柔性水囊潛堤消波特性的潰壩水槽試驗(yàn)研究

陳本毅，趙西增，劉竹琴，周琪坤，卞 婧

(浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

潛堤是保護(hù)海岸、港口的重要海工結(jié)構(gòu)物，具備消波、保灘促淤、有利于水體交換、不影響海岸景觀等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，隨著人類海上活動(dòng)日益頻繁，其已得到廣泛建造和使用。然而，由于水下結(jié)構(gòu)物與波浪相互作用的復(fù)雜性，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。為此，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者從潛堤結(jié)構(gòu)型式、水動(dòng)力特性、消波機(jī)理等方面[3-8]對(duì)其進(jìn)行了深入研究，且關(guān)注的焦點(diǎn)多放在剛性潛堤。但剛性潛堤的體積和質(zhì)量通常較大[9]，令其使用受到一定限制。而人工島礁、跨海橋梁、海洋平臺(tái)等離岸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛[10]，迫切需要一種簡(jiǎn)單便攜、拆裝方便的消浪結(jié)構(gòu)物來(lái)對(duì)施工區(qū)域提供臨時(shí)防護(hù)，以避免因缺少適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)而影響施工從而增加成本。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、轉(zhuǎn)移方便等優(yōu)點(diǎn)的柔性水囊潛堤逐漸受到人們的關(guān)注和認(rèn)可。

柔性水囊潛堤，即潛堤表面采用橡膠等材料制成，內(nèi)部充水，并做水密處理，形似半圓柱水囊。柔性水囊潛堤具備三大優(yōu)勢(shì)：①作為一種柔性防波堤，和傳統(tǒng)的剛性防波堤相比，這種柔性結(jié)構(gòu)不僅可作為臨時(shí)的、可損壞的防波堤，降低風(fēng)暴潮天氣下波浪對(duì)港口、近岸海域及固定式防波堤的沖擊作用，而且可為臨時(shí)海上作業(yè)提供庇護(hù)[11-12]；②其構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造施工快捷，只需在極端天氣來(lái)臨前注入填充料就可進(jìn)入工作狀態(tài)，操作便捷，其拆卸和組裝效率更高；③柔性水囊潛堤采用的由熱塑性聚氨酯彈性體或聚氯乙烯材料[13]制作的薄膜可有效應(yīng)對(duì)極端溫度變化，不易腐蝕，后期維護(hù)成本較低。

學(xué)者們通過(guò)理論分析[14-15]、數(shù)值模擬[16-17]和物理模型試驗(yàn)[18]等手段開展了柔性水囊潛堤的表面變形特點(diǎn)、水動(dòng)力特性和消波性能的研究。Phadke等[19]以圓柱薄殼理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用變分法推導(dǎo)了柔性水囊潛堤的控制方程，建立了有限元計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)潛堤內(nèi)外流體密度比對(duì)其表面薄膜運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有著重要影響。Das等[20]建立了邊界元與有限元耦合模型，對(duì)計(jì)算出的潛堤表面薄膜變形響應(yīng)和波面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)柔性潛堤薄膜系統(tǒng)的共振振蕩可起到衰減入射波、降低透射波能的功能。由于薄膜結(jié)構(gòu)的高柔度導(dǎo)致其表面畸變和幾何非線性[21]，使得理論分析和數(shù)值模擬具有一定的局限性，需通過(guò)物理模型試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其結(jié)果的合理性與適用性。Takumi等[22]分析了潛深、內(nèi)壓等參數(shù)對(duì)半圓柱柔性水囊潛堤動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)和消波性能的影響，結(jié)果表明潛堤表面柔性材料的彈性對(duì)波浪透射影響不大，而潛堤內(nèi)部液體的壓強(qiáng)卻與透反射系數(shù)有著密切關(guān)系。Masahiro等[9]與Stamos等[18]通過(guò)對(duì)比半圓柱剛性潛堤和柔性水囊潛堤消波性能，皆發(fā)現(xiàn)柔性模型比剛性模型透射率更低，這主要因?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)在波浪作用下產(chǎn)生的輻射波與入射波相互作用，從而使入射波能的耗散增加，故柔性潛堤比剛性的消波效果更好。不過(guò)，以上研究都是針對(duì)特定規(guī)則波和不規(guī)則波開展的，而對(duì)海上施工危害更大的是風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)和海嘯等極端環(huán)境，特別是我國(guó)南海更易遭受海嘯的侵襲[23]。為了進(jìn)一步體現(xiàn)柔性水囊潛堤作為海上施工臨時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)物的優(yōu)勢(shì)，擬將其拓展到極端災(zāi)害波浪海嘯波。由于海嘯、涌潮等向岸傳播的過(guò)程與潰壩水流在物理機(jī)理上具有特定的一致性[24-26]，故常用較易實(shí)施的潰壩波來(lái)替代海嘯波并開展相關(guān)研究[27]。

