半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)消浪性能研究

南金剛，上官子昌，王志云，尚付瑤

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

0 引言

隨著對(duì)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)和利用，海洋周邊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)愈來(lái)愈受到關(guān)注，沈雨生等人在浮式防波堤研究進(jìn)展中表明：多種透射系數(shù)的計(jì)算方法均具有一定的局限性，并提出了今后的研究中宜采用物理實(shí)驗(yàn)的方法得出透射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[1]。賀大川在板式浮筒型防波堤波浪力與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析中指出：在不同工況條件下，隨著波長(zhǎng)的逐漸減小，浮式結(jié)構(gòu)比潛式結(jié)構(gòu)更早達(dá)到波浪力和運(yùn)動(dòng)幅值的極大值[2]。王環(huán)宇在多孔浮式防波堤的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬中得出，對(duì)于同一結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)排布、纜繩系泊方式以及鏤空與否等對(duì)裝置的消浪效果影響較大[3]。楊彪等人對(duì)雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤的消浪性能研究表明：相對(duì)寬度是影響結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性的主要因素，而錨鏈剛度主要影響錨鏈的受力，剛度越大受力越大[4]。董國(guó)海等人對(duì)板-網(wǎng)結(jié)構(gòu)浮式防波堤消浪性能進(jìn)行的研究表明：防波堤的寬度越大其消浪效果越好，通過(guò)對(duì)在平板下部添加網(wǎng)衣和增加其剛度可以提高浮式防波堤的消浪性能[5]。姚卓琳在新型半潛式開(kāi)孔防波堤水動(dòng)力特性的研究中提出，開(kāi)孔板與實(shí)體底板相比，隨著相對(duì)板間距的增大其透射系數(shù)呈增大趨勢(shì)；而對(duì)于無(wú)底板來(lái)說(shuō)，周期對(duì)其透射系數(shù)的影響呈非線性變化趨勢(shì)[6]。

在總結(jié)以往對(duì)浮式防波堤研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并提出了一種新型半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)消浪結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)造價(jià)便宜、施工方便，易海水交換，減少海域內(nèi)的泥沙淤積、不會(huì)影響海面景觀。模型采用輕型耐腐蝕性塑料管和金屬錨鏈銜接而成，自重輕、制作簡(jiǎn)單，同時(shí)其下部可以系一些網(wǎng)兜用于海水養(yǎng)殖，在保護(hù)海岸帶設(shè)施及環(huán)境的同時(shí)可帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 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（長(zhǎng)40 m，寬0.7 m，高1 m）中進(jìn)行。一端安裝有造波機(jī)，可產(chǎn)生波形平穩(wěn)、可重復(fù)性好的單向規(guī)則波、不規(guī)則波，另一端安裝消能網(wǎng)用來(lái)吸收波浪能量從而防止由于波浪反射導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。水槽兩側(cè)采用角鋼骨架焊接固定鋼化玻璃做槽壁，以便于實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)狀況的觀察和控制。造波機(jī)、DS30型64通道浪高儀等儀器均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理。試驗(yàn)前對(duì)所有測(cè)量?jī)x器均進(jìn)行了精度標(biāo)定和校準(zhǔn)，從而保證最終能夠測(cè)得精確有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)波浪要素

試驗(yàn)結(jié)合營(yíng)口白沙灣常年的波浪數(shù)據(jù)，綜合考慮波浪水槽尺寸、消浪結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)波浪要素和水深等因素，并按照重力相似準(zhǔn)則確定模型比尺為1頤20。波浪要素如表1所示，其中波浪模擬時(shí)規(guī)則波以H1%控制，不規(guī)則波以H13%控制。

表1 試驗(yàn)波浪要素Table1 Test wave elements

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎弥睆綖?6 mm的空心管和三通彎頭制成，為防止模型內(nèi)部進(jìn)水減小模型浮力，在每個(gè)接口處都采用密封膠封死，單個(gè)模型單元如圖1所示。

