波浪與雙層水平板防波堤相互作用試驗研究

于博，劉嬌，李靖波

（1.大連中交理工交通技術(shù)研究院有限公司，遼寧 大連 116023；2.大連港口設(shè)計研究院有限公司，

遼寧 大連 116001；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

波浪與雙層水平板防波堤相互作用試驗研究

于博1，劉嬌2，李靖波3

（1.大連中交理工交通技術(shù)研究院有限公司，遼寧 大連 116023；2.大連港口設(shè)計研究院有限公司，

遼寧 大連 116001；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

采用物理模型試驗的方法，研究波浪與雙層水平板防波堤相互作用。研究結(jié)果表明：波浪與雙層水平板防波堤作用后，雙層水平板起到了消波（反射和損耗部分波浪能量）和改變波頻的雙重作用。潛式堤和出水堤堤后的波面含有2階及以上諧波成分，特別是當(dāng)相對板寬小于0.5時，高階諧波成分占有能量比例較大，一定條件下可達(dá)到1階諧波占有能量比例相當(dāng)?shù)某潭?。因此采用諧波能量疊加法定義的透射系數(shù)更具合理性。透射系數(shù)受諸多參數(shù)的耦合影響，并非雙層水平板越寬，對單色波浪的消浪效果越好，在0～1倍相對板寬范圍內(nèi)，透射系數(shù)隨相對板寬的變化呈波動形式；在相對潛深d/D=-0.25～+0.17試驗范圍內(nèi)，相對潛深對透射系數(shù)的影響并不十分顯著。

雙層水平板防波堤；透射系數(shù)；模型試驗；消浪效果

0 引言

水平板防波堤是利用波能分布主要集中在水體表層的特性而提出的一種特殊結(jié)構(gòu)形式的防波堤。與傳統(tǒng)形式的防波堤相比，水平板防波堤具有環(huán)保，造價低廉，便于施工等優(yōu)點[1-2]。

在過去幾十年中，國內(nèi)外很多學(xué)者應(yīng)用物理模型試驗的方法對雙層水平板防波堤做了大量的研究工作。1992年，Patarapanich和Cheong[3]用試驗方法對雙層水平板防波堤的反射系數(shù)和透射系數(shù)進行了研究。2006年，Neelaman和Gayathri[4]用試驗方法對上層板位于自由水面處的雙層水平板防波堤的透射系數(shù)和反射系數(shù)、水平板上波浪壓力進行了研究。

對消浪能力的評價，現(xiàn)多采用透射系數(shù)評價透浪式防波堤的消浪能力，透射系數(shù)最基本的表達(dá)為透過波高和入射波高的比值[5]。但透過雙層水平板的波浪常表現(xiàn)為波高和頻率的雙重變化，應(yīng)考慮該變化并對消浪能力做更精確的評價，本文試驗?zāi)康募词峭ㄟ^分析透射系數(shù)來對消浪能力做精確的評價。

1 試驗介紹

1.1 試驗組次

對雙層水平板防波堤的透射系數(shù)而言，影響因子主要包括入射波高H、周期T、水深D（由彌散關(guān)系可得到波長L）、寬度B、潛深（可以上層板潛深d描述）、板間距S等。在不考慮板厚度情況下，通過量綱分析[3]，可以得到以下獨立無量綱化的影響變量：

相對板寬B/L；相對板間距S/D；相對波高H/D；相對潛深d/D；波陡H/L。進而雙層水平板防波堤的透射系數(shù)Kt可表示為：

Kt=f1（B/L，H/D，H/L，S/D，d/D） （1）

試驗時，水平板模型高0.4 m，板寬B=1.0 m，上下板間距S=0.1m固定。

采用5組水深（0.48m、0.44m、0.4m、0.36m、0.32 m）、4組周期（1.0 s、1.2 s、1.4 s、1.8 s）、4組波高（6 cm、8 cm、10 cm、12 cm）進行規(guī)則波試驗。當(dāng)水深為0.48m和0.44m時，上層板和下層板都在靜水面之下，相對潛深d/D＞0，此時為潛式堤；當(dāng)水深為0.4m、0.36m和0.32m時，上層板在靜水面之上，相對潛深d/D≤0，此時為出水堤。

