型浮箱式防波堤消浪特性試驗研究

李松喆，李 焱，劉海源，鄭金海，高 峰

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，天津300456）

型浮箱式防波堤消浪特性試驗研究

李松喆1，2，李 焱2，劉海源2，鄭金海1，高 峰2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，天津300456）

通過波浪水槽斷面物理模型試驗，研究了“”型浮箱在規(guī)則波作用下，透射系數(shù)與相對水深、相對寬度、相對入水深度、波陡、錨鏈夾角和錨鏈拖地長度等影響因素的變化規(guī)律。結(jié)果表明：“”型浮箱的透射系數(shù)受相對寬度的影響最大，透射系數(shù)隨著相對寬度的增加而減小，當(dāng)相對寬度大于0.35時，透射系數(shù)不超過0.5，當(dāng)相對寬度達(dá)到0.5左右時，透射系數(shù)降低至0.23～0.38之間；與矩形浮箱相比，除反射波能外，“”型浮箱對波能也有一定的耗散和阻擋作用，其消浪效果要優(yōu)于矩形浮箱。

浮式防波堤；字型浮箱；規(guī)則波；透射系數(shù)；模型試驗

近年來，隨著人們環(huán)保意識不斷增強(qiáng)，海洋環(huán)境日益受到關(guān)注。與傳統(tǒng)的實體座底式防波堤相比，浮式防波堤具有較強(qiáng)的海水交換功能，不改變水流和泥沙運(yùn)動條件，對海洋環(huán)境影響較小，以及造價低、對地基要求不高等特點(diǎn)，越來越受到人們的重視。浮式防波堤由浮體和錨泊系統(tǒng)組成，由于浮體處于波浪能量較集中的海面，不能阻擋整個水深的波能，因此，優(yōu)化浮式防波堤的結(jié)構(gòu)以提高其消浪性能一直是國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的課題[1］。

1 浮式防波堤的消浪特性

浮式防波堤種類繁多，分類的方法多種。按浮體結(jié)構(gòu)材料的彈性性能可為剛性浮式防波堤和柔性浮式防波堤，按錨泊方式可分為錨鏈錨泊浮式防波堤和導(dǎo)樁錨泊浮式防波堤，按結(jié)構(gòu)型式分又包括浮箱式、浮筒式、浮筏式、板網(wǎng)式等。從浮式防波堤的消浪過程來看，歸納起來，主要有以下幾種：反射消能：利用堤身反射一部分波浪能量，所以防波堤的相對入水深度是影響透射系數(shù)的重要參數(shù)；波列間的干涉消能：由于傳遞的波浪頻率與結(jié)構(gòu)本身運(yùn)動產(chǎn)生的波浪頻率不同，形成兩波間波動的相互牽制和抵消；紊動消能：水體與結(jié)構(gòu)相互作用形成的碰撞、摩擦和繞流，破壞了原來波浪質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律的運(yùn)動，轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂的紊動而達(dá)到消能目的；波浪力做功：波浪力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移或變形所做的功，有部分是不可逆轉(zhuǎn)的能耗。

現(xiàn)有各類浮式防波堤的消浪或以反射和耗散兩種中的一種為主，或兩者兼顧，因此浮式防波堤可根據(jù)消浪機(jī)理將其分為三類：反射型浮式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要通過反射入射波消能，使部分能量能夠穿過該結(jié)構(gòu)，代表型式有浮箱式、浮筒式等；耗散型浮式結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)主要通過波破碎、摩擦力、紊動等將一定量的入射波能耗散掉，代表型式有浮筏式、浮漂式、廢舊輪胎式、網(wǎng)衣式等；反射+耗散型浮式結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)利用反射和耗散消能代表型式有開孔沉箱式、浮箱-水平板式、阻尼式浮箱、浮筒障礙式等。

