排樁式防波堤透浪效果試驗研究

周明奎 ，張先波 ，2

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

在西非西海岸某港口項目中，由于長期面臨長周期波浪的作用，需要在掩護條件下進行施工，結(jié)合現(xiàn)場條件，提出了在施工海域的外側(cè)打排樁的方式，來營造好的施工條件。本次物理模型試驗，結(jié)合當?shù)氐牟ɡ藯l件，研究了排樁由于間距和層數(shù)不同對透浪效果的影響。

1 排樁布置及試驗參數(shù)

排樁布置及試驗參數(shù)分別見圖1和表1。

2 理論計算

圖1 排樁布置圖Fig.1 Sketch of pile layout

表1 試驗參數(shù)Table 1 Test parameters

Hayashi[1]從連續(xù)方程和伯努利方程出發(fā)，假定樁前波浪為淺水微幅波，那么由入射、反射和透射波浪引起的水質(zhì)點水平的平均速度分別為：

式中：H為波高；k為波數(shù)；σ為波動角頻率；h為水深；下角標i、R、T分別為入射、反射和透射。

根據(jù)伯努利理論，相鄰兩個排樁間透射水體的平均速度為：

式中：η為自靜水位起水面的垂向位移；α為平均速度的修正因子；Cv為透浪水體系數(shù)。

所以，在排樁后側(cè)的連續(xù)性方程如下：

式中：CC為透射水體的收縮系數(shù)。同時，假定ki=kR=kT，ωi=ωR=ωT，則波浪穿過排樁的透浪系數(shù)可以表達為：

當h/L趨近于0時，即為長波條件下，上述可近似表達為：

3 模型試驗

3.1 試驗比尺

試驗在95 m×4 m×1.8 m的大型水槽中進行，采用正態(tài)模型設(shè)計，模型幾何比尺λ=16，試驗波浪采用不規(guī)則波，譜型采用JONSWAP譜，γ 取 3.3[2]。

3.2 排樁的模擬

現(xiàn)場擬用直徑120 cm的鋼管樁，本次試驗采用直徑為7.5 cm的硬PVC管模擬現(xiàn)場鋼管樁，試驗過程中忽略管本身變形對試驗結(jié)果的影響。

3.3 數(shù)據(jù)分析

本次試驗過程分析的數(shù)據(jù)，均是距離排樁中心間距為3 m（相當于原型48 m）的測針數(shù)據(jù)。

4 研究成果及分析

通過對不同波高和周期下波浪透過排樁系數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)透浪系數(shù)隨著入射波高增加而減?。浑S著入射波周期增加波浪透浪系數(shù)會有所增加，但個別情況下也出現(xiàn)了隨著波浪周期增加，波浪透浪系數(shù)沒有明顯變化甚至減小的情況。

4.1 波高與透浪系數(shù)的關(guān)系

1）單排樁透浪試驗

通過對比單排樁不同間距的試驗，當入射波有效波高為1.0 m、1.5 m和2.0 m時，b=0.1D的排樁間距比b=0.2D的排樁間距透浪系數(shù)減小20%左右。在入射波有效波高為2.5 m時，b=0.1D的排樁間距比b=0.2D的排樁間距透浪系數(shù)減小了11%～15%。

2）雙排樁透浪試驗

當雙排樁兩排的間距不同時，透浪效果也會略有不同，在入射波有效波高為1.0 m、1.5 m和2.0 m時，S=10D的排間距比S=2D的排間距透浪系數(shù)減小了1%～11%。并且，隨著波高增大，透浪系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

3）單排樁與雙排樁透浪試驗對比

通過對比雙排樁（S=2D，b=0.2D）和單排樁間距（b=0.2D）的試驗結(jié)果，在同樣波高的條件下，雙排樁的透浪系數(shù)比單排樁的透浪系數(shù)減小了4%～8%。

4）試驗結(jié)果與理論計算的比較

在試驗條件下，雙排樁試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好；單排樁時，b=0.1D的試驗結(jié)果略小于理論計算值，b=0.2D的試驗結(jié)果略大于理論計算值。圖2～圖3為波高變化與波浪透浪系數(shù)的關(guān)系以及與計算結(jié)果的比較。

圖2 波浪周期=8 s試驗值與理論計算值比較Fig.2 Comparison of experimental values(wave period=8 s)and theoretical calculation values

圖3 波浪周期=15 s試驗值與理論值比較Fig.3 Comparison of experimental values(wave period)=15 s)and theoretical calculation values

綜上，在同樣的試驗條件下，隨著波高增大，透浪系數(shù)會減??；由于排樁間距和排數(shù)不同，也會對波浪透浪產(chǎn)生不同的影響。

4.2 波浪周期與透浪系數(shù)的關(guān)系

1）單排樁透浪試驗

當波浪周期變化時，b=0.1D和b=0.2D排樁間距透浪系數(shù)差值均變化不大，在5%以內(nèi)。

2）雙排樁透浪試驗

當雙排樁兩排的間距不同時，波浪周期也會對透浪效果產(chǎn)生不同影響，S=2D的排間距隨著波周期增大，透浪系數(shù)也逐增大。而S=10D的排間距隨著波周期增大，透浪系數(shù)則變化并不規(guī)律。

3）單排樁與雙排樁透浪試驗對比

通過對比雙排樁（S=2D，b=0.2D）和單排樁間距（b=0.2D）的試驗結(jié)果，在波高相同情況下，隨著波浪周期的變化，雙排樁的透浪系數(shù)變化幅度與單排樁的透浪系數(shù)的變化幅度基本相同。

圖4～圖5為波浪周期變化與波浪透浪系數(shù)的關(guān)系。

總之，在試驗條件下，隨著波浪周期的增加，波浪透浪系數(shù)會有所增加，但個別試驗組次下也出現(xiàn)了隨著波浪周期增加，波浪透浪系數(shù)沒有明顯變化甚至減小的情況。波浪透浪系數(shù)隨著周期變化而變化的幅度較小，在試驗條件的波浪周期下（8～15 s），變化幅度均在6%以內(nèi)。

圖4 有效波高H13%=1.0 m波浪透浪系數(shù)與波浪周期關(guān)系Fig.4 Relationship between wave transmission coefficient and wave period(wave height H13%=1.0 m)

圖5 有效波高H13%=2.5 m波浪透浪系數(shù)與波浪周期關(guān)系Fig.5 Relationship between wave transmission coefficient and wave period(wave height H13%=2.5 m)

5 結(jié)語

1）波浪在穿過排樁式防波堤時，會隨著波高和波周期的變化，呈現(xiàn)不同程度的衰減。

2）在試驗條件下，波浪穿過排樁式防波堤的波高透浪系數(shù)，隨著波浪波高的增加，呈現(xiàn)出了減小的趨勢；且排樁間距對透浪系數(shù)影響較大。

3）在相同的波高下，波浪周期不同，也會對透浪系數(shù)產(chǎn)生影響，試驗條件下大部分透浪系數(shù)是隨著波浪周期的增加而增加，但也出現(xiàn)了個別變化不明顯和減小的情況。