錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤試驗(yàn)研究

董華洋，王永學(xué)，陳燕珍

（1.國(guó)家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，遼寧　大連　116001；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧　大連　116024）

錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤試驗(yàn)研究

董華洋1，2，王永學(xué)2，陳燕珍1

（1.國(guó)家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，遼寧大連116001；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

文章通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)一種新型浮式防波堤即錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系數(shù)及其影響因素進(jìn)行研究。主要探討改變水平板層數(shù)和浮箱吃水深度（即相對(duì)吃水）對(duì)錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤透射系數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系數(shù)要小于相同錨泊方式的單一浮箱浮堤模型的透射系數(shù)。此外，浮堤模型的吃水深度對(duì)透射系數(shù)有重要影響，吃水深度大，消波效果好。

浮式防波堤；水平板；物模試驗(yàn)；錨鏈錨泊

0　引言

浮式防波堤主要是利用其浮體部分消減集中在水體表面2~3倍波高厚度水層內(nèi)的波能。其優(yōu)點(diǎn)包括[1-2]：造價(jià)低廉，易于海水交換，適宜軟土地基，同時(shí)具有工期短、易拆卸等特點(diǎn)。因此浮式防波堤可用于海上工程施工現(xiàn)場(chǎng)的掩護(hù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施的保護(hù)等，兼具保持良好水質(zhì)交換和節(jié)省投資的雙重效果。

學(xué)者們對(duì)不同型式的浮式防波堤的消波性能進(jìn)行了研究。王環(huán)宇和孫昭晨[3]提出了由多菱形模塊拼裝而成的多孔浮式防波堤結(jié)構(gòu)并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)形式的浮堤以消耗波能為主、阻擋反射為輔，消波效果好且受波浪力小。文均鋒[4]以方箱結(jié)構(gòu)為例，分別開(kāi)展了波浪與單方箱和兩方箱系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的物理模型試驗(yàn)。董華洋等[5]對(duì)錨鏈拖地長(zhǎng)度不同的矩形箱式浮防波堤的透射系數(shù)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行了物模試驗(yàn)研究，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了參考。侯勇等[6]提出了一種由開(kāi)孔圓弧、矩形方箱組成的錨鏈錨泊浮式防波堤，通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了該浮堤的消浪性能、運(yùn)動(dòng)、錨鏈力等，結(jié)果證明該浮式防波堤的消浪效果良好。劉海成等[7]對(duì)新型的凹菱形浮式防波堤的消浪性能進(jìn)行了物理試驗(yàn)研究，并與現(xiàn)有的浮箱式、廢舊輪胎式、浮筏式等浮式防波堤進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果證明消浪效果良好。鄭啟航等[8]提出了一種新型的框架帶孔薄膜浮式防波堤單元體。采用物理模型試驗(yàn)方法，對(duì)防波堤的消波效果和使用性能進(jìn)行了研究，波浪的消波系數(shù)均達(dá)到0.4~0.6，消浪效果較好。鄭艷娜等[9]用數(shù)值模擬的方法研究了不規(guī)則波對(duì)固定方箱浮式防波堤的受力進(jìn)行了計(jì)算并與規(guī)則波結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明不規(guī)則波作用下，單位寬度方箱垂向受力最大值大于水平向受力最大值；與規(guī)則波情況下相比，方箱水平向受力變化幅度減小，垂向受力和橫搖力矩幅值增加。

基于增加結(jié)構(gòu)的阻尼以及破壞水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的指導(dǎo)思想出發(fā)，本文提出了一種浮箱下加水平板的錨鏈錨泊浮式防波堤，稱之為錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤，并對(duì)該種浮堤模型進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)主要研究了規(guī)則波作用下，改變相對(duì)寬度、水平板層數(shù)和浮箱吃水深度（即相對(duì)吃水）等對(duì)錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤透射系數(shù)的影響。

1　物理模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)是在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)渾水水槽內(nèi)進(jìn)行的。水槽長(zhǎng)度為56.0 m，寬度0.7 m，高度1.0 m。水槽的一端安裝本實(shí)驗(yàn)室自制的液壓驅(qū)動(dòng)造波機(jī)，該造波機(jī)可產(chǎn)生波形平穩(wěn)，重復(fù)性好的規(guī)則波，采用微機(jī)控制并配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；另一端裝有消能網(wǎng)，可吸收波浪能量、減少波浪反射。試驗(yàn)前需測(cè)定波要素。波要素測(cè)定采用本實(shí)驗(yàn)室研制的DLY-1型測(cè)量?jī)x，波高測(cè)量范圍不小于0.3 m，絕對(duì)誤差低于1 mm。波高數(shù)據(jù)采用天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的2000型波浪測(cè)量和采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，其量程在200 cm以內(nèi)，誤差低于0.5%。為保證測(cè)得數(shù)據(jù)的精確性，試驗(yàn)前后均對(duì)所有測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了標(biāo)定和校準(zhǔn)。