在潰壩水槽中，采用物理模型試驗(yàn)的方式，利用高速相機(jī)和浪高儀獲得水位變化數(shù)據(jù)，研究潰壩波與柔性水囊潛堤相互作用的過(guò)程，通過(guò)把柔性水囊潛堤同半圓柱剛性潛堤進(jìn)行對(duì)比、調(diào)整柔性潛堤內(nèi)部初始水壓、改變潛深，探究柔性水囊潛堤消波特性，可為海上施工過(guò)程中的臨時(shí)防護(hù)措施提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)布置與儀器設(shè)備

試驗(yàn)在港口航道與近岸工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，潰壩水槽、重力式開門裝置和測(cè)量系統(tǒng)三部分組成了整個(gè)試驗(yàn)裝置。潰壩水槽及相關(guān)模型設(shè)備布置如圖1所示，水槽尺寸為600 cm×40 cm×60 cm(長(zhǎng)×寬×高)，閘門將整個(gè)水槽分為長(zhǎng)度L0=200 cm的上游蓄水段和400 cm的下游試驗(yàn)段。

圖1 試驗(yàn)布置示意Fig. 1 Experimental set-up

水槽采用鋼化玻璃制成，槽底和側(cè)壁較為光滑。閘門由不銹鋼板制成，厚約0.1 cm，用鋼纜經(jīng)過(guò)一套定滑輪組使其與重物相連，當(dāng)釋放重物時(shí)，連接的鋼纜迅速帶動(dòng)閘門向上運(yùn)動(dòng)，從而將閘門瞬間開啟，整個(gè)開啟過(guò)程用時(shí)極短，滿足瞬時(shí)潰壩條件[27]。試驗(yàn)前關(guān)閉閘門，上游蓄水深度為hu，下游試驗(yàn)為hd，使上下游形成水頭差h0，試驗(yàn)時(shí)打開閘門形成潰壩波。

試驗(yàn)中采用高速相機(jī)拍攝潛堤附近波面歷時(shí)形態(tài)，通過(guò)浪高儀記錄測(cè)點(diǎn)水位變化數(shù)據(jù)。高速相機(jī)采樣頻率設(shè)為200 Hz，像素為1 280×1 024。下游段布置兩個(gè)電容式浪高儀，測(cè)點(diǎn)位于水槽中間斷面上，堤前測(cè)點(diǎn)為G1，距閘門105 cm，堤后測(cè)點(diǎn)為G2，距閘門255 cm，采樣頻率100 Hz。

