新型浮筏式防波堤消波性能試驗研究

葛 聰，王國玉，張 琪，趙銀林

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024)

由于受到技術(shù)以及造價的限制，傳統(tǒng)式防波堤已經(jīng)不能適應(yīng)深水海域的要求。目前各國正通過研究具備經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、施工便利、消波效果好的新型防波堤，來解決海岸工程相關(guān)問題。浮式防波堤是一種由浮體和錨泊系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)，其通過反射或者消散入射波能量來掩護(hù)后方區(qū)域，常見的結(jié)構(gòu)型式有浮箱式、浮筒式和浮筏式防波堤。由于浮式防波堤存在相對傳統(tǒng)式防波堤造價小、施工方便、對環(huán)境影響小等優(yōu)點和消波效果較差，特別在自振頻率附近結(jié)構(gòu)運動響應(yīng)大、易疲勞受損等缺點[1-3]。因此，近年來各學(xué)者對新型的浮式防波堤開展了許多研究。

Pena[4]等通過物理模型試驗研究了改變浮堤寬度、側(cè)翼長度等參數(shù)對放置在巴約納港口浮筒式防波堤原堤消波效果的影響。試驗結(jié)果表明浮堤的寬度對透射系數(shù)影響大，增加側(cè)翼長度對其的影響很小。Bayram[5]提出了一種傾斜浮筒防波堤，該結(jié)構(gòu)的消波效果對波高不敏感，傾斜角度是影響透射系數(shù)的主要因素。Cheng[6]等研究了一種由PVC管組成的凹狀菱形管新型的浮式防波堤，數(shù)據(jù)表明相對寬度越長透射系數(shù)越小。Cheng[7]研究了一種用于掩護(hù)深水水產(chǎn)養(yǎng)殖的浮式防波堤，該防波堤由28個標(biāo)準(zhǔn)模具(包括雙體筏、消波裝備和減振設(shè)施)以及錨鏈系統(tǒng)組成。并通過試驗測試了其消波效果，結(jié)果表明其消波效果可達(dá)到50%。Hegde[8]等人通過物理模型試驗對由三層PVC管水平交錯排列的浮式防波堤的波浪損耗進(jìn)行了研究。Koraim[9]通過物理模型試驗對一種由半圓管組成一排或多排的浮式防波堤進(jìn)行了研究，該試驗結(jié)果表明，水平半圓管防波堤消波效果好于平板，透射系數(shù)能相對于平板降低5%～25%，能量損耗系數(shù)能高于5%～25%。Ji[10-11]等通過物理模型試驗和建立數(shù)值水槽對幾種新型的浮筒式防波堤進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)的雙浮筒防波堤相比該結(jié)構(gòu)的消波性能更好，尤其對于長周期和大波高的情況。但即使是改良后的雙浮筒防波堤，長周期波浪條件下消波效果仍不佳。金鳳[12]等對由框架結(jié)構(gòu)以及水平和垂直的開孔薄膜組成的多級帶孔薄膜浮式防波堤進(jìn)行了研究，該結(jié)構(gòu)對短波掩護(hù)效果好，但對長波效果較差。鄭啟航[13]等在金鳳的基礎(chǔ)上對框架帶孔薄膜浮式防波堤單元體的消波效果進(jìn)行了研究。通過對單元體進(jìn)行拼裝，其結(jié)構(gòu)消波效果良好，消波系數(shù)均可達(dá)到0.4～0.6。

雖然，很多學(xué)者都致力于研究能提高消波效果的新型浮式防波堤，但是目前的研究十分有限，在理論研究與實際應(yīng)用中還存在很大的差距。本文提出了一種新型浮筏式防波堤(以下簡稱浮堤)，旨在通過二維物理模型試驗來研究其消波效果，以期對實際應(yīng)用提供參考。

1 模型設(shè)計

1.1 模型結(jié)構(gòu)

模型采用單元模塊組裝型式的防波堤結(jié)構(gòu)，單元模塊由PVC加強復(fù)合布制成的波紋形水囊和鋼筋籠組成，其具體結(jié)構(gòu)型式如圖 1所示。波紋形水囊未充水尺寸為0.75 m×0.75 m(長×寬)，充水后尺寸為0.69 m×0.71 m×0.04 m(長×寬×高)。水囊波紋垂直于波浪傳播方向，其波紋形的表面能增加底摩擦損耗波能。模型鋼筋籠采用直徑6.0 mm的圓鋼，其重量為0.222 kg/m。為使模型起浮，本試驗在鋼筋籠兩側(cè)布置了起浮泡沫。

