“十”形防波堤消波性能試驗(yàn)研究

陶佳偉 吳靜萍 鄭曉偉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

防波堤能阻斷波浪沖擊，維持港內(nèi)水面平穩(wěn).近年來受到廣泛關(guān)注的透空式防波堤，在具備上述功能的同時(shí)，其非沉底式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以保證海水的交換功能，滿足了綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，又因?yàn)閿[脫了水深的限制，使得此種消浪結(jié)構(gòu)物能夠從近岸走向深海，為遠(yuǎn)洋作業(yè)的船只和平臺(tái)提供消浪支持.

Hattori[1]通過物理模型試驗(yàn)，比較了同一水平板，分別位于自由表面、1/4水深、1/2水深處的透射和反射系數(shù)，得出了水平板位于自由表面時(shí)有最佳消浪效果的結(jié)論.Dattatri等[2]對(duì)水平板模型進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，透射系數(shù)隨著平板浸入水深的減小而減小，反射系數(shù)的變化則正相反.Patarapanich等[3]針對(duì)潛式水平板在規(guī)則和不規(guī)則波作用下的透射和反射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.試驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)板寬B/L(B為水平板板寬，L為波長(zhǎng))在0.5～0.71，相對(duì)浸深d/h(d為模型浸入水下深度，h為水深)在0.05～0.15之間時(shí)，模型的透射系數(shù)最小.Neelamani等[4-5]提出了較為合理的T形和⊥形防波堤結(jié)構(gòu)，且對(duì)其開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)都具有一定的消浪效果，但兩者的消浪機(jī)理和擅長(zhǎng)消減的波浪類型有所不同，并據(jù)此提出了優(yōu)化和組合兩種模型消浪優(yōu)勢(shì)的構(gòu)想.

何軍等[6]通過構(gòu)建數(shù)值波浪水槽，對(duì)T形防波堤與波浪的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬.王國(guó)玉等[7]對(duì)T形防波堤的消波性能進(jìn)行了基于特征函數(shù)展開法的計(jì)算研究.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在透空式防波堤的消浪性能方面取得了一定的研究成果，在已有的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和優(yōu)化出新式的防波堤結(jié)構(gòu)是值得研究的.本文在前人的研究成果基礎(chǔ)上，以結(jié)合T形和⊥形防波堤結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出“十”形防波堤，通過物理模型試驗(yàn)，對(duì)該模型的消波性能進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)布置與方法

試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽(長(zhǎng)×寬×高為18 m×0.6 m×0.8 m)中進(jìn)行.試驗(yàn)水深0.5 m，使用推板造波機(jī)造波，水槽尾端則采用U形消波段消波.圖1為水槽示意圖和安裝試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蟮乃壅掌?

圖1 試驗(yàn)水槽

在模型前后各放置兩具SDA1000型浪高儀記錄波高數(shù)據(jù)，其量程為40 cm，誤差在0.5%以內(nèi).浪高儀的放置應(yīng)滿足下列要求：堤前浪高儀與造波板至少距離1倍最大波長(zhǎng)，使水波與模型作用前能充分發(fā)展，堤后浪高儀應(yīng)盡量靠近防波堤，以減小水槽尾部反射波的影響.

通過將堤后的波高數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)的透射波頻域圖，見圖2.讀取主要頻率下的透射波高Hi與入射波高H相比求出透射系數(shù)Kt.

圖2 透射波高頻域圖

“十”形防波堤模型由有機(jī)玻璃板拼接而成，板厚6 mm，水槽寬度方向0.595 m，水平板板寬0.3 m，豎直板板高0.15 m.通過金屬細(xì)桿與水槽上方的金屬支架相連接，支架可根據(jù)試驗(yàn)的需要調(diào)整豎直方向高度.模型試驗(yàn)參數(shù)見表1.

表1 “十”形防波堤試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過改變模型浸水深度、水波波陡，以及波長(zhǎng)等參數(shù)，進(jìn)行系列試驗(yàn).分析相對(duì)浸深、波陡、相對(duì)板寬等無因次化參量對(duì)透射系數(shù)的影響.圖3為在浸深d分別為0和0.05 m時(shí)，透射系數(shù)Kt隨相對(duì)板寬的變化.

圖3 相對(duì)板寬對(duì)透射系數(shù)Kt的影響

由圖3可知，在不同波陡條件下，“十”形防波堤的透射系數(shù)隨水平板相對(duì)板寬B/L的增大而減小.這一趨勢(shì)和文獻(xiàn)[4]的T形防波堤試驗(yàn)結(jié)果以及文獻(xiàn)[7]的解析解結(jié)果相同.由圖3b)可知，當(dāng)浸水深度d=0.05 m時(shí)，模型的整體透射系數(shù)均處于較低值，相對(duì)板寬B/L>0.2時(shí)，模型透射系數(shù)已降至0.2以下，取得了較好的消浪效果.而當(dāng)相對(duì)板寬B/L>0.25之后，透射系數(shù)的下降趨勢(shì)變緩，此時(shí)若進(jìn)一步增加水平板寬度，收效將不會(huì)明顯.

圖4為在浸深d分別為0和0.05 m時(shí)，透射系數(shù)Kt隨波陡的變化.

