半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究

荊佳瑩，上官子昌，劉大年

（大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究

荊佳瑩，上官子昌*，劉大年

（大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

在加強(qiáng)海水交換及不影響海域景觀的前提下，基于物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞岢隽艘环N半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)，并對其在不同參數(shù)的規(guī)則波作用下的消浪效果進(jìn)行了研究。主要從波浪周期、入射波波高、模型排數(shù)、間距及下潛深度的變化來探究其消浪性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，此消浪結(jié)構(gòu)具有良好的消浪效果，在一定程度上可以緩解海岸侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生，為今后推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

半潛；試驗(yàn)研究；消浪性能；透射系數(shù)

0 引言

世界上第一個(gè)浮式防波堤當(dāng)屬1811年在英國Plymouth港安放的木質(zhì)浮式防波堤[1]。日本的第一個(gè)防波堤安置在Aomori港，1976年又在日本福山建成了矩形浮箱式浮堤正式應(yīng)用[2]。我國由南京水利水電科學(xué)研究院研制的浮式導(dǎo)航防波堤于1962年應(yīng)用在丹江口水庫中[3]。Hales[4]和Mc Cartney[5]分別闡述了浮式防波堤的發(fā)展歷史及其應(yīng)用。董國海等[6]提出一種新型的板-網(wǎng)浮式防波堤，用于保障深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱在風(fēng)浪中的安全。程永州等[7]通過探討了一種新型防波堤上下層平板的相對間距及格柵板間隙比等參數(shù)得出上下各格柵板間隙比為0.1時(shí)，消浪效果最佳。王登婷等[8]對竹排浮式消浪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)并結(jié)合眾多學(xué)者的研究成果導(dǎo)出了改進(jìn)后的透射系數(shù)公式。楊彪等[9]提出雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤，并與雙浮箱浮式防波堤進(jìn)行對比。吳靜萍等[10]提出一種用圓形模板漂浮在水面上的浮漂式防波堤。一些學(xué)者也進(jìn)行了不同形式的消浪結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，比如新型柔性浮式防波堤[11]，多孔浮式防波堤[12]，T形透空式防波堤[13]等，本文在浮式消浪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不僅有較強(qiáng)的海水交換性能和較高的性價(jià)比；對地基的要求低，可以在軟土海床上進(jìn)行建造，安放位置很容易改變；其制作工藝相對簡單，浮體、錨具都易制得[14]。而且此模型全部潛入水下，不會(huì)對海域景觀產(chǎn)生破壞，其下部系上網(wǎng)兜的設(shè)計(jì)可以養(yǎng)殖貝類等，帶來經(jīng)濟(jì)效益。

上述研究表明這種新型半潛式消浪結(jié)構(gòu)有很好的應(yīng)用前景，本文針對此半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，分析了周期、波浪、間距、下潛深度等因素對半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)的波浪透射系數(shù)的影響，為以后工程上的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)在大連海洋大學(xué)遼寧省海岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽（總長40 m，寬0.7 m，高1 m）中進(jìn)行。水槽一端裝有造波機(jī)，可產(chǎn)生單向規(guī)則波、不規(guī)則波，且產(chǎn)生的波形平穩(wěn)重復(fù)性好；水槽另一端設(shè)有多層消波網(wǎng)以減少波浪反射。水槽兩端為透明鋼化玻璃，方便對試驗(yàn)情況進(jìn)行觀察。造波機(jī)由微機(jī)系統(tǒng)控制且可進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析，波浪的測量采用DS30型64通道波高儀。這些儀器和設(shè)備在試驗(yàn)前后進(jìn)行標(biāo)定，滿足試驗(yàn)所需的靈敏度和穩(wěn)定度的要求，為半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)物理模型試驗(yàn)的成功提供了必要保證。

2 試驗(yàn)波要素

試驗(yàn)針對規(guī)則入射波，綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備條件、造波機(jī)所能產(chǎn)生的最大波高且保證波浪不破碎等因素，并按照重力相似準(zhǔn)則確定試驗(yàn)波要素。試驗(yàn)采用水深d=0.65 m，波高H=0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.10 m，波浪周期分別為0.7 s、0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s，模型比尺1∶30，分別對應(yīng)實(shí)際波高為1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m，對應(yīng)實(shí)際周期為3.83 s、4.38 s、4.93 s、5.48 s、6.02 s。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

此次模型單元體采用直徑為32 mm的空心圓管，為了增大其浮力，在圓管的兩端分別用直徑為32 mm的泡沫圓柱填充，并在頂端用涂有防水膠的蓋子密封，單元體下端系上網(wǎng)兜，裝入等重量的石子以平衡浮力（圖1）。單元體和單元體之間采用柔性連接，橫向單元體間距離為3 cm，縱向距離為12 cm和18 cm。

圖1 半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Semi-submerged verticalcylinder type wave dissipation structure model

如圖2所示，試驗(yàn)水槽一端是造波機(jī)，另一端是消浪裝置，將模型布置在水槽中間位置，距離造波機(jī)20 m。堤前布置2個(gè)波高儀，1號與2號波高儀間距為1 m，2號波高儀布置在距離模型1倍波長處，用于測模型前端入射波高；堤后布置2個(gè)波高儀，3號、4號波高儀布置在距離模型后端1.8 m處，用于測定透射波高的變化。每組試驗(yàn)重復(fù)3遍，取平均值作為最后試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中采用的采樣間隔為0.02 s，采樣個(gè)數(shù)為1 024個(gè)。試驗(yàn)中的模型布置如圖1所示。模型布置方案見表1。