1-a 鋼筋布置圖1-b 模型與鋼筋布置圖圖1 單元模塊結(jié)構(gòu)圖(單位:m)Fig.1 Structure of unit model (unit: m)圖2 波浪動能(線性波理論)分布圖(d=0.4 m,H=0.04 m)Fig.2 Distribution diagram of kinetic energy of wave based on the linear wave theory(d=0.4 m,H=0.04 m)

具體防波堤結(jié)構(gòu)是由3塊模塊單元組裝而成，其浮堤總寬度W(W=W1+W2)為2.1 m。通過改變組裝迎浪側(cè)傾斜寬度、前端入水深度設(shè)計了如表1所示的5種結(jié)構(gòu)模型，單元模塊之間的連接采用工程上常用的剛性鉸接方式。其中，在設(shè)計模型傾斜段前端入水深度時，是基于波浪在斜坡處發(fā)生波浪破碎時消耗50%的動能能量以及破碎指標(biāo)綜合考慮。圖2給出了在水深d=0.4m，波高H=0.04 m條件下，波浪平均動能隨縱向位置z(z=0表示在水面，z=0.4 m表示在水底)的分布圖，從圖中可知，各周期動能損耗率為50%時所對應(yīng)的前端入水深度ds范圍為(0.07，0.16)m。根據(jù)實際情況，選取破碎指標(biāo)H/d=0.5，得d≤0.10 m，即斜坡段存在坡上水深小于0.10 m的區(qū)段波浪即可破碎。綜合兩者，最終選取ds=0.18 m。

表1 模型參數(shù)表Tab.1 Parameter table of model

試驗中模型用錨鏈進(jìn)行固定，根據(jù)彈性、重量、長度等條件相似來設(shè)計。其最終采用直徑為3 mm，剛度為47.16 N/cm，水下重量為150 g/m的錨鏈，布置方式采用平行布置。Case1的左右兩側(cè)錨鏈長度均為1.2 m，錨固點距離結(jié)構(gòu)1.1 m。由于在分析懸鏈線長度對浮式防波堤水力特性的影響時，是將其與水深的比值來進(jìn)行考慮，并且其比值對防波堤的影響很小甚至可以忽略[14]。因此，在本試驗中將不會因錨鏈長度的需要而改變錨固點位置，Case2～5迎浪側(cè)的錨固點均距模型0.55 m，錨鏈長度根據(jù)角度需求確定，背浪側(cè)的錨鏈布置與Case1一致。

1.2 浮力計算

圖3 模塊起浮圖Fig.3 The floating figure of model

由于鋼筋籠不能自動在水中懸浮，同時，結(jié)構(gòu)在運動過程會對周邊水槽壁有較大的損壞作用，因此需要設(shè)計起浮的材料來提供浮力以及鋼筋籠和水槽壁間的緩沖作用。對于水平布置的模塊，主要考慮在滿足一定浮力富余條件下(模塊的配重密度小于水的密度)設(shè)計起浮的材料尺寸。對于傾斜布置的模塊，存在模型剩余浮力大錨鏈預(yù)張力大的現(xiàn)象。為保證錨鏈安全，因此在設(shè)計時盡量滿足模塊浮力與自身的重力相等。其具體參數(shù)如表 2所示，起浮效果如圖3所示。

表2 單元模塊浮力計算相關(guān)參數(shù)表Tab.2 Parameter table of buoyancy calculation for unit model

2 物理模型試驗

2.1 設(shè)備和布置

物理模型試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室的大波流水槽中進(jìn)行，該水槽長69 m、寬2 m、深1.8 m。水槽前端配備有實驗室研制的電機(jī)驅(qū)動式造波系統(tǒng)，可造出波形穩(wěn)定、重復(fù)性好的規(guī)則波、橢圓余弦波和不規(guī)則波。水槽后半段用隔板將其分隔為1.2 m和0.8 m兩部分，能減少波浪二次反射。水槽末端裝有消浪網(wǎng)，能減少波浪反射。波浪數(shù)據(jù)通過中國水利水電科學(xué)研究院研制DJ800多功能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行采集，該系統(tǒng)由計算機(jī)、多功能檢測儀和多種傳感器組成的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。