1.2 試驗設(shè)備和量測儀器

試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室的渾水水槽（長56m，寬0.7m，深1.0m，最大工作水深0.7m）中進行。水槽首端安裝有液壓伺服式造波機。為了減少水槽尾端的波浪反射，水槽尾端設(shè)有消能裝置用來吸收波浪能量。試驗量測儀器包括浪高儀和多點壓力測量儀兩種。

1.3 水平板模型及其布置

水平板模型見圖1。試驗?zāi)Ｐ驮谒壑械牟贾靡妶D2。

圖1 雙層水平板模型照片F(xiàn)ig.1 Themodelof thehorizontal twin-platebreakwater

圖2 模型試驗布置示意圖Fig.2 Layoutof the physicalmodel test

在進行水平板透過波浪測試時，將浪高儀布置在模型后4 m（1.14～2.88倍入射波波長），處在透過波浪穩(wěn)定區(qū)。

2 試驗結(jié)果討論及透射系數(shù)定義

2.1 透過波面時域基本特征

圖3給出了潛式堤（B/L=0.40，H/D=0.17，S/D=0.21，d/D=0.17，堤后1.58倍波長處）和出水堤（B/L=0.44，H/D=0.22，S/D= 0.28，d/D=-0.11，堤后1.74倍波長處）的堤后波面歷時曲線示例。橫坐標(biāo)為使用入射波周期無量綱化的入射時間，縱坐標(biāo)為使用入射波波高無量綱化的波高。

圖3 堤后波面歷時曲線Fig.3 Thewave surface duration curveat thebreakwater leeside

圖3中可見，無論是潛式堤還是出水堤，入射的規(guī)則波浪與雙層水平板防波堤作用后，堤后的波面均呈現(xiàn)出不規(guī)則性，波面歷時曲線出現(xiàn)明顯的雙峰甚至多峰，換言之出現(xiàn)多種頻率成份。

透過波面時域基本特征可以看出，波浪經(jīng)過雙層水平板防波堤向前傳播過程中，雙層水平板起到了消波（反射和消除部分波浪能量）和改變波頻的雙重作用。

顯然，采用傳統(tǒng)的上跨零點或下跨零點方法計算堤后平均波高，當(dāng)波面小峰跨零點時，將導(dǎo)致按照上跨零點或下跨零點定義的波浪個數(shù)顯著加大，進而導(dǎo)致堤后平均波高顯著降低。因此直接采用堤后平均波高與入射平均波高的比值定義透射系數(shù)，將不能準(zhǔn)確反映水平板防波堤的真實消浪效果。

2.2 透過波面頻域基本特征

基于實測堤后波面時間過程，采用傅里葉變換方法，得到堤后波面振幅譜。圖4分別給出了不同工況下潛式堤和出水堤堤后波面振幅譜的試驗結(jié)果示例。圖中橫坐標(biāo)為無量綱的頻率f/fT，其中fT為入射波的頻率（在此稱為1階頻率）；縱坐標(biāo)為無量綱化的振幅譜值。從圖中可以看出，無論是潛式堤還是出水堤，相對板寬較大（B/L> 0.5）時，波面以1階頻率為主，2、3階頻率較小。相對板寬較?。˙/L＜0.5）時，2階頻率開始增大，不能忽略。

圖4 堤后波面振幅譜Fig.4 Am p litudespectra ofwave surface at the breakwater leeside

上述結(jié)果表明，無論潛式堤還是出水堤，在試驗范圍內(nèi)（相對潛深d/D=-0.25～+0.17），相對板寬不足0.5（板寬小于1/2波長）時，堤后透過波浪的高階諧波能量均占有很高的比例，有時2階頻諧波能量可達(dá)1階諧波能量同一水平。上述條件下，直接采用堤后平均波高與入射平均波高的比值定義透射系數(shù)，將不能準(zhǔn)確反映水平板防波堤的真實消浪效果。

2.3 透射系數(shù)定義

為準(zhǔn)確計算透射系數(shù)，采用基于傅里葉變換的諧波分析方法，得到各階諧波分量的幅值。定義1階、2階、3階…n階透射系數(shù)Ktn：

Ktn=Hn/H （2）式中：Hn為第n階諧波分量對應(yīng)的波高。進而，防波堤的透射系數(shù)Kt由下式給出：

2.4 透射系數(shù)與主要影響因素的關(guān)系及分析

2.4.1 相對板寬B/L和相對波高H/D對透射系數(shù)的影響

考慮到透過波浪的時、頻特性，在此，對采用式（3）定義的透射系數(shù)進行討論。

1）潛式堤的試驗結(jié)果

圖5給出了不同的相對波高H/D下，潛式堤的透射系數(shù)隨相對板寬B/L的變化試驗結(jié)果。由圖5可以看出，當(dāng)相對板寬B/L的變化范圍為0.29～0.66時，透射系數(shù)基本都能保持在0.5以下，當(dāng)相對板寬B/L=0.4時，透射系數(shù)達(dá)到極小值。