圖2 模型試驗(yàn)示意圖Fig.2 Sketch ofmodelexperiment

表1 模型布置方案Table 1 Modellayout plan

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 周期T對透射系數(shù)的影響

圖3～圖6為半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)在不同周期下透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，透射系數(shù)隨著周期的增大而增大；當(dāng)大波高、大周期的情況下，透射系數(shù)最大可達(dá)到0.9左右，其消浪效果不明顯。

圖3 波高對透射系數(shù)的影響Fig.3 Effectofwave height on transmission coefficient

圖4 布置排數(shù)對透射系數(shù)的影響Fig.4 Effectofrow number on transmission coefficient

圖5 布設(shè)排間距對透射系數(shù)的影響Fig.5 Effect of row spacing on transmission coefficient

圖6 下潛深度對透射系數(shù)的影響Fig.6 Effect of water depth on transmission coefficient

4.2 波高H對透射系數(shù)的影響

圖3為半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)在不同波高下透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。即實(shí)行布置方案二的消波性能觀測。從圖中可以看出，波浪透射系數(shù)基本上隨著波浪周期的增大而增大，但隨著波高的增加，透射系數(shù)增幅較小，基本在1%～2%之間，這說明波高對透射系數(shù)的影響不大。

4.3 模型布置排數(shù)對透射系數(shù)的影響

物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)布置方案一時(shí)的消波性能觀測。圖4比較了不同布設(shè)排數(shù)下透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，分為8排、12排、16排3種情況，采用的排間距為12 cm，每增加1排布設(shè)長度增加0.152 m。通過圖4試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著排數(shù)的增加，波浪的透射系數(shù)逐漸減小，消浪效果顯著；當(dāng)排數(shù)減小到8排的時(shí)候，模型長度為1.096 m，周期為1.1 s，這時(shí)的透射系數(shù)已經(jīng)接近0.9左右，其原因是當(dāng)周期增大到1.1 s時(shí)，單個(gè)波長已經(jīng)大于模型長度，波浪越過模型，破碎很少，所以基本無消浪效果。

4.4 模型布置排間距對透射系數(shù)的影響

物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)布置方案一16排時(shí)的消波性能觀測。圖5給出了在模型總排數(shù)為16排，每排間距分別為12 cm、18 cm時(shí)的透射系數(shù)對比圖。圖中試驗(yàn)結(jié)果顯示，透射系數(shù)隨著布置排間距的增加而減小。從圖5中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)布設(shè)排間距為16 cm時(shí)（即布設(shè)長度為3.21 m）時(shí)，周期大于1 s時(shí)波浪幾乎70%～80%透過，模型對短波消浪效果顯著。

4.5 模型下潛深度對透射系數(shù)的影響

物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行了半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)在模型布置方案三時(shí)的消波性能觀測。圖6為模型采用16排，其排間距為18 cm，下潛深度分別為0.00 m、0.03 m、0.06 m時(shí)的透射系數(shù)測試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，下潛深度對透射系數(shù)的影響比較明顯，隨著入水深度的增加而增大。當(dāng)下潛深度為0.06 m時(shí)，隨著周期的增大，透射系數(shù)的線形增長較明顯，當(dāng)周期0.9 s時(shí)，線形變化更明顯。

4.6 波陡對透射系數(shù)的影響

波陡是波高H與波長L的比值，表示了波浪波動(dòng)的平均斜率。圖7為模型排數(shù)8排、12排、16排時(shí)透射系數(shù)的測試結(jié)果。當(dāng)波高為0.06 m時(shí)，8排、12排和16排的透射系數(shù)隨著波陡的增加而逐漸減少，在波高為0.09 m、H/L為0.07時(shí)，8排和12排的透射系數(shù)很接近，反映出半潛直立筒消浪結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)隨著相對波陡的變化規(guī)律存在相似關(guān)系。隨著波陡的增加16排的透射系數(shù)較8排的減小了0.5左右，效果明顯，也就是模型對短周期的消波效果明顯。

圖7 波陡對透射系數(shù)的影響Fig.7 Effect of wave steep on transmission coefficient

5 結(jié)語

本文針對此半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，分析了周期、波浪、間距、下潛深度、波陡等因素對半潛直立筒式消浪結(jié)構(gòu)透射系數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，周期對模型透射系數(shù)的影響很大，隨著周期的增大模型的消波效果越來越明顯；增大排數(shù)和排間距可有效增強(qiáng)模型的消浪性能；而隨著入水深度的增加，也會(huì)使得消波性能減弱，但是當(dāng)模型的下潛緊貼水表面（即0 m）時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果很理想，最佳透射系數(shù)僅為10%左右。

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Experimental study on the performance of semi-submerged vertical tube wave dissipation structure

JING Jia-ying,SHANGGUAN Zi-chang*,LIU Da-nian
（College of Ocean and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian,Liaoning 116023,China）

Based on the physical experiment model,we proposed a kind of semi-submerged vertical cylindrical waveeliminating structure under the premise ofstrengthening seawater exchange and without affecting the landscape of the sea area, and studied the effect of regular waves in different parameters.The wave period,incident wave height,model row number, spacing and dive depth were investigated to explore its wave dissipation performance.The test results show that the wave dissipation structure has a good effect of eliminating waves,which can relieve the occurrence of coastal erosion to a certain extentand provide the basis for future popularization and application.

semi-submersible;experimental study;wave dissipation performance;transmission coefficient

U652.74

A

2095-7874（2017）02-0038-04

10.7640/zggwjs201702008

2016-09-13

2016-11-11

海洋公益海域評估（34/041114027）

荊佳瑩（1990— ），女，遼寧撫順人，碩士研究生，水利工程專業(yè)。

*通訊作者：上官子昌，E-mail：599141207@qq.com