對稱波形底箱型水面防波堤性能試驗(yàn)研究

鄒 明,吳靜萍,王明玉,關(guān) 超,吳云鵬

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084；4.中交四航局第三工程局有限公司，廣東 湛江 524005)

防波堤作為一種常見的港口、碼頭及海岸的水上工程防護(hù)設(shè)施，常用來抵御從外海傳向近海岸的波浪的作用，保障域內(nèi)穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境及海岸與建筑物免受海浪的侵蝕。而波浪的能量大部分集中在水體的表層，在表層2～3倍波高的水層厚度內(nèi)分別集中了90%和98%的波能。由此，產(chǎn)生了適應(yīng)波能分布特點(diǎn)的水面防波堤。水面防波堤的主體位于水面，主體與水底之間是透空的。采用錨鏈定位、可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的稱為浮式防波堤；而采用樁柱固定的稱為透空式防波堤。相較于傳統(tǒng)固定大壩式防波堤而言，水面防波堤具有不影響水質(zhì)循環(huán)、工程造價(jià)低、建造工藝簡單、適應(yīng)水域環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外已有不少實(shí)際工程應(yīng)用[1-2]。

水面防波堤的結(jié)構(gòu)形式以箱型最為普遍，截面如方形、圓柱形[3]、三角形[4]和梯形[5]等，其中常見的箱型截面是方形。由于波浪可以透過水面防波堤傳播而削弱了防波堤的效果，因此出現(xiàn)了大量的提高水面主體消波性能的改進(jìn)措施。除增加箱體個(gè)數(shù)外，還有在箱體外增加各種附體的措施，如在箱體外增加附板和柔性膜[6]等；還有將箱體迎浪側(cè)開孔，在箱內(nèi)增加消波結(jié)構(gòu)[7-8]；等等。

研究水面防波堤性能的方法是科學(xué)研究常用的理論解析解、數(shù)值計(jì)算方法和試驗(yàn)方法。嚴(yán)建國等[9]利用特征函數(shù)法對單個(gè)方箱形水面防波堤的消浪性能進(jìn)行分析，建立了單個(gè)方箱形水面防波堤與波浪相互作用的數(shù)學(xué)模型，通過求解各部分流域速度勢，分析了單個(gè)方箱形水面防波堤的水動(dòng)力性能。Williams等[10-11]基于勢流理論，應(yīng)用邊界元方法研究了雙箱形式水面防波堤的水動(dòng)力性能，研究表明雙箱形式可提高水面防波堤的消浪效果，其消浪效果除了受方箱寬度、吃水和錨固方式等因素影響外，還受箱體間距的影響較大。鄭艷娜[12]采用線性波浪疊加法對不規(guī)則波進(jìn)行數(shù)值模擬，采用時(shí)域邊界元法對不規(guī)則波作用下的方箱形水面防波堤進(jìn)行數(shù)值模擬。Subramaniam和Al-Banaa[13]通過試驗(yàn)研究了單個(gè)方箱形水面防波堤的透射、反射和能量損耗系數(shù)隨相對寬度的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著相對寬度的增加防波堤的透射系數(shù)逐漸變小，而反射和能量損耗系數(shù)逐漸增大。王永學(xué)等[14]提出了一種在方箱下加水平板的水面防波堤，并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)方箱下加水平板可以提升防波堤的消波性能，且加兩層板的消波效果要好于一層板。Huang Z.等[15]和Neelamani S.等[16]分別通過試驗(yàn)方法對方箱下加多塊開槽和開孔豎直板的水面防波堤進(jìn)行了研究，均發(fā)現(xiàn)在箱型底部增加附體可以有效提升防波堤的消波性能。

本文基于波形板[17]研究的啟發(fā)，提出了一種對稱波形底箱型水面防波堤，就是對方箱型主體的平底外形進(jìn)行改造，將平底改造為對稱的波形底，并通過物理試驗(yàn)方法對其透射系數(shù)、反射系數(shù)和能量損耗系數(shù)等水動(dòng)力性能隨波浪參數(shù)的變化規(guī)律展開研究。試驗(yàn)時(shí)分別將平底和對稱波形底的方箱型消波主體通過支架固定在小型波浪水槽中，保持水槽水深不變，改變箱體吃水、波陡、波長進(jìn)行了系列試驗(yàn)，給出了平底和對稱波形底兩種模型的透射系數(shù)、反射系數(shù)和能量損耗系數(shù)隨相對寬度B/L的變化規(guī)律。通過比較，對稱波形底的消波性能比平底的優(yōu)良，增加的消波效果高達(dá)60%。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

