多層廢舊輪胎半潛式防波堤消浪性能研究

祁隆，上官子昌，汪學強，吳湛輝，蹇勇

（1.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學遼寧省海岸工程重點實驗室，遼寧 大連 116023；3.錦州水務(wù)（集團）錦凌水庫經(jīng)營管理公司，遼寧 錦州 121000）

0 引言

隨著新建防波堤的位置向深水區(qū)推進，波浪強度越來越大，傳統(tǒng)的防波堤工程結(jié)構(gòu)因其造價昂貴、技術(shù)復(fù)雜、施工困難等因素遠不能滿足深水港口建設(shè)的需求，因此發(fā)展新形式的防波堤勢在必行[1]。半潛式防波堤作為其中的一種形式，相對于傳統(tǒng)形式的防波堤，最大的特點在于，防波堤整體潛入水面以下一定深度。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：能更好地適應(yīng)深水海況；在擁有更佳消浪性能的前提下，其造價大大降低，日常維護工作簡化；可在不破壞環(huán)境的前提下，最大限度地利用廢舊材料，提高廢舊用品利用率，真正做到“變廢為寶”。

國外在20世紀60年代末就開始進行廢舊輪胎浮式防波堤的研究，大部分研究工作基于現(xiàn)場和原型試驗，如：1968年美國陸軍工程水道實驗站在Vicksburg做了Wave-maze型廢舊輪胎浮式防波堤現(xiàn)場實驗[2]；1978年Giles等進行了全相似的Goodyear型廢舊輪胎浮式防波堤試驗研究。國外工程實例，如：英國格拉斯哥大學在福斯灣埃德加港海面上，安裝了一道廢舊輪胎浮式防波堤。

國內(nèi)在2010年由大連理工大學研究生張余[3]進行了廢舊輪胎浮式防波堤模型試驗，作者依據(jù)水彈性相似理論設(shè)計小比尺的廢舊輪胎浮式防波堤模型試驗，通過與Harms等在美國陸軍海岸工程研究中心做的原型試驗對比，驗證了廢舊輪胎浮式防波堤等柔性防波堤結(jié)構(gòu)模型試驗技術(shù)的可行性。進行了廢舊輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)相對堤寬、錨鏈拖地長度、彈性系數(shù)等對其消浪性能影響的試驗研究，為實際工程應(yīng)用提供參考。

中國海洋大學研究生姚卓琳[4]在2013年進行了新型半潛式開孔防波堤水動力特性研究，以理論分析和實驗相結(jié)合的方式進行。結(jié)果顯示，隨著潛入深度的增加，透射系數(shù)呈增大趨勢，消浪效果逐漸變差。但是相比于同類型的浮式防波堤而言，消浪效果明顯增強。由此可知，半潛式具有很大的優(yōu)勢。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型半潛式防波堤-多層廢舊輪胎半潛式防波堤，并以物理模型試驗的方式研究了其消浪性能及影響因素，可為實際工程提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設(shè)備及儀器

試驗在大連海洋大學遼寧省海岸工程重點實驗室波浪水槽中進行。水槽總長40 m，寬0.7 m，高0.9 m，一端安裝有交流伺服電機驅(qū)動推板造波機，可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波；另一端裝有多孔介質(zhì)消波裝置，可以有效減小波浪的反射；水槽兩側(cè)為鋼化玻璃，可實時觀測實驗情況。采用DS30型64通道浪高儀采集波浪情況，同時配備天津水運工程科學研究所研制的2000型波浪測量和采集系統(tǒng)進行采集，量程在2 m以內(nèi)，誤差低于0.5%。實驗前后均對所有測量儀器進行了標定和校準，從而保證了數(shù)據(jù)的準確性和有效性。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計滿足重力相似準則，比例尺為1∶30。模型單元均采用直徑0.07 m的模具小輪胎。模型至少由2層輪胎組成，最多為4層。每層長度為2.8 m，寬度為0.63 m，層間距為0.05 m。每層輪胎包括水平方向排列的輪胎單元體和至少2層垂直方向排列的層間距控制器單元體，模型輪胎之間用扎帶綁扎，上下相鄰2層輪胎單元體錯距分布。每層廢舊輪胎單元體底部設(shè)有鋼筋骨架。最底層的鋼筋骨架通過錨鏈連接錨固鉛塊，整個模型潛入水下一定深度。

試驗布置示意圖如圖1所示：模型布置在水槽中央位置，距離造波機20 m，不會發(fā)生二次反射。模型前端（1號、2號）和后端（3號、4號）各布置2個浪高儀，1號與2號及3號與4號的間距均為0.3 m，B距模型前端2 m，C距模型后端為1.5 m。

