可看出透射系數(shù)Ct一個(gè)細(xì)微的變化，對(duì)于規(guī)則波來說，隨著Hi/L的增加，透射系數(shù)Ct呈略微減小的趨勢(shì).而在不規(guī)則波作用下，這種變化并不明顯.

2.3 波浪反射

與不規(guī)則波作用相比，波浪的反射行為在規(guī)則波作用下更加復(fù)雜.反射系數(shù)Cr相對(duì)各自的D/d隨著B/L的增加而發(fā)生波動(dòng).首先Cr逐漸增加，在0.20＜B/L＜0.25達(dá)到第一個(gè)峰值.之后，Cr開始下降，當(dāng)0.35＜B/L＜0.40時(shí)，Cr跌至谷底，見圖5（a）.然而，在不規(guī)則波作用下，上述的反射現(xiàn)象并不明顯，Cr幾乎線性地隨著B/Lp的增加而緩慢地增加（見圖5（b））.不論規(guī)則波作用或是不規(guī)則波作用，反射系數(shù)Cr與相對(duì)板寬的關(guān)系，整體上來看并不因水深的變化而發(fā)生較大變化.并且在一定的水深條件下，反射系數(shù)Cr變化不大，因此，水深對(duì)波浪反射效應(yīng)的影響基本上可以忽略.但是，模型浸水深度對(duì)Cr的影響相比之下卻很強(qiáng)烈，隨著浸水深度的增加，反射系數(shù)Cr隨之明顯增大.規(guī)則波與不規(guī)則波作用下Cr的變化趨勢(shì)不同，是由于規(guī)則波為單色頻率作用波，可以更好地發(fā)現(xiàn)不同波浪周期、頻率下的結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能變化，而不規(guī)則波的波譜在一定程度上掩蓋了一些細(xì)小的變化.由此可見規(guī)則波實(shí)驗(yàn)對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)物實(shí)驗(yàn)的重要性.

2.4 波浪的能量耗散

如圖6所示，波浪能量的耗散性與如下四點(diǎn)有關(guān)：（i）模型的浸水深度.較大的模型浸水深度，增加了波浪與結(jié)構(gòu)物的作用面積，從而引發(fā)更大的能量耗散.（ii）波浪周期.長(zhǎng)周期波浪具有更強(qiáng)的透射性能，可以更加容易地繞過消能裝置，因此結(jié)構(gòu)物對(duì)高頻波浪的消能效果更加理想.（iii）實(shí)驗(yàn)水深.隨著實(shí)驗(yàn)水深的減小，水槽底部對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻尼加劇，從而引發(fā)能量耗散的增加.（iv）波陡.

圖4 SCB9模型在規(guī)則波及不規(guī)則波作用下的結(jié)構(gòu)物透射系數(shù)Ct與相對(duì)板寬的關(guān)系Fig.4 Ctfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

圖5 SCB9模型在規(guī)則波及不規(guī)則波作用下的結(jié)構(gòu)物反射系數(shù)Cr與相對(duì)板寬的關(guān)系Fig.5 Crfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

圖6 SCB9模型在規(guī)則波及不規(guī)則波作用下的結(jié)構(gòu)物消能系數(shù)Cl與相對(duì)板寬的關(guān)系Fig.6 Clfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

3 結(jié) 論

（1）波浪的透射系數(shù)Ct，隨著相對(duì)板寬的增加而降低，而反射系數(shù)Cr與耗散系數(shù)Cl則呈增加趨勢(shì).同時(shí)Ct、Cr、Cl均受到模型浸水深度的影響，雖然較大的模型浸水深度可以有效增加波浪能量的耗散并降低波浪的透射系數(shù)，但反射系數(shù)卻隨之增加.因此在實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)水位，要兼顧到波浪的反射以及越浪的影響.

（2）實(shí)驗(yàn)表明，在6～14m的水深范圍內(nèi)，自由水面式半圓體結(jié)構(gòu)物均表現(xiàn)了良好的水動(dòng)力性能.在相對(duì)板寬大于0.2的條件下，波浪的能量耗散率可維持在50%以上，同時(shí)反射系數(shù)維持在0.2～0.4的較低范圍內(nèi).因此該種結(jié)構(gòu)型式很適合在海岸基礎(chǔ)設(shè)施中推廣建造.

（3）為了進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)物的消浪性能，可在結(jié)構(gòu)物迎浪向底部加裝格柵板（相當(dāng)于增加了模型浸水深度），在保持自由水面式結(jié)構(gòu)物特性的同時(shí)，兼顧了控制波浪的反射作用，并額外提高波浪的能量耗散率，以達(dá)到降低波浪透射率的目的.

[1] Teh Hee－min，Venugopal V，Bruce T.Performance analysis of a semicircular free surface breakwater[C]//Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering－OMAE.Beijing：OMAE，2011：487－497.

[2] Koutandos E V.Hydrodynamic analysis of a skirt breakwater[J].Proceedings of the ICE — Maritime Engineering，2007，160（3）：121－133.

[3] LI Dong－cheng，Panchang V，TANG Zhao－xiang，etal.Evaluation of an approximate method for incorporating floating docks in harbor wave prediction models[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2005，32（6）：1082－1092.

[4] Tsay T K，Liu P L F.A finite element model for wave refraction and diffraction [J].Applied Ocean Research，1983，5（1）：30－37.

[5] Sundar V，Subbarao B V V.Hydrodynamic performance characteristics of quadrant front－face pile－supported breakwater[J].Journal of Waterway，Port，Coastal and Ocean Engineering，2003，129（1）：22－33.

[6] HU H，WANG K H，Williams A N.Wave motion over a breakwater system of a horizontal plate and a vertical porous wall[J].Ocean Engineering，2002，29（4）：373－386.

[7] Neelamani S，Gayathri T.Wave interaction with twin plate wave barrier [J].Ocean Engineering，2006，33（3－4）：495－516.

[8] Neelamani S，Rajendran R.Wave interaction with T－type breakwaters [J].Ocean Engineering，2002，29（2）：151－175.

[9] Neelamani S，Rajendran R.Wave interaction with‘⊥ ’－type breakwaters [J]. Ocean Engineering，2002，29（5）：561－589.

[10] Neelamani S，Vedagiri M.Wave interaction with partially immersed twin vertical barriers[J].Ocean Engineering，2002，29（2）：215－238.

[11] Brossard J，Jarno－Druaux A，Marin F，etal.Fixed absorbing semi－immersed breakwater [J].Coastal Engineering，2003，49（1－2）：25－41.

[12] Günaydln K，Kebda爧ll M S.Performance of solid and perforated U－type breakwaters under regular and irregular waves[J].Ocean Engineering，2004，31（11－12）：1377－1405.

[13] WANG Y，WANG G，LI G.Experimental study on the performance of the multiple－layer breakwater[J].Ocean Engineering，2006，33（13）：1829－1839.