基于物模試驗的平板與弧板式防波堤水動力特性對比*

張俊斌,李雪艷,2，王 慶,伊 鋒,張金芝,王麗雪,張之晨,李 欽,王嘉睿,王玉坤

(1.魯東大學海岸研究所，山東 煙臺 264025；2.魯東大學跨海工程研究院，山東 煙臺 264025)

防波堤是沿海港口的重要組成部分，其主要功能是減弱波浪沖擊以維護港池內(nèi)水面平穩(wěn)，保證船舶安全停靠以及保護近岸結(jié)構(gòu)物。目前常見的重力式防波堤的類型主要有斜坡式和直立式防波堤，這兩種類型的防波堤具有很好的消浪效果，但隨著水深的不斷加大，防波堤用料也就越來越多，且施工難度加大。此外，該類型防波堤完全阻斷港區(qū)內(nèi)外水體的流通，對港內(nèi)水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境有不利影響。同時，由波浪理論可知，波能主要集中在水體表層，且主要集中于水體表層2～3倍波高內(nèi)，故由樁基基礎(chǔ)和上部防浪結(jié)構(gòu)組成的透空式防波堤的消波性能研究逐漸受到廣泛關(guān)注。本文主要對比平板式防波堤和弧板式防波堤的水動力特性。

關(guān)于板式防波堤消浪性能研究，前人做了大量的理論、試驗和數(shù)值模擬研究工作。最簡單的透空堤形式由邱大洪等[1]提出，為僅有一個單板構(gòu)成的透空式防波堤。之后學者們在此基礎(chǔ)上進行了改進[2-4]；王晶等[5]對新型透空板式防波堤的消浪性能進行物理模型試驗；王科等[6-7]對近自由水面水平板式防波堤消波特性進行了研究。還有許多學者進行了數(shù)值模擬[8-11]；近年來，吳瑤瑤等[12]利用數(shù)值模型的方法討論了相對潛深、入射波周期、相對波高、相對板寬和結(jié)構(gòu)形式對透射系數(shù)的影響；程永舟等[13]提出了一種新型透空格柵板式防波堤，探討了上下層平板相對間距以及格柵板間隙對消波效果的影響。本文通過對比平板式透空堤與弧板式透空堤的波面高程、透射系數(shù)、反射系數(shù)、壓力和流場，給出兩者在不同工況下水動力特性的差異。

1 試驗設(shè)置

1.1 試驗與模型設(shè)計

該物模試驗在魯東大學港口航道與海岸工程實驗室進行，配有長60.0 m、寬2.0 m、高1.8 m的大波流水槽，其最大工作水深為1.5 m，由造波區(qū)、試驗區(qū)以及消波區(qū)組成。水槽一側(cè)采用伺服電機驅(qū)動的推板式造波機，推波板寬為2.0 m。消波區(qū)采用不規(guī)則棱角石塊堆積而成的斜坡消浪，其水平長度6.8 m、垂直高度1.3 m、坡度約為1:5。數(shù)據(jù)采集過程中的波面高程和測點壓力分別采用浪高儀和壓力傳感器測量。

本試驗?zāi)Ｐ桶▎位“迨椒啦ǖ毯蛦纹桨迨椒啦ǖ虄煞N。其中，單弧板式防波堤如圖1a)所示，沿波浪傳播方向弧板長0.45 m、寬0.79 m、厚0.01 m；單平板式防波堤如圖1b)所示，平板沿波浪傳播方向長0.45 m、寬0.79 m、厚0.01 m。兩種防波堤均由有機玻璃制作，模型可拆卸。防波堤布置在水槽試驗區(qū)的中后部，如圖2所示。沿防波堤模型的迎浪向與背浪向共布置3根浪高儀，編號為1#～3#，其中1#和2#浪高儀位于迎浪向，3#浪高儀位于背浪向。

圖1 防波堤結(jié)構(gòu)

圖2 防波堤布置(單位：m)

1.2 試驗工況

本試驗采用規(guī)則波浪，涉及的主要參數(shù)有水深d、波高H、周期T以及潛深h。試驗中平板式與弧板式防波堤所采用的水深均為0.6 m，波高包含0.06、0.10 m，周期分別為1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 s。潛深定義為結(jié)構(gòu)物上表面頂點距靜水面的距離，為別為-0.03 m(表示結(jié)構(gòu)物位于靜水面以上)、0 m(表示結(jié)構(gòu)物位于靜水面處)和0.03 m(表示結(jié)構(gòu)物位于靜水面以下)。為深入探討透射系數(shù)與反射系數(shù)與各變量間的變化關(guān)系，采用無量綱化參數(shù)進行討論，故本文采用相對波高H/d分別為0.10、0.17，相對潛深h/d分別為-0.05、0、0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 波面高程變化

周期T=2.0 s、相對波高H/d=0.1、相對潛深h/d為0.05和-0.05時，平板式與弧板式防波堤不同位置測點處的波面歷時曲線如圖3所示。在相對潛深h/d=0.05時，平板式防波堤迎浪向的波面高程與弧板式防波堤的相當，而背浪向的波面高程明顯小于弧板式防波堤的波面高程；在相對潛深h/d=-0.05時，平板式防波堤迎浪向的波面高程仍與弧板式防波堤的相當，而背浪向的波面高程明顯大于弧板式防波堤的波面高程。由此可知，在出水狀態(tài)時，弧板式防波堤消浪效果優(yōu)于平板式防波堤，而入水狀態(tài)時則相反。

圖3 平板式與弧板式防波堤波面歷時曲線對比

2.2 透射系數(shù)