俯視圖

側(cè)視圖圖4 模型布置圖(單位：m)Fig.4 Sketch of model setup(unit :m)

試驗結(jié)構(gòu)位于0.8 m寬度段內(nèi)，模型前端放置3個浪高儀1#、2#和3#，間隔分別為0.45 m、0.40 m，用來記錄模型前波面過程線，通過采用Goda兩點法計算模型的反射系數(shù)?；谒酆蠖瞬ɡ朔瓷洳荒芡耆?，因此在模型后端放置三個浪高儀4#、5#和6#，間隔分別為0.40 m、0.45 m，通過Goda兩點法計算模型的透射系數(shù)。3#、4#浪高儀與模型距離均為3 m，具體模型布置如圖4所示。

表3 試驗組次Tab.3 Groups of test

2.2 試驗條件和組次

試驗水深為0.4 m，入射波浪為規(guī)則波。試驗共5種模型，對于每種模型，波高有0.04 m和0.08 m兩種，周期均包括0.91 s,1.10 s,1.28 s,1.46 s,1.64 s,1.83 s六種，試驗工況共60組。具體組次見表3。

2.3 試驗現(xiàn)象

本試驗中，根據(jù)模塊布置方式的不同，其波能損耗現(xiàn)象主要分為兩種，具體如下所示：(1)對于水平放置的模型，波浪傳至結(jié)構(gòu)后，首先受到結(jié)構(gòu)對其橫向運動的阻礙越上結(jié)構(gòu)，隨后水質(zhì)團(tuán)由于縱向運動受阻形成如圖 5所示的紊流，紊流形成后繼續(xù)向前流動，由于結(jié)構(gòu)表面底摩擦的存在進(jìn)一步損耗能量。(2)對于有傾斜模塊的模型，波浪傳至結(jié)構(gòu)后，由于淺水變形將發(fā)生圖 6所示的波浪破碎損耗能量，破碎后的波浪也將因結(jié)構(gòu)表面底摩擦進(jìn)一步損耗能量。

綜上，本試驗結(jié)構(gòu)能量損耗有以下幾種原因：(1)波浪越上浮堤形成紊流；(2)結(jié)構(gòu)表面有底摩擦，通過邊界剪切力阻礙波浪傳播；(3)波浪在結(jié)構(gòu)上由于淺水變形致波浪破碎。

圖5 浮堤上紊流圖Fig.5 Turbulence on floating breakwater6-a 整體圖6-b 局部圖圖6 浮堤上波浪破碎圖Fig.6 Wave breaking on floating breakwater

2.4 數(shù)據(jù)處理

圖7 波面歷時曲線圖(Case4，H=0.08 m，T=0.91 s)Fig.7 Time-series of wave elevation(Case4，H=0.08 m，T=0.91 s)

波浪傳播至結(jié)構(gòu)后，會發(fā)生波浪的反射、透射和能量損耗。因此，對于結(jié)構(gòu)前方的波浪是入射波浪與反射波浪的疊加，需通過1～3號浪高儀根據(jù)Goda兩點法進(jìn)行分離，其反射系數(shù)Cr即為分離后的反射波高與入射波高的比值。對于結(jié)構(gòu)后方的波浪，由于水槽末端的反射并不會完全消除，因此用4～6號浪高儀采用Goda兩點法分離，波浪透射系數(shù)Ct即為堤后透射波高與堤前入射波高的比值。能量與波高的平方成正比，根據(jù)能量守恒，則有

(1)

根據(jù)上式，即可得能量損耗系數(shù)Cd。圖 7給出了H=0.08 m，T=0.91 s時，Case4的波面歷時曲線圖。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 前端相對入水深度對消波性能的影響

圖 8給出了在各周期波浪作用下，傾斜寬度W1=1.40 m時，新型浮筏式防波堤的透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)與前端相對入水深度(ds/H)的變化關(guān)系圖。圖中ds/H=0，表示浮堤在迎浪側(cè)沒有布置傾斜模塊。