圖5 潛式堤透射系數(shù)隨相對板寬B/L的變化Fig.5 Effectof the relative platew idth B/L on the transm ission coefficientof the submerged breakwater

固定B/L，在多數(shù)情況下，透射系數(shù)隨相對波高H/D的增大而減小，表明潛式堤對相對大波的消浪效果更好。

2）出水堤的試驗結(jié)果

圖6系列給出了3組不同的相對潛深情況下，出水堤的透射系數(shù)隨相對板寬B/L的變化試驗結(jié)果。由圖6（a）可以看出，當(dāng)相對潛深d/D=0、相對板寬B/L的變化范圍為0.31～0.68時，透射系數(shù)隨相對板寬的增大而減??；由圖6（b）可以看出，當(dāng)相對潛深d/D=-0.11、相對板寬B/L的變化范圍為0.32～0.70時，透射系數(shù)隨相對板寬的增大而增大；由圖6（c）可以看出，當(dāng)相對潛深d/D= -0.25、相對板寬B/L的變化范圍為0.34～0.72時，透射系數(shù)在相對板寬=0.4～0.6區(qū)間內(nèi)獲得較小值。上述3組出水堤，在相應(yīng)的試驗范圍內(nèi)透射系數(shù)均隨相對波高H/D的增大而減小。

圖6 出水堤透射系數(shù)隨相對板寬B/L的變化Fig.6 Effectof the relative platew idth B/L on the transm ission coefficientof theemerged breakwater

2.4.2 相對潛深d/D對透射系數(shù)的影響

圖7系列給出了不同S/H（板間距與波高之比）條件下，透射系數(shù)隨相對潛深d/D的變化試驗結(jié)果。從圖中可以看出，板間距與波高之比在1～1.67條件下，相對潛深d/D在-0.25～+0.17范圍內(nèi)變化時，相對潛深d/D對透射系數(shù)無明顯的規(guī)律性影響，透射系數(shù)隨相對潛深d/D呈波動性變化，波動幅度在0.2左右。

圖7 透射系數(shù)隨相對潛深d/D的變化Fig.7 Effectof relative submergence d/D on transm ission coefficient

2.4.3 透射系數(shù)隨影響參數(shù)變化趨勢分析

本次試驗的相對板寬范圍內(nèi)（0.29～0.72），對潛堤而言，透射系數(shù)呈現(xiàn)先減后增的趨勢，其中呈現(xiàn)的單谷值對應(yīng)的相對板寬隨相對潛深的變化而略有不同；對出水堤而言，出水高度較大（d/D= -0.25）時，更接近淹沒的單層板，得到的透射系數(shù)隨相對板寬的變化趨勢呈現(xiàn)先減后增（單谷值）趨勢；出水高度較?。╠/D=-0.11）時，試驗得到的透射系數(shù)隨相對板寬的增大而增大，這可能是長波在通過該試驗條件下的水平板時能量損耗及流場結(jié)構(gòu)的變化與短波的有所差異造成的，對此應(yīng)進行更深入的研究。對于相對潛深d/D=0的出水堤，圖8給出了本試驗結(jié)果與Neelaman和Gayathri[4]試驗結(jié)果的比較，可以看出，盡管試驗條件略有差異，但得到的透射系數(shù)隨相對板寬的變化趨勢和量值均基本一致。

本試驗得到的透射系數(shù)隨相對潛深的變化呈現(xiàn)似乎無規(guī)律的波動現(xiàn)象，表明雙層水平板防波堤的消浪性能不完全取決于相對潛深單一參數(shù)，而是多參數(shù)共同影響的結(jié)果。在試驗范圍內(nèi)的相對潛深條件下（d/D=-0.25～+0.17）透射系數(shù)波動范圍約0.2，表明該試驗范圍內(nèi)相對潛深對透射系數(shù)的影響并不十分顯著。