實際海況或?qū)嶒灄l件下，由于摩擦及紊流的影響，能量的損失必然存在。在浮式防波堤附近的流域內(nèi)，流場比較復(fù)雜，考慮到粘性及波浪破碎等，浮式防波堤對波能總是具有吸收和衰減作用，表現(xiàn)在反射系數(shù)與透射系數(shù)的平方之和小于1。浮式防波堤的吸收衰減作用越是明顯，有機(jī)會透過浮堤的波能就會減小，透射系數(shù)自然會降低。浮式防波堤的反射、吸收和衰減作用和浮體的結(jié)構(gòu)及其材料有很大關(guān)系，此外，浮式防波堤的透射系數(shù)還受到波況以及海底地形等多種外在因素的影響。

2.1浮箱設(shè)計及錨鏈選取

統(tǒng)計國內(nèi)外浮式防波堤的結(jié)構(gòu)形式及尺度得到，目前投入使用的浮式防波堤以浮箱式為主，浮體寬度（沿波浪傳播方向）大多在2.4～28 m，高度在1.8～8.0 m，吃水在0.91～7.2 m，同時，越靠近外?；蛏钏畢^(qū)域，所受波高和周期就越大，則浮體寬度和吃水均增大[2-10］?？紤]到單純的箱型結(jié)構(gòu)對于長周期波的消浪能力有限，總結(jié)浮式防波堤消波機(jī)理與其影響因素，設(shè)想通過在浮箱上加擋板以改進(jìn)其消浪性能，提出了一種“”字型浮式防波堤的新型結(jié)構(gòu)形式。

綜合國內(nèi)外浮箱式防波堤的研究成果，根據(jù)我國海域潮流與海浪分布特征，考慮到本次試驗最大波周期較大，設(shè)計出“”字型浮式防波堤的結(jié)構(gòu)形式及原型尺度，如圖1所示。在原體為16 m寬、4 m高的方箱上，沿兩側(cè)和水下分別增設(shè)2 m長的懸臂，目的是增大方箱的寬度和入水深度，同時利用所形成的兩側(cè)和底部空腔消波，從而提高浮堤的消波效果，并可節(jié)省一定的工程材料；在方箱下部均勻配重，以降低重心，提高浮體穩(wěn)性；在對“”字型浮箱的初步試驗中發(fā)現(xiàn)兩側(cè)空腔頂懸臂受力較大，且有負(fù)壓，故在上懸臂沿縱向每2 m設(shè)置一個0.3 m直徑的通孔。

錨鏈錨泊浮式防波堤是目前應(yīng)用較多的一種浮式防波堤，本次試驗采用錨鏈錨泊方式?？紤]浮箱承受的波浪比較大，原體錨鏈直徑d取100 mm，彈性模量為38.8 GPa，迎浪面和背浪面對稱布置，錨鏈間距15 m。

2.2模型設(shè)計與布置

采用重力相似準(zhǔn)則，比尺為1：40。浮箱由1 cm厚有機(jī)玻璃制作而成，光滑的有機(jī)玻璃板糙率為0.007～0.009，則原型糙率為0.013～0.016，與鋼筋混凝土糙率相當(dāng)。浮箱模型總重量約31.6 kg。模型錨鏈采用細(xì)鋼鏈條，重24.12 g/m，模擬主要考慮長度和彈性相似，其中彈性剛度通過定制彈簧來模擬，彈性相似按照下式計算

式中：ΔLm為模型錨鏈伸長，m；Tm為模型錨鏈拉力為模型錨鏈長度，m；(EA)m為模型錨鏈的抗拉剛度，N；(EA)p為原型錨鏈的抗拉剛度，N；λ為模型長度比尺；Ep為原型錨鏈的有效彈性模量，Pa；dp為原型鏈環(huán)桿的直徑，m。

圖2 模型布置圖Fig.2Layout of physical model

試驗在波浪水槽中進(jìn)行，水槽長68 m、寬1.0 m、深1.5 m，一端配有先進(jìn)的吸收式造波機(jī)，另一端設(shè)有消波裝置。浮體布置在水槽中間，前、后各布置2個浪高儀，其中堤后浪高儀距浮體1倍波長以外，錨鏈懸掛點(diǎn)為下懸臂末端。模型布置見圖2。