圖8 Ct和Cd隨ds/H的變化關(guān)系(W1=1.40 m)Fig.8 Variation of Ct and Cd with respect to ds/H(W1=1.40 m)

試驗數(shù)據(jù)表明，透射系數(shù)與前端相對入水深度呈現(xiàn)兩種變化關(guān)系。在ds/H<1時，Ct隨著ds/H的增大而減小，在ds/H=1時，基本達(dá)到最小值，Ct的變化范圍由原來的0.9～0.4減少到0.8～0.3。并且此種改善作用隨著周期的變化而變化，在T=0.91 s時，改善作用最強，與ds/H=0的情況相比，Ct相對減少36%。隨后ds/H>1時，Ct基本不隨ds/H的變化而變化。

同樣，能量損耗系數(shù)在ds/H<1時，隨著ds/H的增大而增大。ds/H>1時，Cd不隨ds/H的變化而變化。圖中數(shù)據(jù)表明，ds/H>1的能量損耗系數(shù)比ds/H=0大，這說明前者相對損耗更多的能量。其原因為，對于水平放置的浮堤(ds/H=0)，波浪通過形成紊流損耗能量。而對于有傾斜模塊的浮堤(ds/H>1)，除發(fā)生淺水變形使波浪破碎損耗較大能量外，其破碎后的波浪在后接模塊上仍有紊流，會繼續(xù)損耗能量，因此會損耗更多的能量。

綜上所述，在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)ds/H>1時，透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)對于前端相對入水深度均不敏感。但是，與ds/H=0情況相比，增大ds/H能明顯減小透射系數(shù)和增大能量損耗系數(shù)。

3.2 相對寬度對消波性能的影響

圖9和圖10給出了傾斜寬度W1=1.40 m時，不同前端相對入水深度下浮堤的透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)與相對寬度的變化關(guān)系。與圖 8相比，試驗數(shù)據(jù)點更離散。也就是說，在本試驗范圍內(nèi)，對于浮堤的消波性能，W/L比ds/H起到更大的影響作用。

9-a H=0.08 m9-b H=0.04 m10-a H=0.08 m10-b H=0.04 m圖9 Ct在不同前端相對入水深度下隨W/L的變化關(guān)系(W1=1.4 m)Fig.9 Variation of Ct with respect to W/L for different front relative draft (W1=1.4 m)圖10 Cd在不同前端相對入水深度下隨W/L的變化關(guān)系(W1=1.4 m)Fig.10 Variation of Cd with respect to W/L for different front relative draft (W1=1.4 m)

同時，試驗數(shù)據(jù)表明，隨著相對寬度的增加，透射系數(shù)整體呈現(xiàn)出逐漸減小而能量損耗系數(shù)逐漸增大的規(guī)律。透射系數(shù)變化范圍為0.3～0.9，且當(dāng)浮堤的寬度大于一倍波長時，透射系數(shù)可低于0.6。這是因為對于同一波高、同一水深、同一模型結(jié)構(gòu)情況下，隨著周期的增大，能量分布逐漸從水面向水底蔓延。而浮堤只能損耗水面附近限定水深區(qū)域內(nèi)的能量，因此隨著周期的增大也即相對寬度的減小，透射系數(shù)將增大，能量損耗系數(shù)將減小。

11-a H=0.08 m11-b H=0.04 m圖11 Cr在不同前端相對入水深度下隨W/L的變化關(guān)系(W1=1.4 m)Fig.11 Variation of Cr with respect to W/L for different front relative draft (W1=1.4 m)

圖11為不同前端相對入水深度下浮堤的反射系數(shù)影響圖。數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)整體較小，其反射系數(shù)基本維持在0.2左右。這是因為對于水平放置的浮堤，其入水深度較小，因此能反射的能量較小。而對于有傾斜模塊的結(jié)構(gòu)，雖然前端入水深度增大，但是波浪傳至結(jié)構(gòu)后主要是發(fā)生淺水變形使波浪破碎。待波浪破碎后，能量減少，能反射的能量即會減少，因此整體的反射系數(shù)也較小。

3.3 相對傾斜寬度對消波性能的影響

本試驗中，探討了相對傾斜寬度對結(jié)構(gòu)消波性能的影響。圖12和圖13分別給出了在ds=0.09 m、0.18 m條件下，相對傾斜寬度對透射系數(shù)、反射系數(shù)和能量損耗系數(shù)的影響圖。