本次試驗均采用規(guī)則波，每組試驗需要重復(fù)3次，取其平均值作為最終結(jié)果，最后應(yīng)用兩點法進行計算。試驗采樣間隔為0.02 s，每次采集1 024個。

圖1 試驗布置示意圖Fig.1 Test layout diagram

1.3 試驗設(shè)計

模型共有3種：2層輪胎、3層輪胎、4層輪胎。模型的長度均為2.8 m，寬度為0.63 m，層間距均為0.05 m。每種模型均設(shè)置3個下潛深度：0.08 m、0.12 m、0.15 m；4個水深：0.56 m、0.59 m、0.62 m、0.65 m；4個波高：0.10 m、0.12 m、0.15 m、0.18 m；4個周期：1.2 s、1.5 s、1.8 s、2.0 s。

2 結(jié)果分析

由波浪理論可知：透射系數(shù)Kt是評估防波堤消浪性能的一個重要指標，其表達式定義為[5]：Kt=Ht/Hi式中：Ht為堤前入射波高；Hi為堤后透射波高。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的波浪時間過程曲線數(shù)據(jù)，通過Matlab小程序進行入反射波分離，進而求得相應(yīng)工況下的透射系數(shù)Kt。

2.1 模型層數(shù)對透射系數(shù)K t的影響

圖2 模型層數(shù)對防波堤透射系數(shù)的影響Fig.2 Effect of model layer on thetransmission coefficient of breakwater

圖2 給出了多層廢舊輪胎半潛式防波堤的透射系數(shù)隨模型層數(shù)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在波高H=0.1 m，潛水深度d=0.08 m的條件下，當水深D分別為0.56 m、0.59 m時，透射系數(shù)Kt隨著層數(shù)的增加都是逐漸增大的趨勢。但是不同層數(shù)透射系數(shù)的大小關(guān)系為：Kt3＞Kt2＞Kt4，即：3層的消浪效果最佳，2層的次之，4層的靠后，這充分說明了對于多層廢舊輪胎半潛式防波堤而言，并非層數(shù)越多越好。這也符合能量的分布規(guī)律，即：海水中波浪的能量大部分集中在水體的表層，在表層2倍到3倍波高的水層厚度內(nèi)分別集中了90%到98%的波能[6-7]，此時波高H為0.1 m，在實際海況中，3層模型的最下面一層在水面以下8.1 m＞6.0 m，超過了波浪能量分布規(guī)律的下限，故3層的消浪效果已經(jīng)達到最佳，最好時達到了0.42。當周期加大時，4層的效果之所以變差，是因為模型和波浪發(fā)生了共振現(xiàn)象，在實驗過程中可明顯觀察到模型和波浪幾乎同步運動。

2.2 相對潛水深度D r對透射系數(shù)K t的影響

圖3 相對潛水深度D r對透射系數(shù)的影響Fig.3 Effect of relative depth of diving D r on transmission coefficient

圖3 給出了防波堤模型透射系數(shù)隨相對潛水深度Dr（下潛深度與水深的比值）的變化趨勢，圖3（a）、（b）表示的是相對潛水深度 Dr分別對 2層、3層防波堤模型透射系數(shù)的影響。綜合來看，在相同條件下，透射系數(shù)Kt均隨相對潛水深度的增加而增大，且對3層模型的透射系數(shù)影響較為顯著。當相對潛水深度Dr為0.14時最小，3層模型最小達到了0.44。當相對潛水深度Dr在0.21時，透射系數(shù)Kt基本穩(wěn)定在0.65左右，消浪效果較為理想；當相對潛水深度Dr為0.27時，透射系數(shù)Kt最大已經(jīng)達到了0.87，消浪效果急劇變差。

2.3 波高H對透射系數(shù)K t的影響

圖4給出了2層廢舊輪胎半潛式防波堤在不同水深D和周期T的條件下，透射系數(shù)隨波高H的實驗結(jié)果。從圖4（a）中可知，當水深為0.56 m時，透射系數(shù)隨著波高的增加呈減小趨勢，最小為0.46。從圖4（b）可知，在水深由0.59 m增加到0.65 m的過程中，透射系數(shù)的變化規(guī)律是不盡相同的。水深D=0.59 m，周期T=1.2 s的條件下，透射系數(shù)隨著波高H的變化，先增大后減小；周期逐漸變大時，透射系數(shù)隨著波高的增大而減小。由此可見，多層廢舊輪胎防波堤的消浪性能，不完全取決于波高H，而是多種因素共同影響的結(jié)果，要分不同的條件去研究，不可一概而論。