模型試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)交通學(xué)院流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的小型推板式波浪水槽中進(jìn)行，水槽長18 m、寬0.6 m、深0.8 m。波浪水槽見圖1a)。水槽始端設(shè)有推板式造波機(jī)，造波機(jī)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好的規(guī)則波，且所造規(guī)則波的波高單位距離衰減程度均小于2%[18]。水槽尾部消波段為U形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消波裝置由方形浮板和柔性帆布組成，并且在水槽末端放置有折角板，用于改變池壁反射的方向和增加波能耗散，以便能夠最大限度地減少池壁反射對試驗(yàn)的影響。水槽消波段的消波裝置見圖1b)。

圖1 波浪水槽和消波裝置

受波浪水槽長度限制，防波堤模型放置于距離造波板前緣7.5 m處，在模型前后各放置兩支YWH200-DXX型數(shù)字浪高儀記錄波高數(shù)據(jù)，其量程為0.3 m，誤差在0.5%以內(nèi)，絕對誤差小于1.5 mm。4支浪高儀分別標(biāo)記為P1、P2、P3和P4，數(shù)據(jù)處理以P2和P3為主，P2距離造波板前緣6 m，滿足堤前浪高儀與造波板至少距離1倍最大波長的要求，P3距離模型1.5 m。浪高儀與模型安裝見圖2。

圖2 浪高儀與模型安裝

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃筒ɡ藚?shù)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟举|(zhì)結(jié)構(gòu)，長和寬分別為0.595 m和0.240 m，模型底部曲線為一個(gè)半周期的余弦波函數(shù)曲線，余弦波的波幅為0.06 m，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3a)。模型通過金屬細(xì)桿與水槽上方的金屬支架固定，支架可根據(jù)試驗(yàn)的需要調(diào)整模型的浸深，模型固定安裝后沿池寬方向展示見圖3b)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)期間水深保持不變，試驗(yàn)水深h為0.6 m，造波個(gè)數(shù)不少10個(gè)，波浪周期T為0.60～1.15 s，波陡H/L為0.03、0.05，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖潴w的浸深d分別為0.06 、0.12 m，波長L為0.561～1.974 m，相對寬度B/L為0.12～0.43。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)的透射波高由布置在堤后的P3浪高儀測得，P3浪高儀距離堤后1.5 m。試驗(yàn)最大波長為1.974 m，浪高儀P3的布置對應(yīng)最大波長，滿足在堤后1倍波長距離的要求。透射系數(shù)的處理方法參見文獻(xiàn)[6]。

透射系數(shù)Kt為透射波高與入射波高之比，即:

(1)

式中：Ht為透射波高；Hi為入射波高。

本試驗(yàn)的反射波高由布置在堤前的P2浪高儀測得的波形進(jìn)行分析，P2浪高儀在堤前1.5 m。

波浪傳播至防波堤模型發(fā)生反射，反射波與入射波疊加后合成新的波形。因?yàn)橐玫椒瓷湎禂?shù)，首先須將反射波從合成波中分離，這導(dǎo)致防波堤模型的反射系數(shù)較難確定。

本試驗(yàn)反射波的分離方法，采用自主提出的一種使用單支固定浪高儀的反射波分離方法[19-20]。簡單地說，就是將P2浪高儀采集到的有防波堤模型的合成波形減去其采集到的無模型入射波形，分離出反射波形，從而得到反射波高。由于試驗(yàn)水池長度有限，反射波個(gè)數(shù)有限，但至少有3個(gè)反射波形。

反射系數(shù)Kr為反射波高與入射波高之比，即：

(2)

式中：Hr為透射波高。

根據(jù)能量守恒原理，波浪入射波能等于反射波能、透射波能和波能損耗3項(xiàng)之和，因此透射系數(shù)Kt、反射系數(shù)Kr和能量損耗系數(shù)Kl滿足下式：

(3)

(4)

式中：Kt為透射系數(shù)；Kr為反射系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果比較分析

選取波陡H/L分別為0.03、0.05，浸深d分別為0.06、0.12 m，對比分析了4種情況下兩種模型的透射、反射及能量損耗系數(shù)隨相對寬度B/L的變化情況。

2.1 對稱波形底與平底箱型水面防波堤透射系數(shù)比較分析

圖4給出了4種情況下兩種模型透射系數(shù)Kt隨相對寬度B/L變化的比較。

從圖4中可以看出：

1)兩種模型的透射系數(shù)均隨相對寬度B/L的增大而減小。波陡對于兩種模型的透射系數(shù)影響較小，浸深對兩種模型的透射系數(shù)的影響比較大。

圖4 兩種模型透射系數(shù)Kt比較

2)在4種不同條件下，對稱波形底箱模型的透射系數(shù)均小于平底箱模型的透射系數(shù)，即對稱波形底箱模型的消波效果優(yōu)于平底箱模型，增加的消波效果高達(dá)60%左右。當(dāng)浸深d=0.06 m、相對寬度B/L接近0.2時(shí)，平底箱模型的透射系數(shù)降低至0.5，而此時(shí)對稱波形底箱模型的透射系數(shù)降低至0.3，增加的消波效果達(dá)到40%；當(dāng)浸深d=0.12 m、相對寬度B/L接近0.2時(shí)，平底箱模型的透射系數(shù)在0.25左右，而對稱波形底箱模型的透射系數(shù)低至0.1，增加的消波效果達(dá)到60%。

