新型開孔工字板組合式防波堤波浪力特性試驗研究

呂 行，程永舟, 2，胡有川，黃筱云, 2

(1. 長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114; 2. 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

透空板式防波堤主要由上部消浪結構與下部樁基組成。該類防波堤結構在發(fā)揮消浪性能的同時，可以有效保證防波堤前后的水體交換。不僅如此，該類防波堤自重輕、材料省，尤其適用于海床條件較差地區(qū)。因此，透空板式防波堤引起了國內外學者與工程技術人員的廣泛關注。

20世紀60年代，Wiegel[1]首先提出了一種由多排小間距剛性樁組成的透空式防波堤。Jarlan[2]提出了在豎直板上開孔的透空式防波堤，這種結構能夠顯著減小防波堤前的反射。Siew和Hurley[3]研究了潛式水平板防波堤的消浪特性，潛式水平板上波浪變淺破碎，從而達到消波目的。Patarapanich[4]運用物理試驗分析了單層潛式水平板防波堤的消浪特性，當防波堤頂面高度設置在0.05～0.15倍水深，寬度為波長的0.5～0.7倍時，防波堤透射系數(shù)最小。邱大洪和王學庚[5]在國內較早提出板式防波堤的概念，并對單層板防波堤的消浪特性進行了研究。這些早期研究表明，在防波堤上設置孔洞、平板形成消浪結構是比較可行的設計方案。

Patarapanich[4]運用勢流理論計算波浪繞射在實體薄板上的波浪力，潛式水平板防波堤所受波浪荷載，隨淹沒深度和相對水深的增加而降低。Isaacson等[6-7]在進行防波堤改造工程中，在開孔式防波堤消浪室中充填塊石，有效減小堤潛所受波浪力。Yip和Chwang[8]改進開孔式防波堤，在消浪室內設置平板，提高了防波堤的整體穩(wěn)定性。嚴以新等[9]、王國玉等[10]、唐琰林[11]對設有雙層、多層平板的透空式防波堤消浪特性進行研究，分析了透空板式防波堤結構的受力特性。Rey和Touboul[12]基于Patarapanich[4]的工作，對水流作用下潛式水平板防波堤的水動力荷載進行了研究，進一步確定了復雜波流荷載下該型防波堤的受力特性。劉勇和李玉成[13]提出在傳統(tǒng)開孔防波堤前開孔板與后實體板間設置不同改良結構的方案，基于線性勢流理論，對這兩種結構的水動力特性進行了比較研究。Cho等[14-15]運用黏性達西流滲透理論評價了水平開孔板式防波堤的消浪效果。Liu和Li[16]采用規(guī)則波與不規(guī)則波入射潛式雙層開孔板防波堤，建議上層板開孔率小于下層板開孔率，以獲得良好的消浪效果。這些學者的研究成果表明，板式防波堤的消浪結構正在不斷進行優(yōu)化，板式防波堤消浪室結構設計是這些優(yōu)化的核心。

開孔透空、雙層多層的消浪結構使得波浪-結構相互作用變得十分復雜。王晶等[17]提出了一種雙層開孔板防波堤結構，其物理試驗結果表明，該型結構對短波具有良好的消波效果，然而后部設置的實體板對水平荷載不利。汪林等[18]為了研究T型透空式防波堤的水動力特性，采用匹配特征函數(shù)展開法求解流場，并進一步得出波浪荷載及反、透射系數(shù)。這些工作，為分析透空板類防波堤的波浪荷載與受力特性，提供了理論指導與借鑒。李昌良和藍曉俊[19]通過改進已有的防波堤模型，建立了一種新型水平斜板透空式防波堤模型，經(jīng)數(shù)值模擬研究了該新型水平斜板防波堤結構對波浪透射系數(shù)的影響。隨著計算能力的提升，數(shù)值模擬方法適用于分析復雜結構的水動力特性，這為精確求解該類防波堤結構受力提供了方向。

本文采用水槽物理模型試驗，針對新型開孔工字板組合式防波堤在波浪荷載下的受力特性進行了研究。物模試驗測量了新型開孔工字板組合式防波堤結構的總力特征，分析了相對波高、相對波長對防波堤結構總力的影響。

1 新型開孔工字板組合式防波堤

在波浪傳播過程中，大量的能量由水體自由面上的水質點攜帶，當自由表面水質點能量不足以維持波浪表面時，液面形狀改變發(fā)生破碎與耗散。結合大量前人的研究工作，作者提出了開孔工字板組合式防波堤結構[20]，如圖1所示。

圖1 新型開孔工字板組合式防波堤模型結構示意Fig. 1 Sketch of the porous I-type plate composition breakwater

該型防波堤結構結合了水平板與豎直板式防波堤的優(yōu)點。工字預制板按照一定間隙進行排列組合，通過擋板與孔隙的綜合作用進行消浪。每兩個工字預制板組成一個消浪單元，整個消浪結構由多個消浪單元形成多室多層消浪結構。工字預制板間適當?shù)拈g隙布置，不僅減小了防波堤前的波浪反射，而且極大地減小法向波浪上舉力，在降低自重的同時，有效保證結構安全。通過這種多層結構，防波堤能夠更高效地應對中長周期波，有效降低波浪透射與反射，為船舶泊穩(wěn)創(chuàng)造有利條件。