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)依據(jù)重力相似準(zhǔn)則，比尺為1︰30。浮箱和水平板均由有機(jī)玻璃制成。浮箱寬30 cm；高為2種，9 cm、18 cm；長(zhǎng)44 cm，浮箱底部均勻配重保證模型達(dá)到設(shè)計(jì)吃水深度；所有水平板尺寸均為寬50 cm，厚0.5 cm，長(zhǎng)44 cm。本文中所有模型的錨鏈布置完全相同，即錨鏈懸起部分長(zhǎng)度為30.3 cm，拖地部分長(zhǎng)為29.7 cm，導(dǎo)鏈孔處傾角為30°（圖1）。錨鏈底端連接模擬原型剛度的彈簧，彈簧剛度為k=17.64 N/cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w參數(shù)見(jiàn)表1，model 1和model 4為單一浮箱模型，設(shè)置這兩個(gè)模型是為了與浮箱-水平板式浮防波堤模型進(jìn)行比較，model 2、model 3、model 5和model 6為浮箱-水平板式浮防波堤模型。

模型置于水槽的中部，前后端各布置2個(gè)浪高儀，記錄堤前和堤后的波面數(shù)據(jù)。玻璃隔板的厚度為8 mm，距槽壁一端為0.45 m。整體布置見(jiàn)圖2。

圖1　浮式防波堤模型示意圖Fig.1　Diagrammatic sketch of a floating breakwater model

表1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)Table 1　Parameters of experimental models

圖2　試驗(yàn)布置示意圖（單位：cm）Fig.2　Diagrammatic sketch of experimental setup（cm）

1.3試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)采用重力相似準(zhǔn)則，按比尺1︰30考慮。試驗(yàn)水深為0.4 m，對(duì)應(yīng)原型水深為12 m。試驗(yàn)為正向入射規(guī)則波，入射波高設(shè)為2種，0.07 m和0.10 m，對(duì)應(yīng)原型波高分別為2.10 m和3.00 m。周期設(shè)置0.81 s、0.91 s、1.10 s、1.28 s、1.46 s、1.55 s范圍內(nèi)的6個(gè)波周期，對(duì)應(yīng)原型周期為4~8.5 s。對(duì)應(yīng)的相對(duì)寬度W/L（模型寬度/波長(zhǎng)） 為 0.297、0.241、0.176、 0.142、0.119、0.110。對(duì)于每一種模型，每組波要素重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果平均值。

2　試驗(yàn)結(jié)果及影響因素分析

2.1水平板層數(shù)與相對(duì)寬度對(duì)浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系數(shù)的影響

第一組model 1~model 3浮箱高度均為18 cm，區(qū)別在于水平板層數(shù)不同（表1）。透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。第二組model 4~model 6浮箱高度均為9 cm，區(qū)別在于水平板層數(shù)不同，透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖3與圖4，浮箱-水平板浮堤模型與單一浮箱模型透射系數(shù)隨相對(duì)寬度（W/L）的變化規(guī)律一致，均是隨W/L的增加而減小。入射波高不同對(duì)浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系數(shù)影響不大；盡管浮箱高度不同，但浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系數(shù)均小于相應(yīng)的單一浮箱模型，特別是浮箱高度為18 cm的浮箱-水平板浮堤模型（model 3）透射系數(shù)比單一浮箱模型（model 1）透射系數(shù)最多減小0.2；在相對(duì)寬度較小即波浪周期較長(zhǎng)時(shí)（本試驗(yàn)周期為1.28~1.55 s），比較透射系數(shù)，浮箱-水平板浮堤模型比相應(yīng)的單一浮箱模型減小了0.1。模型下部的水平板由1層增至2層，透射系數(shù)減小的幅度沒(méi)有無(wú)板至1層板情形明顯。

圖3　浮箱-水平板模型透射系數(shù)（浮箱高度18 cm）Fig.3　Transmission coefficients of pontoon-plates floating breakwater model(The height of the pontoon is 18 cm)

圖4　浮箱-水平板模型透射系數(shù)（浮箱高度9 cm）Fig.4　Transmission coefficient of pontoon-plates floating breakwater model(The height of the pontoon is 9 cm)