3)對稱波形底箱模型的透射系數(shù)在浸深d=0.12 m的值均小于在浸深d=0.06 m的值。當(dāng)波陡一定，B/L大于0.2、浸深d=0.06 m時(shí)，對稱波形底箱模型的透射系數(shù)低于0.3，而浸深d=0.12 m時(shí)的透射系數(shù)低于0.15，增加的消波效果達(dá)到50%。

2.2 對稱波形底與平底箱型水面防波堤反射系數(shù)比較分析

圖5給出了4種情況下兩種模型反射系數(shù)Kr隨相對寬度B/L變化的比較。

從圖5中可以看出：

精裝修工程的施工過程中，施工管理人員、施工人員的綜合素質(zhì)較差、專業(yè)水平門檻較低。與此同時(shí)，管理人員及時(shí)作出相關(guān)決策，執(zhí)行力度十分薄弱，無法對精裝修工程進(jìn)行有效管理。還有部分施工方案十分不規(guī)范，也沒有采用合理、科學(xué)的施工工藝，出現(xiàn)返工問題，會(huì)對精裝修的施工質(zhì)量與效率產(chǎn)生不良影響。

1)4種不同條件下兩種模型的反射系數(shù)變化趨勢相同，均隨著相對寬度B/L的的增大而增大，即隨著波長的增加兩種模型的反射系數(shù)均減小。

2)在波陡H/L=0.03時(shí)，兩種模型的反射系數(shù)均大于0.5，而在波陡H/L=0.05時(shí)，兩種模型的反射系數(shù)最小在0.4左右。兩種模型在相同條件下的反射系數(shù)大小相近，說明改變箱型底部結(jié)構(gòu)在該試驗(yàn)條件下對于反射系數(shù)的影響不大。

圖5 兩種模型反射系數(shù)Kr比較

2.3 對稱波形底與平底箱型水面防波堤能量損耗系數(shù)比較分析

圖6給出了4種情況下兩種模型能量損耗系數(shù)Kl隨相對寬度B/L變化的比較。

從圖6中可以看出：

1)4種不同條件下兩種模型的能量損耗系數(shù)的變化趨勢相同，且均在相對寬度B/L接近0.15～0.25時(shí)，能量損耗系數(shù)達(dá)到最大。

圖6 兩種模型能量損耗系數(shù)Kl比較

2)當(dāng)相對寬度B/L大于0.3，兩種模型的能量損耗系數(shù)大小相近；當(dāng)相對寬度B/L小于0.3時(shí)，對稱波形底箱模型的能量損耗系數(shù)均大于平底箱模型，即對稱波形底箱模型在與波浪相互作用時(shí)對于波能的損耗效果要優(yōu)于平底箱模型。綜合來說，兩種模型對波長較短波的波能的損耗效果區(qū)別不大，但是隨著波長的增加，對稱波形底箱模型在與波浪相互作用時(shí)對于波能的損耗效果相較于平底箱模型更好，且優(yōu)勢愈發(fā)明顯。

3 結(jié)論

1)兩種防波堤的透射、反射及能量損耗系數(shù)隨相對寬度B/L變化趨勢相同。在箱寬一定的條件下，兩種防波堤的透射系數(shù)隨著波長的增大而增大、反射系數(shù)隨波長的增大而減小。

2)波陡對于兩種模型的透射系數(shù)影響較小，浸深對兩種模型的透射系數(shù)的影響比較大。在相同試驗(yàn)條件下，對稱波形底箱型水面防波堤的透射系數(shù)均小于平底箱型水面防波堤，即對稱波形底箱型水面防波堤的消波性能更好，增加的消波效果高達(dá)60%左右。

3)在本試驗(yàn)的條件下，兩種防波堤的反射系數(shù)相差無幾，說明改變箱型底部結(jié)構(gòu)對于防波堤反射性能的影響不大。

4)當(dāng)B/L小于0.3時(shí)，兩種模型的能量損耗系數(shù)相近，隨著B/L的增大，對稱波形底箱型水面防波堤的能量損耗系數(shù)明顯要大于平底箱型水面防波堤，即隨著波長的增加，對稱波形底箱型水面防波堤對于波能的損耗要強(qiáng)于平底箱型水面防波堤。