圖4 波陡對(duì)透射系數(shù)Kt的影響

由圖4可知，當(dāng)kh一定時(shí)，波陡越大，“十”形防波堤的透射系數(shù)越小.觀察圖4b)，模型透射系數(shù)的變化較為平緩，最小波陡0.02與最大波陡0.08之間的透射系數(shù)相差不超過0.1，由此可見波陡對(duì)防波堤透射系數(shù)的影響較小.

圖5為在波陡分別為0.02和0.06時(shí)，透射系數(shù)Kt隨相對(duì)浸水深度的變化.

圖5 相對(duì)浸深對(duì)透射系數(shù)Kt的影響

由圖5可知，在不同波長(zhǎng)條件下，模型透射系數(shù)隨浸深的變化趨勢(shì)是一致的：相對(duì)浸深d/h<0.1時(shí)，透射系數(shù)隨浸水深度的增加而減小，在d/h=0.1時(shí)，達(dá)到最小值，此時(shí)的透射系數(shù)可以控制在0.2左右.而當(dāng)相對(duì)浸深d/h超過0.1之后，透射系數(shù)隨浸深的增加而增加.當(dāng)相對(duì)浸深增加到0.15時(shí)，模型的透射系數(shù)回升到d/h=0.05時(shí)的水平.

3 試驗(yàn)結(jié)果比較

為了充分評(píng)價(jià)“十”形防波堤的消浪性能，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[4]中的T形防波堤試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.

由于試驗(yàn)水深不同，選用浸深板高比d/D來代替相對(duì)浸深d/h作為無因次化參量進(jìn)行比較. 選取T形防波堤工況d/D=0.4，相對(duì)板寬B/L分別為0.217、0.32.“十”形防波堤的試驗(yàn)結(jié)果取，浸深板高比d/D=0.333，相對(duì)板寬B/L分別為0.214、0.3.比較結(jié)果見圖6.

圖6 相對(duì)浸深對(duì)透射系數(shù)Kt的影響

由圖6可知，當(dāng)防波堤進(jìn)入水中一定深度的情況下，“十”形防波堤的透射系數(shù)遠(yuǎn)低于T形防波堤，其透射系數(shù)可控制在0.4左右.兩模型的透射系數(shù)隨波陡的變化基本一致，隨著波陡的增加而降低.

圖7以d/D為變量，探究?jī)赡Ｐ屯干湎禂?shù)的變化.

圖7 相對(duì)浸深對(duì)透射系數(shù)Kt的影響

由圖7可知，當(dāng)d/D=0時(shí)(即水平板處于靜水面位置時(shí))T形防波堤的消浪性能是略優(yōu)于“十”形防波堤的.文獻(xiàn)[6]能很好的作出解釋：當(dāng)“T”形防波堤的水平板位于靜水面時(shí)，黏性波能損耗為防波堤消浪的主要形式，而此時(shí)“十”形防波堤的迎浪面水平板寬度只有T形防波堤的一半，因此消浪效果減弱.

不過，隨著相對(duì)潛深的增加，“十”形防波堤的透射系數(shù)快速減小，在d/D=0.667時(shí)出現(xiàn)極小值，這時(shí)其透射系數(shù)可降至0.3以下，消浪性能遠(yuǎn)優(yōu)于“T”形防波堤.當(dāng)d/D=1時(shí)(豎直板完全浸入水下時(shí))透射系數(shù)雖有所回升，但任在0.5以下.由圖7可知，“十”形防波堤的透射系數(shù)較T形防波堤要小，消浪性能更優(yōu).

4 結(jié) 論

1) 相對(duì)板寬對(duì)防波堤的消浪性能有較大影響，相對(duì)板寬越大，消浪效果越好.當(dāng)B/L>0.25時(shí)，板寬對(duì)透射系數(shù)的影響不再明顯.

2) 波陡越大，“十”形防波堤的透射系數(shù)越小，但變化趨勢(shì)并不顯著.

3) “十”形防波堤在相對(duì)浸深為0.1時(shí)，透射系數(shù)最小，對(duì)于不同波長(zhǎng)的水波，透射系數(shù)均能控制在0.2左右，取得了較好的消浪效果.

4) 當(dāng)水平板位于自由表面時(shí)，“十”形防波堤的消浪效果略遜于T形防波堤.不過在其他條件下，“十”形防波堤的消浪性能更優(yōu).

[1] HATTORI M. Wave transmission from horizontal perforated plates[C]. Proceedings of the 22ndConference on Coastal Engineering, Japan,1975.

[2] DATTATRI J, SHANKAR N J, RAMAN H. Laboratory investigations of submerged platform breakwaters[C]. Proceedings of the 17th Congress of the IAHR, Baden, Germany,1977.

[3] PATARAPANICH M, CHEONG H F. Reflection and transmission characteristics of regular and random waves from a submerged horizontal plate[J]. Journal of Coastal Engineering,1989(8):161-182.

[4] NEELAMANI S, RAJENDRAN R. Wave interaction with T-type breakwaters[J]. Ocean Engineering,2000,29(2):151-175.

[5] NEELAMANI S, RAJENDRAN R. Wave interaction with ‘⊥’-type breakwaters[J]. Ocean Engineering,2002,29: 561-589.

[6] 何軍,蔣昌波,李冬,等.T形防波堤與波浪相互作用數(shù)值研究[J].海洋工程,2010,28(1):50-58.

[7] 王國(guó)玉,黃璐.T形透空式防波堤消波性能的理論分析[J].水利水電科技進(jìn)展,2014,34(2):1-5.