圖2 半圓柱潛堤模型尺寸示意Fig. 2 Dimensions of hemi-cylindrical breakwater model

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)分別使用半圓柱柔性水囊潛堤和剛性潛堤兩套模型開展研究，兩者的底部和側(cè)面均為厚度0.3 cm的亞克力平板，側(cè)面圓心距閘門150 cm，如圖2所示，半圓柱半徑R=13 cm、長(zhǎng)39 cm。兩種模型的區(qū)別在于其弧面所使用的材料，剛性結(jié)構(gòu)模型為熱彎形成的厚度0.1 cm的亞克力材料，柔性結(jié)構(gòu)模型為厚度0.1 cm、彈性模量3 MPa、硬度70ShoreA、密度1.24 g/cm3的氯丁橡膠薄膜，兩者所有邊緣的連接處均進(jìn)行了水密處理。兩種模型均在其頂部靠邊緣處安裝有直徑φ=2 cm的塑料細(xì)管，通過(guò)細(xì)管向潛堤內(nèi)部注滿水體，特別是柔性潛堤使用細(xì)管內(nèi)水面高度與外部水槽水面高度的差值y來(lái)表征其內(nèi)部水壓，模型注水達(dá)到所需條件后將細(xì)管密封，使模型內(nèi)部初始水壓保持恒定。

1.3 工況設(shè)置

通過(guò)將柔性水囊潛堤試驗(yàn)結(jié)果和剛性潛堤結(jié)果同相應(yīng)潰壩初始條件下的空水槽結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以分析防波堤與潰壩波相互作用。

試驗(yàn)中，潰壩水頭差選取5組來(lái)產(chǎn)生不同的潰壩波高。對(duì)于柔性水囊潛堤內(nèi)部壓強(qiáng)，選取了4組工況。下游初始水深hd分別設(shè)置兩組，即16 cm和20 cm，潛深d分別為3 cm和7 cm，以探究潛深對(duì)防波堤的影響，詳細(xì)數(shù)值見(jiàn)表1。其中，NM為空水槽，RM表示剛性潛堤模型，F(xiàn)M為柔性潛堤模型。

表1 剛性潛堤和柔性水囊潛堤模型試驗(yàn)工況Tab. 1 Experimental runs for the rigid and flexible hemi-cylindrical submerged breakwaters

圖3 試驗(yàn)重復(fù)性驗(yàn)證Fig. 3 Verification of experimental repeatability

1.4 試驗(yàn)重復(fù)性

為了避免試驗(yàn)偶然性對(duì)結(jié)果的影響，每個(gè)工況分別進(jìn)行了3次重復(fù)性試驗(yàn)，以增強(qiáng)試驗(yàn)的可靠性。如圖3為下游水深hd=16 cm、水頭差h0=20 cm、注水細(xì)管內(nèi)外水面高差y=0 cm條件下，柔性水囊潛堤的重復(fù)性結(jié)果，橫軸是時(shí)間，縱軸為測(cè)點(diǎn)G2處水位h，曲線No.1、No.2和No.3分別代表的不同試驗(yàn)次數(shù)，曲線Ave為三份數(shù)據(jù)的均值。由結(jié)果可見(jiàn)，試驗(yàn)具有較高的重復(fù)性。

2 消波特性

2.1 波面變化

選取了具有代表性的三組工況，以分析柔性水囊潛堤和剛性潛堤與不同潰壩波高相互作用的特性。所選取工況的下游水深hd恒為16 cm，水頭差h0分別是5 cm、15 cm和20 cm，注水細(xì)管內(nèi)外水面高差y=0 cm。圖4～6為在不同水頭差條件下，測(cè)點(diǎn)G1和G2水位變化結(jié)果。研究和分析波面形態(tài)變化，對(duì)理解潰壩波與結(jié)構(gòu)物相互作用過(guò)程具有重要意義。

圖4 水頭差h0=5 cm時(shí)測(cè)點(diǎn)水位變化Fig. 4 Variations of water level，water head h0=5 cm

圖5 水頭差h0=10 cm時(shí)測(cè)點(diǎn)水位變化Fig. 5 Variations of water level，water head h0=10 cm