分析來(lái)看：比較浮箱加1層板浮堤模型透射系數(shù)小于單一浮箱模型透射系數(shù)的原因是由于增加水平板使得防波堤模型入水深度增加，同時(shí)水平板破壞了水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。而增加至2層水平板導(dǎo)致入水深度又進(jìn)一步增加，但是波浪能量多集中在水體表層，越接近水底波浪能量越小，所以第2層水平板的擋浪效果也減弱。由此可見(jiàn)浮箱-水平板式浮防波堤模型確實(shí)比單一浮箱模型的消浪效果好。此外，水平板的厚度很小，僅為5 mm，所以即使增加了水平板，模型受到的水平向波浪力增加量很小，僅由于板的寬度50 cm而浮箱寬度30 cm使得豎向波浪力增加，也導(dǎo)致錨鏈?zhǔn)芰τ兴黾印?/p>

2.2浮箱吃水與相對(duì)寬度對(duì)浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系數(shù)的影響

分別對(duì)第3組模型model 3與model 6的透射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)第4組模型model 2與model 5透射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5　浮箱+2層水平板模型透射系數(shù)Fig.5　Transmission coefficient of pontoon-two plates floating breakwater model

圖6　浮箱+1層水平板模型透射系數(shù)Fig.6　Transmission coefficient of pontoon-one plate floating breakwater model

model 3和model 6的區(qū)別在于model 3浮箱吃水深度為13.5 cm，model 6浮箱吃水深度為6.75 cm。其余參數(shù)相同：水平板層數(shù)為2層，水平板寬度為50 cm，第1層水平板與浮箱間距離均為4.5 cm，水平板間距離為4.5 cm（表1）。

model 2和model 5的區(qū)別在于model 2浮箱吃水為13.5 cm，model 5浮箱吃水為6.75 cm。其余參數(shù)相同：水平板層數(shù)為1層，水平板寬度為50 cm，水平板與浮箱間距為4.5 cm。

由圖5和圖6，無(wú)論浮箱+2層板模型，還是浮箱+1層板的模型，浮箱吃水深度大的透射系數(shù)均小于浮箱吃水深度小的。這是由于浮箱-水平板式浮防波堤模型中浮箱部分阻擋波浪機(jī)理比較復(fù)雜，概括起來(lái)主要是依靠浮堤對(duì)波浪的反射且與波浪間的摩擦進(jìn)行消波。因此浮箱的吃水深度（即相對(duì)吃水）對(duì)透射系數(shù)的影響很大。不同入射波（7 cm、10 cm）作用下，同一模型的透射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果相差很小。

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)一種新型錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系數(shù)及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)模型，主要研究了改變水平板層數(shù)和相對(duì)吃水對(duì)錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系數(shù)的影響。

1）研究試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)高度為18 cm的浮箱下設(shè)1層水平板的浮堤模型，其透射系數(shù)較浮箱式浮防波堤模型的透射系數(shù)最多可降低約0.2。浮箱

下部的水平板增加至2層，透射系數(shù)進(jìn)一步減小，但減小值約為0.05。浮箱高度為9 cm的錨鏈錨泊的浮箱-水平板式浮防波堤模型和浮箱式浮防波堤模型透射系數(shù)的比較結(jié)果與浮箱高度為18 cm的模型相似。

2）改變浮箱部分的吃水深度即相對(duì)吃水也對(duì)浮箱-水平板式浮堤的透射系數(shù)有明顯影響，即吃水深度越大，浮堤模型透射系數(shù)越小，說(shuō)明其阻波和消波效果越好。

3）本文試驗(yàn)所設(shè)置的6個(gè)模型，浮箱高18 cm的錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果最小。

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Experimental study on mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters

DONG Hua-yang1,2,WANG Yong-xue2,CHEN Yan-zhen1
（1.Dalian Marine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Dalian,Liaoning 116001,China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China）

Wave flume experimental study on the transmission coefficients and the influence of mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters was carried out in regular waves.The influences of the number of plates and the draught of pontoons(i.e.relative draught of pontoon)on the transmission coefficient of the mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters were investigated.The experimental results indicate that the mooring chain restrained pontoon-plates floating breakwaters has better ability of wave dissipation than mooring-chain restrained pontoon floating breakwaters. Additionally,the draught of pontoon is an important element on transmission coefficient.Increasing the draught of pontoon, better ability of dissipating wave is obtained.

floating breakwater;plate;flume experiment;mooring-chain restrained

U656.24

A

2095-7874（2016）05-0025-05

10.7640/zggwjs201605007

2015-12-10

2016-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50479054）

董華洋（1979— ），女，遼寧鞍山市人，博士，工程師，主要從事海上防災(zāi)減災(zāi)研究。E-mail：dhy791224@sina.com