2 物理模型試驗設計與分析

2.1 物理模型試驗設計

2.1.1 試驗設備與儀器

新型開孔工字板組合式防波堤波浪力試驗在波浪水槽內進行。該水槽全長40 m、寬0.5 m、高0.8 m。波浪水槽前端安裝有液壓式造波機。水槽兩端均安裝消浪設施。波浪采集采用浪高儀，精度0.4%，探測高度0.1～0.2 m。防波堤結構總力采用6分量應變式測力天平來測量，測力天平各分量測量范圍為-100～100 N，準確度可以達到±0.5N以內。采用應變儀來采集總力數(shù)據(jù)。點壓力采用高精度智能數(shù)字壓力傳感器來完成。其測量精度為0.1%，量程為-20～20 kPa。

2.1.2 模型參數(shù)與試驗條件

試驗參數(shù)按重力相似準則確定，通過計算機控制推波板在水槽入口生成穩(wěn)定的規(guī)則波。試驗工況如表1所示。

表1 物理模型試驗參數(shù)

2.1.3 模型試驗布置

考慮到波浪水槽的尺寸、造波機工作能力以及試驗儀器測量精確度，在試驗前，將試驗所用防波堤模型放置在波浪水槽前端造波機推板約22 m處。防波堤模型布置方式為堤頂齊平水面布置。如圖2所示，試驗一共布置6個浪高儀，每次試驗等水面平靜后開始造波，當波浪平穩(wěn)后開始采集，浪高采集頻率為51.2 Hz。試驗模型四個頂角均布置了測力天平監(jiān)測結構波浪總力。波浪總力數(shù)據(jù)采集時間間隔為0.02 s。

圖2 波浪水槽及防波堤模型布置示意Fig. 2 Sketch of experiment layout

試驗共安裝了20個壓力傳感器。1#～4#為上層翼板上表面從防波堤前端至后端的測點，5#～8#為上層翼板下表面從防波堤前端至后端的測點，9#～12#為下層翼板上表面從防波堤前端至后端的測點，13#～16#為下層翼板下表面從防波堤前端至后端的測點，17#～20#為擋板迎浪面從防波堤前端至后端的測點。測量新型開孔工字板組合式防波堤各位置在不同波要素條件下的波壓力分布規(guī)律。

2.2 物理模型試驗結果與分析

2.2.1 相對波高對防波堤結構點壓力的影響

取試驗水深d=0.40 m，入射波波高H=0.08、0.10、0.12及0.14 m，波周期T=1.2 s，分析相對波高H/d對各測點波壓力的影響。如圖3所示，隨著相對波高H/d的增大(試驗水深d保持不變)，即入射波高H的增大，入射波波浪能量增大，波浪對防波堤結構的沖擊作用越強烈，防波堤結構表面各測點波壓力急劇增大。

圖3 點壓力隨著相對波高H/d的變化情況Fig. 3 Point pressure variation with relative wave height H/d

2.2.2 相對波長對防波堤結構點壓力的影響

取試驗水深d=0.40 m，入射波波高H=0.08 m，入射波周期T=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5及1.6 s，此時入射波波長L=1.46、1.70、1.94、2.17、2.39、2.62及2.84 m，如圖4所示。圖中表明各測點波壓力隨著相對波長L/B的增大而增大。這是由于波浪能量與入射波波長L成正比，入射波波長越大，波浪與防波堤結構的相互作用越劇烈，波浪對防波堤結構的沖擊力就越明顯，防波堤結構表面各測點的波壓力也就越大。

圖4 點壓力隨相對波長L/B的變化情況Fig. 4 Point pressure variation with relative wavelength L/B

2.2.3 相對波高對防波堤結構總力的影響

圖5 相對波高H/d對防波堤結構豎向總力的影響Fig. 5 Influence of relative wave height H/d on vertical total force of breakwater structure

圖6 相對波高H/d對防波堤結構水平總力的影響Fig. 6 Influence of relative wave height H/d on horizonal total force of breakwater structure

2.2.4 相對波長對防波堤結構總力的影響

圖7和圖8為4種不同相對波高H/d條件下，防波堤結構無因次化水平總力和無因次化豎直總力隨著相對波長L/B的變化情況。

圖7 相對波長L/B對防波堤結構豎向總力的影響Fig. 7 Influence of relative wave height L/Bon vertical total force of breakwater structure

圖8 相對波長L/B對防波堤結構水平總力的影響Fig. 8 Influence of relative wave height L/B on horizonal total force of breakwater structure

3 結 語

采用物理模型試驗，針對新型開孔工字板組合式防波堤在波浪荷載下的受力特性進行了研究，得到如下結論：

1)新型開孔工字板組合式防波堤結構波浪力荷載以垂直方向受力為主。相對波高H/d對防波堤總垂向波浪力的影響較大，防波堤受到的無因次化豎向總力遠大于無因次化水平總力，最大可達到15倍。

2)相對波長L/B對防波堤結構無因次化總力的影響較小，隨著相對波長L/B的增大呈增大趨勢，但變化幅度不大。相對波長L/B=3.617是防波堤結構水平總力變化幅度的分界點。