圖1 模型單元圖示Fig.1 Illustration of a model unit

圖2 模型在水槽內(nèi)布置情況Fig.2 Layout of the model in thesink

每個(gè)模型單元之間采用柔性連接方式，受水槽寬度影響，橫向布置兩個(gè)模型單元，其間距為6 cm；根據(jù)不同工況，縱向分別布置3、4、5、6個(gè)模型單元，其排布單元整體長(zhǎng)度分別為220 cm、240 cm、290 cm、340 cm；豎向排布方式采用單層模型單元布置和雙層模型單元布置，雙層模型單元之間垂直凈間距分別為2 cm、4 cm、6 cm。

水槽內(nèi)部布置情況如圖2所示，從左到右依次是造波機(jī)寅1號(hào)浪高儀寅2號(hào)浪高儀寅試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?號(hào)浪高儀寅4號(hào)浪高儀寅消能網(wǎng)，其間距依次為20 m、2 m、2 m（模型前端到2號(hào)浪高儀之間的距離）、2 m（模型末端到3號(hào)浪高儀之間的距離）、2 m、8.6~9.6 m，其中浪高儀用于量測(cè)入射波高和透射波高；每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采集3次，取其3次試驗(yàn)的平均值，其采樣間隔為0.02 s，試驗(yàn)中，待波形穩(wěn)定后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采樣個(gè)數(shù)為1 024個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的消浪性能，即透射系數(shù)，其表達(dá)式為Kt=Ht/Hi，其中Hi為入射波高，Ht為透射波高，即經(jīng)過(guò)模型消浪后的波高。對(duì)入射波和反射波進(jìn)行分離，得出對(duì)應(yīng)條件下模型透射系數(shù)Kt。

2.1 不同周期及波高對(duì)透射系數(shù)的影響

在水深d=0.5 m，模型單元采用橫2縱6布局情況下，分別取波高H=0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.10 m，周期T=0.8 s、1.1 s時(shí)，透射系數(shù)變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 周期、波高與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between period,wave height,and transmission coefficient

由圖3看出，無(wú)論是規(guī)則波還是不規(guī)則波，隨著波高的改變，模型透射系數(shù)變化范圍很小，其相鄰兩個(gè)波高的波動(dòng)范圍在0.002耀0.010之間；而周期的改變對(duì)模型透射系數(shù)影響效果顯著，當(dāng)周期從0.80 s變化到1.10 s時(shí)，透射系數(shù)的增長(zhǎng)范圍在0.28耀0.35之間。綜上所述：周期對(duì)模型的消浪效果影響顯著，隨著周期的增大其消浪效果逐漸減弱，而此時(shí)波高對(duì)模型的消浪效果影響并不明顯。

2.2 相對(duì)寬度B/L對(duì)透射系數(shù)的影響

在水深d=0.5 m保持不變，模型單元采用橫2縱6布局結(jié)構(gòu)情況下，通過(guò)改變模型的布置寬度。分別取波高H=0.07 m、0.10 m情況下分析本裝置的消浪效果，其變化曲線如圖4所示。

由圖4看出，隨著相對(duì)寬度的逐漸增大，透射系數(shù)逐漸減小，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)的消浪能力越來(lái)越強(qiáng)；但是顯然可以看出相對(duì)寬度B/L在1.52耀2.33之間變化時(shí)，在B/L=1.91處出現(xiàn)了一個(gè)峰值點(diǎn)，在B=3.41 m、T=1.1 s的情況下，結(jié)構(gòu)消浪能力明顯減弱，盡管其相對(duì)寬度較小，而結(jié)構(gòu)縱向布置寬度最大，說(shuō)明并不是結(jié)構(gòu)布置的越寬越好，當(dāng)以結(jié)構(gòu)布置凈間距為15 cm即相對(duì)寬度為B=2.41 m時(shí)，結(jié)構(gòu)消浪效果最佳；這種情況對(duì)大周期的波浪消浪能力有所減弱，但其透射系數(shù)Kt<0.7，滿足要求。同一波況下，規(guī)則波的消浪能力明顯強(qiáng)于不規(guī)則波，當(dāng)B=2.41 m，B/L臆2.33時(shí)，規(guī)則波和不規(guī)則波的消浪效果差別不大。

圖4 相對(duì)寬度與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative width and transmission coefficient