圖6 水頭差h0=15 cm時(shí)測(cè)點(diǎn)水位變化Fig. 6 Variations of water level，water head h0=15 cm

圖4中，h0=5 cm，潰壩波在1.40 s時(shí)到達(dá)堤前，1.63 s時(shí)已經(jīng)越過(guò)潛堤，相互作用時(shí)間極短。由圖4(a)測(cè)點(diǎn)G1可見(jiàn)，潛堤作用會(huì)使?jié)嗡w在堤前產(chǎn)生涌高現(xiàn)象，這主要由潛堤對(duì)潰壩水流的阻擋造成。從圖4(b)測(cè)點(diǎn)G2結(jié)果中也能得到證實(shí)，堤前水位增高，越過(guò)潛堤的潰壩水體就相對(duì)減少，所以無(wú)論是柔性潛堤還是剛性潛堤，堤后測(cè)點(diǎn)水位相對(duì)于無(wú)結(jié)構(gòu)物而言都已下降，無(wú)結(jié)構(gòu)物時(shí)最大波高3.54 cm，剛性潛堤堤后最大波高3.16 cm，柔性潛堤堤后最大波高2.97 cm。其中柔性水囊潛堤下降得更加顯著，消波效果更佳。

圖5中，h0=10 cm，相較于圖4中h0=5 cm的結(jié)果，水頭差增大，潰壩波傳播速度加快。從圖5(b)測(cè)點(diǎn)G2的結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)潛堤作用，此時(shí)潰壩波高相較于無(wú)結(jié)構(gòu)物時(shí)反而增高了，無(wú)結(jié)構(gòu)物時(shí)最大波高6.96 cm，剛性潛堤堤后最大波高8.32 cm，柔性潛堤堤后最大波高8.23 cm。剛性和柔性水囊潛堤都產(chǎn)生了相同的現(xiàn)象，但后者峰值略低于前者。這是因?yàn)闈尾ㄔ谂c潛堤作用之后，其波陡增加，潰壩波接近破碎的臨界狀態(tài)，所以波高不降反升。

圖6中，h0=15 cm，圖中無(wú)論是堤前還是堤后，柔性水囊潛堤的水位最大值都是最低。從圖6(a)測(cè)點(diǎn)G1可以看到，對(duì)比圖4(a)和圖5(a)結(jié)果，圖6中堤前測(cè)點(diǎn)波面變陡非常明顯。在圖6(b)測(cè)點(diǎn)G2結(jié)果中，相較于無(wú)潛堤的情況，堤后波高下降明顯，無(wú)結(jié)構(gòu)物時(shí)最大波高12.81 cm，剛性潛堤堤后最大波高11.13 cm，柔性潛堤堤后最大波高10.47 cm。且經(jīng)柔性水囊潛堤作用后的波浪峰值皆小于剛性潛堤，柔性水囊潛堤和剛性潛堤的堤后波面呈非線性特點(diǎn)。

綜合圖4～6可以看出，潰壩波與潛堤相互作用時(shí)，隨著潰壩水頭差的增大，堤前波面變陡，波浪傳播速度加快，與潛堤作用之后產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象也同時(shí)增強(qiáng)。當(dāng)潰壩波高增大到一定程度后，潰壩波最大水位衰減明顯。柔性水囊潛堤相對(duì)于剛性潛堤而言，無(wú)論在小水頭差還是大水頭差情況下，對(duì)潰壩水體的阻擋作用相對(duì)較弱，這表現(xiàn)在堤前水位相對(duì)較低。但柔性水囊潛堤堤后波高峰值均相對(duì)較小，此現(xiàn)象表明柔性水囊潛堤對(duì)潰壩波能的耗散強(qiáng)于剛性潛堤，其柔性結(jié)構(gòu)對(duì)于增加波高衰減有著重要的影響。