2.3試驗內(nèi)容與工況

試驗采用規(guī)則波，同步測量了浮堤前、后的波高、浮體運(yùn)動量（二維運(yùn)動包括橫蕩、升沉和橫搖運(yùn)動）以及前后共6個錨鏈的拉力。波高采用交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的SG2000型波浪采集系統(tǒng)進(jìn)行測量；錨鏈力采用LA1型水下拉力傳感器進(jìn)行測量；運(yùn)動量采用南京水利科學(xué)研究院研制的FL?NH型非接觸式運(yùn)動量測試系統(tǒng)進(jìn)行測量。試驗內(nèi)容和工況組合見表1，不同試驗條件下的特征值見表2。

表1 試驗內(nèi)容及工況Tab.1Test contents and groups

表2 試驗特征值Tab.2Test characteristics

3 試驗結(jié)果分析

3.1相對水深對透射系數(shù)的影響

相對水深的改變分兩種情況：一是水深不變，改變波周期時，不同入射波高條件下，透射系數(shù)均隨著相對水深的增大而明顯減?。欢遣ㄖ芷诓蛔?，改變水深時，透射系數(shù)的變化則有限，且基本無規(guī)律（圖3）。表3列出了水深16 m，波周期5 s和水深24 m，波周期6 s時，3種波高條件下的透射系數(shù)，從中發(fā)現(xiàn)，兩種工況的相對水深基本一致，但5 s周期的透射系數(shù)比6 s明顯減小。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一是相對水深對波周期的變化較為敏感，如波周期從5 s增大至8 s，試驗相對水深從0.62變化至0.19，已由深水變化為有限水深，如保持周期6 s不變，水深從16 m增大至24 m，相對水深從0.30增大至0.43，變幅較?。坏诙€主要原因是透射系數(shù)隨波周期（波長）變化的敏感度要明顯大于水深。

圖3 相對水深與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.3Relation of relative depth with transmission coefficient

表3 “?”型浮式防波堤的透射系數(shù)Tab.3Transmission coefficient of?shaped pontoon floating breakwater

表3 “?”型浮式防波堤的透射系數(shù)Tab.3Transmission coefficient of?shaped pontoon floating breakwater

項目波高HI（m）透射系數(shù)KT水深16 m，波周期5 s，相對水深0.42 1.0 0.38 2.0 0.23 3.0 0.24水深24 m，波周期6 s，相對水深0.43 1.0 0.50 2.0 0.48 3.0 0.51

3.2相對入水深度對透射系數(shù)的影響

圖4為不同波高作用時，不同浮箱相對入水深度的透射系數(shù)與相對寬度的關(guān)系。從中可知，透射系數(shù)隨著相對入水深度的變化相差不大，隨著相對寬度的增加而減小，當(dāng)相對寬度大于0.35時，透射系數(shù)可小于或等于0.5，當(dāng)相對寬度達(dá)到0.5左右時，透射系數(shù)可降低至0.23～0.38之間。

應(yīng)該說明的是，本次試驗保持浮箱吃水不變，通過改變水深來改變相對入水深度，而有的試驗則是保持水深不變，通過改變浮箱吃水來改變相對入水深度（也即相對吃水），得出的結(jié)論為：“透射系數(shù)隨著相對吃水的增加而減小，且在短周期波浪更明顯，而長周期波中則并不十分明顯”。兩種試驗結(jié)果有一定差異，主要原因是前者保持了浮箱的質(zhì)量及運(yùn)動特性不變，即浮箱的重心、浮心和轉(zhuǎn)動慣量等未變，而后者改變浮箱吃水，比如減小吃水，則浮箱的重心會提高，其運(yùn)動特性也隨之變化，從而增大了透射系數(shù)。

圖4 相對入水深度和相對寬度與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.4Relation of relative submergence depth and relative width with transmission coefficient

圖5 波陡與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.5Relation of wave steepness with transmission coefficient

圖6 錨鏈夾角與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.6Relation of mooring angle with transmission coefficient

圖7 錨鏈拖地長度與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.7Relation of mooring line length with transmission coefficient

