半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)規(guī)則波下的試驗(yàn)研究

劉大年 上官子昌 王志云

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

半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)規(guī)則波下的試驗(yàn)研究

劉大年 上官子昌*王志云

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

在不影響海域景觀達(dá)到消減波浪緩減海岸侵蝕目的下，基于物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞岢隽艘环N半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)，并從波浪周期、入射波波高、模型排間距、下潛深度、模型排間排列方式對(duì)其在規(guī)則波作用下的消浪效果進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，此消浪結(jié)構(gòu)具有良好的消浪效果，能夠在一定程度上緩解海岸侵蝕。

半潛,消浪結(jié)構(gòu),消浪效果

0 引言

近年來，隨著海洋工程理論和技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，消浪設(shè)施已經(jīng)由以前的淺海和近海逐漸發(fā)展到深海和遠(yuǎn)海。傳統(tǒng)的消浪設(shè)施(如：直立式防波堤、斜坡式防波堤)造價(jià)大、成本高，且因其坐地式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其所保護(hù)的水域水體的循環(huán)受到限制，影響近海生態(tài)。浮式、半潛式消浪裝置具有很強(qiáng)的海水交換能力，不容易產(chǎn)生淤泥且造價(jià)低，更容易適應(yīng)于近海和遠(yuǎn)海作業(yè)。

阮成江、謝慶良論述了我國主要海岸侵蝕區(qū)的侵蝕現(xiàn)狀、特點(diǎn)及原因。并提出海岸侵蝕的防治對(duì)策：“保堤必須保灘”“全線防護(hù)變成線段防護(hù)”，在不同地區(qū)建造丁壩、淺堤、護(hù)坎壩、離岸堤以及它們的相互組合形式[1]。何超勇、王登婷通過物理模型試驗(yàn)，探討矩形方箱錨鏈錨泊浮式防波堤在規(guī)則波作用時(shí)，投射系數(shù)隨浮箱寬度、吃水深度、錨鏈初始張力等因素的變化規(guī)律[3]。嚴(yán)建國、戴小平利用特征函數(shù)法對(duì)矩形浮箱式放浪堤的消浪性能進(jìn)行分析，分析了浮堤的水動(dòng)力特性，確定浮堤的消浪性能[4]。江沭淮、周效國分析了透空式防波堤提出的背景及應(yīng)用前景，闡述了透空式防波堤理論研究、試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用進(jìn)展[5]。蔣昌波、袁盛良等對(duì)透空箱體浮式防波堤消浪特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了浮式防波堤在規(guī)則波作用下防波堤透射系數(shù)與模型頂板相對(duì)入水深度、相對(duì)板間距、相對(duì)板長(zhǎng)以及頂板開孔的關(guān)系[6]。汪宏，徐洪彬，宣剛提出了一種由消浪塊體、柔鎖和錨鏈系統(tǒng)組成的新型柔性浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式[7]。Mizutani和Rahman對(duì)于帶有穿孔結(jié)構(gòu)的平板錨泊結(jié)構(gòu)的箱式消浪結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本文在以上基礎(chǔ)上考慮到保護(hù)海洋景觀等因素設(shè)計(jì)了一種半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不僅造價(jià)低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于施工且具有較好的海水交換能力。內(nèi)部設(shè)計(jì)的球型網(wǎng)箱可以作為養(yǎng)殖箱來養(yǎng)殖貝類等，帶來經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)在中國水產(chǎn)科學(xué)院江蘇試驗(yàn)基地的波浪水槽(總長(zhǎng)60 m，寬1 m，高1.5 m)中進(jìn)行。水槽一端裝有可以產(chǎn)生單向規(guī)則波、不規(guī)則波的造波機(jī)，造波機(jī)產(chǎn)生的波形平穩(wěn)且重復(fù)性好；水槽另一端布置消浪網(wǎng)用以減少波浪的反射；水槽的兩邊為透明的鋼化玻璃，有利于對(duì)試驗(yàn)情況的觀察。造波機(jī)由微機(jī)系統(tǒng)控制且能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和分析，波浪的測(cè)量?jī)x器用DS30型64通道波高儀。儀器和設(shè)備在試驗(yàn)前進(jìn)行過標(biāo)定，能夠滿足試驗(yàn)所需的靈敏度和穩(wěn)定度的要求，為本次模型試驗(yàn)的成功提供了必要保證。

