樁基透空式防波堤的水平波壓力試驗(yàn)研究

張可新 房宇航 桂勁松

摘 要：通過物理模型試驗(yàn)，采用規(guī)則波。研究了防波堤雙側(cè)擋板所受到的水平波壓力隨著波浪要素的變化關(guān)系，主要探究了水平波壓力隨著波坦、相對堤寬的變化關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著波坦的增大，擋板所承受的波壓力也會(huì)變大;前擋板所受到的壓力隨著相對堤寬的增大先是降低，然后增大;后擋板是隨著相對堤寬的增大而增大，然后減小，在0.4左右出現(xiàn)最大點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：規(guī)則波 防波堤 浪高

1.介紹

隨著港口建設(shè)向深海發(fā)展，防波堤的建設(shè)條件也變得極為復(fù)雜，主要面臨浪高、水深、急流、地基軟弱、回淤強(qiáng)度大等問題。隨著港口深水化和船舶大型化的發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的實(shí)體式防波堤因其隨著水深的增加造價(jià)劇增、技術(shù)復(fù)雜、施工困難等因素已不能適應(yīng)深水港發(fā)展的要求，在此背景下，樁基開孔組合板式防波堤應(yīng)運(yùn)而生。該種結(jié)構(gòu)主要由雙側(cè)擋板、樁基、甲板等組成，該種防波堤不僅能夠滿足港內(nèi)外海水交換，還能夠滿足海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能、生態(tài)漁業(yè)功能和公眾休閑觀光的要求。

許多學(xué)者對透空式防波堤結(jié)構(gòu)受力問題進(jìn)行了大量的研究，并根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式和模型簡化方法得出了多種研究成果。國外Ursell最早提出該種結(jié)構(gòu)，他和Wiegel等人從理論上研究了樁基擋板透空式防波堤的透射和反射性能。1970 年Ijima在Stoker 研究的基礎(chǔ)上，研究了浸沒水下一定深度的單板式防波堤，并給出了該種結(jié)構(gòu)透射系數(shù)、反射系數(shù)的解析表達(dá)式。但是對有前后擋浪板且有水平面板的透空式防波堤的結(jié)構(gòu)受力研究還比較少。因此，本文針對在波浪要素不同、前后擋板入水深度不同、前后擋板結(jié)構(gòu)形式不同的情況，著重研究透空式防波堤的水平受力問題。

2.試驗(yàn)儀器以及設(shè)置

物理模型試驗(yàn)在大連海洋大學(xué)遼寧省海岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室波浪水槽中進(jìn)行。水槽有效使用尺寸為長 40m，寬0.7m，深1.0m，可容納最大水深0.7m。水槽的一端配有造波機(jī)（1.0m×0.7m）.造波機(jī)后部、水槽尾部均安裝了直立式消能網(wǎng) 架、消能架空斜坡等消能設(shè)備，以盡量避免波浪的反射。試驗(yàn)水槽見圖1。

3.試驗(yàn)布置以及數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)布置縱剖面及相關(guān)模型如圖 2所示，共布置了4 個(gè)浪高儀。模型之前，浪高儀1和2用于測量堤前波高。編號3、4用與測量堤后波高。

波浪測量采用天津水利科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的DS30型浪高水位儀測量系統(tǒng)該系統(tǒng)可同步測量多點(diǎn)波面過程并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

波浪力的測量采用DS30型點(diǎn)壓力測量系統(tǒng)（見圖3），該系統(tǒng)由DS30型點(diǎn)壓力儀和YL1型點(diǎn)壓力傳感器組成。

采用中國水利水電科學(xué)研究院波面數(shù)據(jù)采集技術(shù)DJ800多功能監(jiān)控系統(tǒng).獲取一個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)大約需要400μs。因此，采樣頻率隨著測量點(diǎn)數(shù)量的增加而減少。

試驗(yàn)采用規(guī)則波，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次并取其平均值。

在本試驗(yàn)中保持堤岸寬度B= 70cm，水深d=30cm不變。試驗(yàn)所波浪元素如表1所示。前后擋板入水深度共設(shè)置為9種情況，如表2所示。

4.結(jié)果與討論

4.1 水平波壓力隨L/H的變化關(guān)系

圖4是水面以下，水平波壓力隨著波坦的變化關(guān)系。圖5是水面以上水平波壓力隨L/H的關(guān)系

從圖中可以看出，在水下無論是前擋板還是后擋板，隨著波坦的增大，擋板所承受的波壓力也會(huì)變大。從圖3可以看出前擋板可以近似看成線性關(guān)系，L/H越大，波壓力也越大。后擋板隨著L/H的增大，水平波壓力也會(huì)變大，不過當(dāng)L/H在13.5左右的時(shí)候，后擋板所受到的水平波壓力趨于平緩。

4.2水平波壓力隨相對堤寬B/L的變化

由圖6可知，前擋板所受到的壓力隨著相對堤寬的增大先是降低，然后增大。在B/L在0.4時(shí)候出現(xiàn)拐點(diǎn)，在該點(diǎn)所受的波壓力最小。后擋板是隨著相對堤寬的增大而增大，然后減小，在0.4左右出現(xiàn)最大點(diǎn)。

5.總結(jié)

在海岸資源日益緊張的今天，樁基透空式防波堤因其特有的優(yōu)點(diǎn)而逐漸被行業(yè)內(nèi)所重視。但是對于該種防波堤受力的相關(guān)研究較少，本文通過物理模型試驗(yàn)對這一問題進(jìn)行了探討。通過物理模型試驗(yàn)，在規(guī)則波作用下，研究了雙側(cè)擋板所受到的水平波壓力隨著波浪要素的變化關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在水下無論是前擋板還是后擋板，隨著波坦的增大，擋板所承受的波壓力也會(huì)變大。前擋板所受到的壓力隨著相對堤寬的增大先是降低，然后增大。后擋板是隨著相對堤寬的增大而增大，然后減小，在0.4左右出現(xiàn)最大點(diǎn)。

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