圖8 試驗結(jié)果與Neelaman和Gayathri試驗結(jié)果的比較（d/D=0）Fig.8 Com parison of the transm ission coefficientbetween the present resu ltsand the resultsof Neelaman and Gayathri（d/D=0）

3 結(jié)語

規(guī)則波浪與雙層水平板防波堤作用后，雙層水平板起到了消波（反射和損耗部分波浪能量）和改變波頻的雙重作用。潛式堤和出水堤堤后的波面將含有2階及以上諧波成分，特別是當(dāng)相對板寬小于0.5時，高階諧波成分占有能量比例較大，一定條件下可達(dá)到1階諧波占有能量比例相當(dāng)?shù)某潭?。因此采用諧波能量疊加法定義的透射系數(shù)（式（3））更具合理性。透射系數(shù)受諸多參數(shù)的耦合影響，通過模型試驗方法給定透射系數(shù)與某單一因素變化的規(guī)律是困難的。試驗范圍內(nèi)結(jié)果顯示，并非雙層水平板越寬，對單色波浪的消浪效果越好，在0～1倍相對板寬范圍內(nèi)，透射系數(shù)隨相對板寬的變化呈波動形式；在試驗范圍內(nèi)的相對潛深條件下（d/D=-0.25～+0.17）透射系數(shù)波動范圍約0.2，表明該試驗范圍內(nèi)相對潛深對透射系數(shù)的影響并不十分顯著。

[1] 俞聿修.斜坡式防波堤技術(shù)的新進展[J].港工技術(shù),1995（3）：13-18. YU Yu-xiu.New progressof rubblemound breakwater technology [J].PortEngineering Technology,1995(3):13-18.

[2]俞聿修.防波堤技術(shù)的新進展[J].中國港灣建設(shè),1999（1）：49-52. YU Yu-xiu.A new progress in breakwater technology[J].China HarbourEngineering,1999(1):49-52.

[3]PATARAPANICH M,CHEONG H F.Reflection and transmission of random waves by a horizontal double-p late breakwater[J]. Coastal Engineering,1992，18(1/2):63-82.

[4]NEELAMANIS,GAYATHRIT.Wave interaction with twin plate wavebarrier[J].Ocean Engineering,2006,33(3/4):495-516.

[5]吳宋仁,陳永寬.港口及航道工程模型試驗[M].北京:人民交通出版社,1993. WU Song-ren,CHEN Yong-kuan.Model testsof portand waterwayengineering[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,1993.

Experimental study on waves interacting with horizontal twin-p late breakwater

YUBo1,LIU Jiao2,LIJing-bo3
（1.CCCC&DIUT Institute of Communication Technology Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116023,China; 2.Dalian PortDesign&Research Institute Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning116001,China; 3.State Key Laboratory of Coastaland Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024;China）

The interaction between waves and horizontal twin-p late breakwater was studied by themethod of physicalmodel test.The results show thatwhen the wave interactswith the horizontal twin-plate breakwater,the breakwater can absorb wave energy (reflect and dissipate part of the wave energy)and change wave frequency.Wave surfaces behind the submerged and emerged breakwaters contain the second and high order harmonics.Especiallywhen the relative platewidth is less than 0.5,the high order harmonics occupies a high proportion ofwave energy,which can reach to the same proportion ofwave energy as the firstorder harmonics under certain conditions.Therefore,it ismore reasonable to adopt the transmission coefficient defined by the harmonic energy superpositionmethod.The transmission coefficient of the horizontal twin-plate breakwater is influenced by many coupling parameters.For themonochromatic wave,the breakwatermay notwork betterwith wider twin plates.The transm ission coefficient showsa fluctuated type with relative plate width ranging from 0 to 1.However,when the relative depth d/D is in the test range from-0.25 to0.17,the influence of the relative depth on the transmission coefficient isnotsignificant.

horizontal twin-plate breakwater;transm ission coefficient;model test;wave elimination

U656.24；TV139.25

A

2095-7874（2015）05-0015-05

10.7640/zggw js201505005

2015-02-07

2015-04-21

國家自然科學(xué)基金（51109032）；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013329225240）

于博（1981— ），男，遼寧鞍山市人，博士，工程師，主要從事低頻波浪生成機制研究和港口工程設(shè)計。E-mail：yubo15@mail.dlut.edu.cn