圖8 波高、周期與錨鏈?zhǔn)芰Φ年P(guān)系Fig.8Relation of wave height and wave period with mooring force

3.3波陡對透射系數(shù)的影響

波陡的改變也分兩種情況。一為波高不變，改變波周期時，透射系數(shù)隨著波陡的增大而明顯減小，規(guī)律性較強(qiáng)；二為波周期不變時，改變波高時，透射系數(shù)隨著波陡的變化并無明顯規(guī)律（圖5）。這是因為波周期不變時，波高增大，波陡雖也增大，越浪量也會增大，透射系數(shù)也隨之增大。因此分析波陡對透射系數(shù)的影響，應(yīng)根據(jù)不同的變量而具體分析。試驗表明，當(dāng)相對寬度為0.36～0.52時（波周期為5 s和6 s），波高為2 m時的透射系數(shù)最低。

3.4錨鏈與豎向夾角對透射系數(shù)的影響

圖6為3種錨鏈夾角條件下透射系數(shù)的變化規(guī)律。從中可知，不同夾角條件下，透射系數(shù)隨著相對寬度的增大而減小。從擬合的關(guān)系曲線來看，錨鏈與豎向夾角增大，透射系數(shù)有減小的趨勢，但幅度不大，當(dāng)相對寬度增大至0.5時，夾角對透射系數(shù)的影響則很小。

3.5錨鏈拖地長度對透射系數(shù)的影響

圖7為3種錨鏈拖地長度條件下透射系數(shù)的變化規(guī)律。從中可知，不同錨鏈拖地長度條件下，透射系數(shù)隨著相對寬度的增大而減小。從擬合的關(guān)系曲線來看，錨鏈拖地長度的變化對透射系數(shù)的影響不大。

3.6錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/p>

試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)波周期不變時，增大波高，也即增大了波陡，錨鏈力增大；但在另一種情況，當(dāng)波高不變，改變波周期，也就改變了波陡，而錨鏈力的變化并無明顯規(guī)律（圖8）。因此可以看出，入射波波高對于錨鏈?zhǔn)芰τ酗@著影響。

矩形浮箱寬度為20 m，高4 m，吃水3.0 m，重心高度1.5 m，錨鏈點(diǎn)位置與“”型相同（圖9）。比較試驗工況為：水深h=20 m；入射波高HI=1.0 m、2.0 m、3.0 m；波周期T=5 s、6 s、7 s、8 s；錨鏈拖地長度St=0 m；錨鏈與豎向夾角θ=30°。

圖9 矩形浮箱尺度（原型值）Fig.9Scale of rectangle pontoon（prototype）

圖10 “?”型與矩形浮箱透射系數(shù)比較Fig.10Transmission coefficient comparison between?shaped and rectangle pontoon

5 主要結(jié)論

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Experimental study on wave dissipation of new type pontoon floating breakwater

LI Song?zhe1,2,LI Yan2,LIU Hai?yuan2,ZHENG Jin?hai1,GAO Feng2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport, Tianjin 300456,China）

A new type of floating breakwater of pontoon structure was proposed and studied by two?dimension?al wave flume physical model experiment under the regular wave action.The relation between the transmission coef?ficient and relative depth,relative width,relative submergence depth,wave steepness,angle between mooring axes and vertical at the joint，mooring line length and so on were studied.The results show that transmission coefficient is high sensitive and regular to relative width，it reduces with relative width increasing.When relative width is great?er than 0.35，transmission coefficient will less than or equal to 0.5.When relative width is reach about 0.5,transmis?sion coefficient will reduce to 0.23～0.38.Comparing with rectangle pontoon,?shaped pontoon can dissipate and resist wave energy besides reflecting,so its wave dissipation effect is superior to rectangle pontoon.

floating breakwater;?shaped pontoon;regular wave;transmission coefficient;physical model test

TV 139.16；U 656.2

A

1005-8443（2016）02-0115-06

2015-06-04；

2015-07-08

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013329224230）

李松喆(1990-)，男，天津市人，碩士研究生，主要從事海岸動力學(xué)與海岸工程研究。

Biography：LI Song?zhe（1990-），male，master student.