試驗(yàn)水槽一端是造波機(jī)，另一端是消浪網(wǎng)。模型前后分別放置兩個(gè)波高儀，編號(hào)分別是1,2,3,4。2號(hào)波高儀放置在距模型前段2 m處，1號(hào)波高儀放置在2號(hào)前段1.5 m處，用于采集入射波高數(shù)據(jù)；3號(hào)波高儀放置在模型后端2 m處，4號(hào)放置在3號(hào)后端1.5 m處，用于采集透射波高數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)物理模型及布置

如圖1所示，此次物理模型，由若干個(gè)相互連接的單元體組成的群式消浪裝置。單元體由8個(gè)內(nèi)徑16 mm外徑20 mm三通直角管兩兩連接，連接處進(jìn)行密封處理，制作成邊長(zhǎng)為100 mm的透空六面體型塊體。透空塊體內(nèi)部有直徑是80 mm的球型網(wǎng)箱。透空塊體下面四角處分別固定有一個(gè)小掛環(huán)，用于模型的下潛與固定，單元體之間的連接方式采用柔性連接。整個(gè)模型共有15排6列，單元體間的橫向間距固定為60 mm，縱向排間距有50 mm,100 mm,150 mm；每排單元體處在同一下潛深度的規(guī)則排列和偶數(shù)排較單數(shù)排相對(duì)下潛20 mm的121型的錯(cuò)位排列。

此次試驗(yàn)針對(duì)規(guī)則入射波，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備的條件(造波機(jī)產(chǎn)生最大波高且保證波浪不破碎等因素)，并按照重力相似的準(zhǔn)則來確定試驗(yàn)波的要素。試驗(yàn)采用水深d=0.9 m,波高H=0.05 m,0.06 m,0.07 m,0.08 m，波浪周期采用0.7 s,0.8 s,0.9 s,1.0 s，確定模型比尺是1∶30。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文重點(diǎn)討論此半潛嵌入球箱透空式塊體在規(guī)則波作用下透射系數(shù)的變化及消浪效果的試驗(yàn)研究。透射系數(shù)Kt=Ht/Hi，其中,Hi為堤前入射波高；Ht為堤后波高。

圖2～圖7是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在按照表1試驗(yàn)方案探討波高、下潛深度、排間距、排間排列方式對(duì)透射系數(shù)的影響以及下潛深度對(duì)布設(shè)排間排列方式消浪性能的影響的試驗(yàn)結(jié)果分析。

3.1周期T對(duì)透射系數(shù)的影響

結(jié)合圖2～圖7試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)果表明：透射系數(shù)隨著周期的增大而增大。當(dāng)周期為1.0 s，波高0.08 m時(shí)，消浪效果依然能達(dá)到45%作用，此消浪結(jié)構(gòu)消浪效果明顯。

3.2波高對(duì)透射系數(shù)的影響

圖2是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在排間距15 cm、下潛深度0 cm、排間采用規(guī)范排列的方案下，在不同波高下對(duì)透射系數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可看出，隨著波高的增大，波浪透射系數(shù)先變小后變大，但波高每變化0.01 m透射系數(shù)的變化范圍基本在2%以內(nèi),說明波高對(duì)透射系數(shù)的影響不大。

3.3下潛深度對(duì)透射系數(shù)的影響

圖3是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在排間距15 cm、排間采用規(guī)范排列的方案下，在不同下潛深度下透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可以看出，在下潛2 cm下，透射系數(shù)比在下潛0 cm和2 cm下時(shí)的透射系數(shù)小，且透射系數(shù)隨周期變化的線性增長(zhǎng)沒有在下潛0 cm和下潛4 cm時(shí)的線性增長(zhǎng)明顯。即此消浪結(jié)構(gòu)在下潛2 cm時(shí)的消浪效果比在下潛0 cm和4 cm時(shí)的效果好。下潛2 cm和4 cm時(shí)，在大波高大周期作用下，消浪效果依然能達(dá)到45%左右，消浪效果明顯。