2.2 無(wú)量綱分析

Lauber等[28]認(rèn)為，某點(diǎn)無(wú)量綱最大水位Hm=h/h0只與水箱上游蓄水段相對(duì)長(zhǎng)度λ=L0/h0有關(guān)。圖7為下游水深hd=16 cm、水細(xì)管內(nèi)外水面高差y=0 cm的情況下，不同模型無(wú)量綱最大水位隨水頭變化情況。上游蓄水段長(zhǎng)度L0恒定為200 cm，因此λ值從小到大代表水頭差h0從20 cm依次變化到5 cm。

圖7(a)為堤前測(cè)點(diǎn)G1的無(wú)量綱最大水位Hm隨水頭變化結(jié)果，在不同水頭差情況下，其值在0.67～0.82的區(qū)間內(nèi)變化。其中，柔性水囊潛堤水位變化幅度較小。因?yàn)樵诓煌ǜ咦饔孟?，柔性潛堤表面隨著波浪產(chǎn)生不同形變，形變程度與波高有關(guān)，使其堤前水位波動(dòng)范圍也相應(yīng)縮小，對(duì)潰壩水體的阻擋作用相對(duì)較弱，有利于保持堤前無(wú)量綱最大水位高度的穩(wěn)定。λ=13.33時(shí)，剛性潛堤和無(wú)潛堤結(jié)果Hm達(dá)到最大值，而柔性水囊潛堤Hm卻相對(duì)于λ=20而言降低。在λ=40.00時(shí)，柔性水囊潛堤和剛性潛堤堤前無(wú)量綱最大水位都達(dá)到最小值，此時(shí)潰壩水頭差h0=5 cm，說(shuō)明在小波高作用下，潛堤對(duì)潰壩波流的阻擋作用減弱。

圖7(b) 為堤后測(cè)點(diǎn)G2的無(wú)量綱最大水位Hm隨水頭變化結(jié)果?？梢?jiàn)，隨著上下游水頭差增大，堤后測(cè)點(diǎn)G2處的波面峰值也逐漸上升。無(wú)潛堤時(shí)，Hm在λ=13.33處最大；而有潛堤時(shí)，Hm在λ=20處達(dá)到最大，但柔性水囊潛堤峰值比剛性峰值低；水頭差繼續(xù)增大，Hm峰值迅速下降，在λ=10處為所有工況最低值。這與第2.1節(jié)波面變化中的結(jié)果相對(duì)應(yīng)：上下游水頭差h0=10 cm時(shí)，堤后波面非線性較強(qiáng)；h0=15 cm時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)最大波高迅速衰減的情況。

圖7 不同模型無(wú)量綱最大水位隨水頭變化Fig. 7 The dimensionless maximum water level varies with the head in different models

為了進(jìn)一步定量比較潛堤作用結(jié)果，將堤后測(cè)點(diǎn)G2的柔性水囊潛堤最大波高h(yuǎn)f和剛性潛堤最大波高h(yuǎn)r分別除以無(wú)潛堤結(jié)果hn，以更深入地研究?jī)烧吲c潰壩波相互作用的特性，結(jié)果如圖8所示。

圖8 堤后測(cè)點(diǎn)G2處不同模型最大波高比隨水頭變化Fig. 8 At gauging point G2，the maximum wave height ratio varies with the head in different models