試驗數(shù)據(jù)表明，相對傾斜寬度對浮堤的消波特性影響顯著。相對傾斜寬度越大，透射系數(shù)越小，能量損耗系數(shù)越大，而反射系數(shù)則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

如前所述，在結(jié)構(gòu)迎浪側(cè)前端布置傾斜模塊，能使波浪發(fā)生淺水變形。因此隨著W1/W的增大，水下斜坡坡度變緩，波浪可破碎區(qū)段增大，能量損耗增大，透射系數(shù)減小。而對于反射系數(shù)而言，雖然W1/W的增大，能使能量損耗增多，使相對反射的波浪減少。但與此同時，W1/W的增大會使結(jié)構(gòu)的擋浪面積增大，反射波高將增大。兩者相互作用，則呈現(xiàn)出如上所述的規(guī)律。整體而言，增大相對傾斜寬度能改善浮堤的消波性能，下面進(jìn)行具體的分析。

12-a H=0.08 m

12-b H=0.04 m圖12 Ct、Cr和Cd在不同相對傾斜寬度下隨W/L的變化關(guān)系(ds=0.09 m)Fig.12 Variation of Ct ,Cr and Cd with respect to W/L for different relative inclined width(ds=0.09 m)

在ds=0.09 m時，W1/W=0.33的情況比W1/W=0，Ct平均減小5.6%～11.4%；Cr平均增大42.3%～83.5%；Cd平均提高0.1%～10.5%。W1/W=0.67的情況比W1/W=0.33，Ct平均減小5.0%～5.7%；Cr平均減小38.9%～42.3%；Cd平均提高6.9%～7.0%。

在ds=0.18 m時，W1/W=0.33的情況比W1/W=0，Ct平均減小8.9%～9.3%；Cr平均增大32.1%～67.3%；Cd平均提高2.4%～10.0%。W1/W=0.67的情況比W1/W=0.33，Ct平均減小1.4%～9.5%；Cr平均減小19.9%～27.9%；Cd平均提高3.8%～8.1%。

從以上數(shù)據(jù)可知，相對傾斜寬度的改變對反射系數(shù)的影響最大。在試驗范圍內(nèi)，W1/W=0.33比W1/W=0，Ct平均減小5.6%～11.4%，Cr平均增大32.1%～83.5%，Cd平均提高0.1%～10.5%；W1/W=0.67比W1/W=0.33，Ct平均減小1.4%～9.5%，Cr平均減小19.9%～42.3%，Cd平均提高3.8%～8.1%；

13-a H=0.08 m

13-b H=0.04 m圖13 Ct、Cr和Cd在不同相對傾斜寬度下隨W/L的變化關(guān)系(ds=0.18 m)Fig.13 Variation of Ct,Cr and Cd with respect to W/L for different relative inclined width (ds=0.18 m)

4 結(jié)語

本文對由三塊模塊單元剛性鉸接組裝的浮筏式防波堤的消波性能做了試驗研究，研究結(jié)果如下所示：

在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)ds/H>1時，前端相對入水深度對于透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)影響較小。但是，與ds/H=0情況相比，增大ds/H能明顯減小透射系數(shù)和增大能量損耗系數(shù)。

相對寬度對結(jié)構(gòu)的消波效果影響顯著，在相對寬度大于1時，透射系數(shù)低于0.6。

結(jié)構(gòu)的消波特性對相對傾斜寬度敏感，其中相對傾斜寬度的改變對反射系數(shù)的影響最大。在試驗范圍內(nèi)，增大相對傾斜寬度能明顯減小透射系數(shù)、提高能量損耗系數(shù)，反射系數(shù)則呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。同時，在迎浪側(cè)傾斜一塊模塊，透射系數(shù)比迎浪側(cè)不布置傾斜模塊平均減小5.6%～11.4%，能量損耗系數(shù)平均提高0.1%～10.5%，反射系數(shù)平均增大32.1%～83.5%。當(dāng)迎浪側(cè)傾斜兩塊模塊時，透射系數(shù)能在一塊基礎(chǔ)上平均減小1.4%～9.5%，能量損耗系數(shù)平均提高3.8%～8.1%，反射系數(shù)平均減小19.9%～42.3%。