3.4縱向排間距對(duì)透射系數(shù)的影響

圖4是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在下潛0 cm，排間排列采用規(guī)則排列的方案下，在不同排間距下的透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可以看出，透射系數(shù)隨著排間距的增大而減小。即此消浪結(jié)構(gòu)的消浪性能與排間距成正比，隨排間距的增大而增大。

3.5布設(shè)排間排列方式對(duì)透射系數(shù)的影響

圖5是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在下潛0 cm,排間10 cm的方案下，排間排列方式每排單元體在同一下潛深度的規(guī)則排列與偶數(shù)排較單數(shù)排相對(duì)下潛2 cm的121錯(cuò)位排列試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖5可以看出121的錯(cuò)位排間排列方式的透射系數(shù)比規(guī)則排列的小，即錯(cuò)位方式的消浪性能比規(guī)則排列的消浪性能好，尤其在小波高小周期下，其消浪效果達(dá)到了80%。

3.6下潛深度對(duì)布設(shè)排間排列方式透射系數(shù)的影響

圖6是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在波高0.08 m，排間距10 cm的方案下，在下潛0 cm和2 cm下每排單元體都距水面同一下潛深度的規(guī)則排列與偶數(shù)排較單數(shù)排相對(duì)下潛2 cm的121錯(cuò)位排列的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖6可以看出在下潛0 cm時(shí)，錯(cuò)位排列的透射系數(shù)比規(guī)則排列的小；在下潛2 cm時(shí)，錯(cuò)位排列的透射系數(shù)卻比規(guī)則排列的大，其消浪性能反不如規(guī)則排列。

3.7波陡對(duì)透射系數(shù)的影響

波陡反映了波浪波動(dòng)的平均斜率，其定義是：波高H與波長(zhǎng)L的比值。圖7是半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)在波高0.08 m，排間距分別是5 cm,10 cm和15 cm，下潛深度分別是0 cm,2 cm和4 cm方案下波陡H/L對(duì)透射系數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可以看出所有曲線都符合相同的規(guī)律：隨著波陡的增大透射系數(shù)在減小。下潛2 cm，排間距是15 cm時(shí)的消浪效果最好，與前面在下潛深度和排間距對(duì)透射系數(shù)的影響得到的結(jié)論相一致。

4 結(jié)語

本文對(duì)此半潛嵌入球箱透空式塊體消浪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在規(guī)則波作用下的物理模型試驗(yàn)研究，分析了波高、周期、下潛深度、縱向排間距、排間排列方式和波陡等因素對(duì)此消浪結(jié)構(gòu)透射系數(shù)的影響。結(jié)果表明，波高對(duì)此消浪結(jié)構(gòu)透射系數(shù)影響不大；隨著周期的增大，模型的透射系數(shù)增大，在1.0 s周期下此模型消浪效果達(dá)到45%，消浪效果依然明顯；隨著下潛深度的增加，透射系數(shù)先減小后增大，即在某一下潛深度下，模型存在最大消浪性能；隨著縱向排間距的增大消浪效果變好。

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Theexperimentalstudyonthehollowwavedissipationstructureofasemi-submersibleembeddedballboxintheregularwave

LiuDanianShangguanZichang*WangZhiyun

(InstituteofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

In order to break wave to protect coast without coastal landscape destruction, based on the physical experiment mode, a kind of semi-submersible embedded spherical block wave structure is proposed. In this paper the wave length, wave height, model row spacing, depth of submergence and model arrangement are studied. The experimental results show that the wave structure has a good wave effect.

semi-submersible, wave structure, wave effect

1009-6825(2017)30-0048-03

2017-08-16

劉大年(1990- )，男，在讀碩士

上官子昌(1959- )，男，教授

U656.31

A