兩種結(jié)構(gòu)物的透射系數(shù)比對見圖4，縱坐標為透射系數(shù)，橫坐標W/L為相對板寬(W為板的寬度0.45 m,L為不同周期所對應(yīng)的波長)。兩種結(jié)構(gòu)物在不同潛深條件下透射系數(shù)具有較大的差異。在波浪要素相同的情況下，相對潛深h/d=0時，兩種結(jié)構(gòu)物的透射系數(shù)大小相差較?。幌鄬撋頷/d=0.05時，弧板式防波堤的透射系數(shù)明顯高于平板式防波堤的透射系數(shù)；相對潛深h/d=-0.05時，平板式防波堤的透射系數(shù)明顯高于弧板式防波堤的透射系數(shù)。由此可知，潛深對防波堤透射系數(shù)的影響較為顯著。

圖4 平板式與弧板式防波堤的透射系數(shù)對比

2.3 反射系數(shù)

兩種結(jié)構(gòu)物的反射系數(shù)Kr對比見圖5。在波浪要素相同的情況下，相對潛深為0、0.05時，平板式防波堤的反射系數(shù)明顯大于弧板式防波堤的反射系數(shù)；在相對潛深為-0.05時，情況相反。平板式與弧板式透空堤的反射系數(shù)均會隨相對板寬的增大呈現(xiàn)波動增大的變化趨勢。

在相對潛深h/d=0時，兩種結(jié)構(gòu)物透射系數(shù)大致相同，而反射系數(shù)有較大差異。分析其原因可能為，當結(jié)構(gòu)物位于靜水面時，平板與弧板頂部均剛好與靜水面齊平，其對波浪的阻礙效果相當，故兩者的透射系數(shù)差別不大；而在相同情況下時，由于弧板與平板在垂直方向上的高度不同，其對波浪的反射作用也不同，故兩者的反射系數(shù)有較大差別。

圖5 平板式與弧板式防波堤的反射系數(shù)對比

2.4 壓力

在周期T=2.0 s、相對波高H/d=0.17、相對潛深h/d分別為0、0.05和-0.05時，兩種結(jié)構(gòu)物的壓力包絡(luò)線對比見圖6，縱坐標為最大波壓力，橫坐標為相對板寬X/W(X為結(jié)構(gòu)物開孔位置距迎浪側(cè)板前端的距離,W為板的寬度),此處用X/W是為了確定開孔所測壓力點在結(jié)構(gòu)物上的相對位置，可以更準確地表明結(jié)構(gòu)物不同位置處所受的壓力；而圖5中的相對板寬W/L，是為了表述透、反射系數(shù)與周期的關(guān)系，周期對應(yīng)波長，為了使橫坐標波長無量綱化，所以統(tǒng)一用板寬W除以波長L，得到相對板寬W/L。相對潛深為0時,平板式防波堤上表面正壓與負壓較為穩(wěn)定；弧板式防波堤上表面正壓較穩(wěn)定，負壓呈先減小后增大的趨勢；下表面平板正壓大于弧板正壓，而平板負壓小于弧板負壓(圖6a)、b))；相對潛深為0.05時，兩種結(jié)構(gòu)物的下表面正負壓力差異不顯著。兩者上表面正負壓差異顯著，弧板上表面負壓隨相對板寬呈先減小后增大的變化趨勢(圖6c)、d))；相對潛深為-0.05時,兩種結(jié)構(gòu)物上表面的正壓差異顯著而下表面正壓差異不明顯(圖6e)、f))。兩種結(jié)構(gòu)物上下表面的負壓差異顯著，弧板不同測點處負壓隨相對板寬呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

圖6 平板式與弧板式防波堤的壓力包絡(luò)圖對比

2.5 流場

兩種結(jié)構(gòu)物在水深d=0.6 m、入射波周期T=1.2 s、相對波高H/d=0.17、相對潛深h/d=-0.05時，時間t=0.25T和t=0.75T時的流場變化見圖7。在一個波浪變化周期內(nèi)，t=0.25T時，兩種結(jié)構(gòu)物迎浪向一側(cè)水體明顯高于背浪向，水體作用于結(jié)構(gòu)物時波浪破碎顯著；t=0.75T時，波浪已經(jīng)完全越過結(jié)構(gòu)物，此時水體處于回落狀態(tài)，強烈沖擊槽內(nèi)水面。由于弧板式防波堤尺寸在垂直方向較大，波浪作用于結(jié)構(gòu)物時存在一個爬升過程，與平板式防波堤相比，對波浪阻礙作用較大，故其透浪較少，消浪效果更優(yōu)。

圖7 平板式與弧板式防波堤的流場對比

3 結(jié)論

1)通過綜合比較平板式與弧板式防波堤迎浪向與背浪向波面高程變化、透射系數(shù)與反射系數(shù)可知，在出水狀態(tài)時(相對潛深h/d=-0.05)，弧板式防波堤的消浪效果明顯優(yōu)于平板式防波堤；在入水狀態(tài)(相對潛深h/d=0.05)和靜水面(相對潛深h/d=0)時，平板式防波堤的消浪效果明顯優(yōu)于弧板式防波堤。

2)平板式與弧板式防波堤上表面不同測點處壓力差異顯著，下表面不同測點處壓力差異較顯著。弧板式防波堤上表面負壓隨相對板寬呈先減小后增大的變化趨勢，而平板上表面負壓變化不顯著。

3)板式防波堤的消浪效果較為優(yōu)良，在維護港區(qū)內(nèi)的水面平穩(wěn)及促進水體交換方面作用較大。在實際工程應(yīng)用中，建議潮差較小的出水狀態(tài)時采用弧板式防波堤消浪；潮差較大的入水狀態(tài)時采用平板式防波堤消浪。