2.3 波陡H/L對(duì)透射系數(shù)的影響

在水深d=0.5 m保持不變，模型單元采用橫2縱6布局結(jié)構(gòu)情況下，通過(guò)改變模型的布置寬度。分別取波高H=0.06 m，0.10 m情況下結(jié)構(gòu)消浪能力，其曲線如圖5所示。

圖5 波陡與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between wavesteepness and transmission coefficient

由圖5看出，隨著波陡的逐漸增大，透射系數(shù)逐漸減小，消浪效果較好，透射系數(shù)最小達(dá)到了0.22；在相同波陡條件下，不同布置寬度對(duì)結(jié)構(gòu)消浪效果的影響差別很大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的消浪效果并不是由單一因素來(lái)決定的，應(yīng)當(dāng)綜合考量各個(gè)影響因素，選取最經(jīng)濟(jì)的優(yōu)選方案；在圖中很明顯的出現(xiàn)了小寬度大透射的現(xiàn)象，此情況是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)布置寬度小，模型單元之間間距變小，此時(shí)的半潛式防波堤類(lèi)似于直墻式防波堤，對(duì)波浪的反射較大，使波浪在堤前發(fā)生破碎，從而大大減小了波浪能量，這種情況也符合波浪運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7]。

2.4 模型雙層布置層間距對(duì)透射的影響

在水深d=0.5 m，模型排布寬度B=2.2 m保持不變的情況下，改變模型排布為雙層柔性連接排布，分別取波高H=0.06 m、0.12 m，周期T=0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s、1.2 s，寬度層間距分別為0.02 m、0.04 m、0.06 m。其透射系數(shù)變化見(jiàn)圖6。

圖6 雙層情況下層間距改變Fig.6 Layer spacing changesin double layers

圖6 中在雙層情況下通過(guò)改變模型單元間的層間距來(lái)觀察結(jié)構(gòu)的消浪性能，可以看出，在層間距保持不變的情況下，周期在0.8耀1.0 s之間變化時(shí)，小波高消浪效果明顯優(yōu)于大波高，但周期在1.0耀1.2 s之間變化時(shí)，情況則相反，這是因?yàn)樵谒w2耀3倍波高的表層間大約集中了90%耀98%的能量[8]。在保持同一個(gè)周期不變的情況下，隨著層間距的逐漸增大，結(jié)構(gòu)的消浪效果反而變得越來(lái)越差，這意味著雖然模型豎向排布雙層結(jié)構(gòu)能夠增大其消浪效果，但是對(duì)于雙層結(jié)構(gòu)單元之間的層間距也不是說(shuō)越大越好，相應(yīng)的要注意到試驗(yàn)的波高數(shù)值，一般以2耀3倍波高來(lái)布置模型層數(shù)以及層間距，正確的布置方式有助于增大模型所發(fā)揮的作用；在間距為0.04 m時(shí)，其透射系數(shù)達(dá)到了最大的0.88，此時(shí)模型的消浪效果輕微，所以間距為0.04 m為最不理想的排布方式，應(yīng)當(dāng)以間距為0.06 m為最佳層間距排布。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的消浪性能的試驗(yàn)研究，分析了周期、波高、相對(duì)寬度、波陡以及層間距等因素對(duì)半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)消浪結(jié)構(gòu)透射系數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

1）雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)消浪裝置的整體消浪效果顯著，尤其以結(jié)構(gòu)布置寬度為2.41 m，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)單元之間的凈間距為20 cm時(shí)，模型的消浪效果表現(xiàn)最佳，其他排布次之。

2）波陡以及層間距的變化對(duì)于消浪效果的影響也比較明顯，不同排布對(duì)模型透射系數(shù)的影響差別很大，應(yīng)考慮其他因素綜合分析；由本次試驗(yàn)可知，雙層結(jié)構(gòu)比單層結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)，雙層結(jié)構(gòu)的排布可以更大的改變波浪水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而使波浪產(chǎn)生波能的衰減。

3）由于模型單元自身透空，可以減小波浪對(duì)模型造成的破壞使得其相對(duì)于其他同等類(lèi)型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)具有更加長(zhǎng)的使用壽命。