圖8中，在不同波高的潰壩波作用下，柔性水囊潛堤堤后波高均較剛性潛堤小。柔性水囊潛堤阻擋水體的作用弱于剛性潛堤，即柔性水囊潛堤的堤前最大波較低。但其堤后最大波高卻低于剛性潛堤，這是因?yàn)樵诓ɡ俗饔孟拢嵝运覞摰瘫砻姘l(fā)生劇烈變形從而使波面產(chǎn)生相應(yīng)改變，從Das等[20]的研究結(jié)果中可以看到，變形最嚴(yán)重的地方在潛堤表面中部區(qū)域。因?yàn)槿嵝运覞摰淌且环N多自由度的振蕩系統(tǒng)，其表面會(huì)隨波浪變化而發(fā)生非線性響應(yīng)，而剛性潛堤無(wú)法做到這一點(diǎn)。正是柔性水囊潛堤表面的非線性變形，使其與潰壩波相互作用時(shí)加強(qiáng)了潰壩波能的耗散，于是才有如圖8所示，在大部分工況中，柔性水囊潛堤消波性能均優(yōu)于剛性潛堤。在λ=33.33時(shí)，柔性和剛性潛堤消波效果差距最大，此時(shí)兩者堤后最大波高的比值相差了0.1，也就是說(shuō)柔性潛堤使?jié)尾ㄗ畲笏灰严陆到?0%，而剛性潛堤的下降值幾乎為零。而在λ=10.00和λ=20.00時(shí)，柔性和剛性潛堤堤后最大波高結(jié)果最接近。在λ=20.00時(shí)，柔性和剛性潛堤都發(fā)生了堤后波高增大的情況，這是因?yàn)闈尾ń?jīng)潛堤作用后在堤后形成了一個(gè)接近破碎的極端波浪，由圖5測(cè)點(diǎn)G2的結(jié)果可以看到，波陡增加；在λ=10.00時(shí)，有潛堤作用的堤后測(cè)點(diǎn)波高結(jié)果相比無(wú)潛堤結(jié)果而言，已下降18%?？傮w而言，在初始水頭差較大(λ=10.00、λ=20.00)與初始水頭差較小(λ=40.00)時(shí)，柔性和剛性潛堤的堤后最大波高都已降低了10%以上。除了λ=10.00之外的其他工況中，柔性水囊潛堤堤后波高降低幅度皆大于剛性潛堤。在λ=10.00時(shí)，柔性潛堤和剛性潛堤消波效果差別也非常小，前者堤后最大波高已降低18.5%而后者為18%。

3 初始參數(shù)分析

3.1 內(nèi)壓

柔性水囊潛堤內(nèi)壓與其消波性能有非常密切的關(guān)系[18, 22]。柔性水囊潛堤是由內(nèi)部密封水體和表面柔性材料組成的一個(gè)系統(tǒng)，改變內(nèi)部液體的壓強(qiáng)，會(huì)對(duì)其系統(tǒng)的整體剛度產(chǎn)生直接影響。試驗(yàn)在下游初始水深hd=16 cm的條件下，選取4組內(nèi)壓工況來(lái)探究柔性潛堤內(nèi)壓對(duì)其消波性能的影響。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)通過(guò)柔性水囊潛堤注水細(xì)管內(nèi)外液面的高差y來(lái)表征內(nèi)部壓強(qiáng)，因y為細(xì)管內(nèi)水體液面高于管外液面的水柱高度，故在此之后都稱y為水柱高度。

圖9為不同內(nèi)壓下無(wú)量綱最大水位Hm隨水頭變化結(jié)果。

圖9 不同內(nèi)壓下無(wú)量綱最大水位隨水頭變化Fig. 9 The dimensionless maximum water level varies with the head at different internal pressures

如圖9(a)所示，潛堤前方測(cè)點(diǎn)G1的無(wú)量綱最大水位變化幅度較小。λ=13.33時(shí)，空水槽潰壩波因其非線性增強(qiáng)，峰值增大，但在柔性潛堤作用下，卻使其峰值減小。從圖9(b)測(cè)點(diǎn)G2可以看出，λ較大時(shí)，在水柱高度y=0條件下的無(wú)量綱最大水位Hm最低。隨著λ逐漸減小，波浪與潛堤作用的非線性增強(qiáng)，λ=20.00時(shí)，在不同內(nèi)壓情況下，Hm皆達(dá)到在其各自條件下的最大值。其中，y=0的值最大，Hm=0.82。λ最小時(shí)，在水柱高度y=0的條件下無(wú)量綱最大水位也最小，為0.52。