圖4 波高H對透射系數(shù)的影響Fig.4 Effect of waveheight H on transmission coefficient

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知[8-10]，雙層和多層防波堤的消浪效果要優(yōu)于單層防波堤，但由于此類防波堤的結(jié)構(gòu)所限，其水平層將承受較大的波浪上拖力，容易造成疲勞破壞及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生側(cè)翻，從而影響防波堤的消浪效果。在這節(jié)討論中，波高對防波堤透射系數(shù)的影響不是很規(guī)律，從實驗現(xiàn)象來看，此種條件下，防波堤運動較為劇烈，與以上所述現(xiàn)象基本吻合，由此可斷定，實驗結(jié)果在一定程度上受到了防波堤運動劇烈的影響。

2.4 周期T對透射系數(shù)K t的影響

圖5給出了不同層數(shù)的相對條件下，透射系數(shù)隨周期的變化規(guī)律。由圖5可知，透射系數(shù)總體是隨著周期T的增大而增大，當周期在1.2～1.5 s時，透射系數(shù)從0.54增加到0.63，變化速度較緩慢，說明此種防波堤對小周期波浪的消浪效果較好。當周期由1.5～2.0 s時，透射系數(shù)變化較快，最高點為0.90，消浪效果急劇變差，說明防波堤對大周期波浪消浪效果較差。綜合來看，3層的曲線大體位于2層和4層的下面，進一步說明了3層的消浪效果最佳，即：3層防波堤模型對周期的變化較2層和4層不敏感。4層模型的消浪效果雖然沒有明顯的提升，但是從圖中可以看出，對于大周期波浪，4層與2層和3層相比，透射系數(shù)相對較小，說明4層模型對于大周期波浪有較好的效果。

圖5 周期T對透射系數(shù)的影響Fig.5 Effect of periodic T on the transmission coefficient

3 結(jié)語

本文通過物理模型試驗，對一種多層廢舊輪胎半潛式防波堤的透射系數(shù)及其影響因素進行了研究。本次試驗共設(shè)置3種模型（2層、3層、4層），主要研究了透射系數(shù)隨模型層數(shù)、相對潛水深度、波高、周期4個參數(shù)變化的規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）模型層數(shù)對透射系數(shù)的影響效果有限，并非層數(shù)越多效果越好。3層模型的消浪效果最好，2層的次之，4層靠后，即：Kt3＞Kt2＞Kt4。

2）相對潛水深度Dr、波高H和周期T對透射系數(shù)的影響較為顯著。從試驗結(jié)果分析來看，相對潛水深度為0.14，即：模型的潛水深度為0.08 m時的效果最好，可消去70%左右的波浪。波高H對透射系數(shù)的影響機理較復(fù)雜，應(yīng)該結(jié)合其他因素綜合分析，才能得出較為準確的結(jié)論。通過分析周期T對透射系數(shù)的影響可知：此種防波堤對較小周期波浪效果較好，而對大周期波浪，效果不理想。

3）在試驗中可以觀察到，當波浪透過該結(jié)構(gòu)時，這種特殊的多（層）孔輪胎陣結(jié)構(gòu)可以破壞波浪水質(zhì)點豎向運動軌跡，輪胎本身可以破壞波浪水質(zhì)點的水平運動軌跡，從而起到衰減波能的作用。這一結(jié)論正好驗證了文獻[9]中得出的結(jié)論。

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[2]NELSONWL.An investigation into thescalingconfidenceof floating tire breakwater model tests[D].Washington:University of Washington,1978.

[3]張余.廢舊輪胎式浮防波堤模型試驗設(shè)計與性能研究[D].大連：大連理工大學，2009.ZHANG Yu.Study on design and performance of waste tire-type floating breakwater model[D].Dalian:Dalian University of Technology,2009.

[4]姚卓琳.新型半潛式開孔防波堤水動力特性的研究[D].青島：中國海洋大學，2014.YAOZhuo-lin.Study on hydrodynamic characteristics of a new semi-submerged open-cut breakwater[D].Qingdao:Ocean University of China,2014.

[5]趙軍.新型透空式防波堤消浪性能研究[J].中國水運月刊，2017，17（2）：191-193.ZHAO Jun.Study on the anti-wave performance of a new type of open-air breakwater[J].China Water Transport,2017,17(2)：191-193.

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[8] 王志勇，朱浩，劉國寶.雙層水平板式防波堤結(jié)構(gòu)箱型水平板研究[J].水運工程，2012（11）：51-56.WANG Zhi-yong,ZHU Hao,LIU Guo-bao.Box-type horizontal plateof twin-platebreakwater structure[J].Port&Waterway Engineering,2012(11):51-56.

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