圖10為柔性水囊潛堤在不同內(nèi)壓條件下，測(cè)點(diǎn)G2處不同內(nèi)壓下最大波高比隨水頭變化結(jié)果，橫軸為上游蓄水段相對(duì)長(zhǎng)度λ，縱軸為柔性水囊潛堤最大水位hf與無(wú)潛堤結(jié)果hn的比值。當(dāng)λ較大時(shí)，波浪與潛堤相互作用產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象較弱，在水柱高度y=0條件下，消波性能最好。增加水柱高度y，會(huì)使柔性水囊潛堤整個(gè)系統(tǒng)的剛度增大，極端情況下會(huì)接近剛性潛堤的狀態(tài)，故而，在非線性現(xiàn)象較弱時(shí)，其消波性能會(huì)弱于水柱高度y=0的潛堤，這與增壓后整個(gè)剛性增強(qiáng)而產(chǎn)生的表面變形程度減弱有關(guān)。所以，當(dāng)λ=40.00、33.33和25.00時(shí)，水柱高度y=4.5 cm的數(shù)值較大。隨著λ減小，潛堤與波浪作用非線性增強(qiáng)，在不同水柱高度條件下，都有先上升后減小的變化趨勢(shì)。但所有結(jié)果中，在水柱高度y=1 cm條件下，λ=13.33時(shí)，最小時(shí)降到了0.697，也就是說(shuō)在柔性水囊潛堤作用下，潰壩波高可削減30%左右?？梢?jiàn)柔性水囊潛堤能有效衰減潰壩波。

圖10 堤后測(cè)點(diǎn)G2處不同內(nèi)壓下最大波高比隨水頭變化Fig. 10 At gauging point G2, the maximum wave height ratio varies with the head under different internal pressures

適當(dāng)降低柔性水囊潛堤內(nèi)壓能夠增強(qiáng)其消波能力，使?jié)尾鼙缓纳⒌牟糠衷龃蟆＝档蛢?nèi)壓，能夠減小柔性水囊潛堤系統(tǒng)的整體剛度，其柔性表面在波浪作用時(shí)，變形程度加劇，對(duì)波浪的作用增強(qiáng)，產(chǎn)生更加明顯的波浪破碎和水氣摻混現(xiàn)象。

3.2 潛深

實(shí)際海況中，在潮流的作用下，海平面存在周期性漲落[29]，因此，探究柔性水囊潛堤在不同潛深條件下的消波特性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

潰壩波為水面波，其波能主要集中在水面附近，因此，潛深增加會(huì)使?jié)摰滔ㄐ阅軠p弱。圖11為測(cè)點(diǎn)G2處不同潛深最大波高比隨水頭變化。

圖11 測(cè)點(diǎn)G2處不同潛深最大波高比值隨水頭變化Fig. 11 At gauging point G2, the maximum wave height ratio varies with the head at different depths

從圖11中可以看出，在水柱高度y=0 cm的條件下，潛深與下游初始水深比值d/hd=0.350(d/R=0.538)時(shí)，加上潛堤后，潰壩波面相對(duì)于d/hd=0.188(d/R=0.231)時(shí)變化減小。在λ=20時(shí)，d/hd=0.188時(shí)最大波高比在增大而d/hd=0.350的值卻反而在減小。λ減小到13.33后，d/hd=0.188時(shí)的波峰已迅速降低，而d/hd=0.350的波峰卻相對(duì)增高了。適當(dāng)減小潛深，會(huì)提高潛堤消波性能[30]。但在工程實(shí)際應(yīng)用中，如果潛深過(guò)小，一方面，會(huì)影響近岸景觀環(huán)境、不利于水體交換；另一方面，對(duì)潛堤穩(wěn)定性要求增強(qiáng)，導(dǎo)致施工成本相應(yīng)提高。通過(guò)更加細(xì)致深入的研究，找到柔性水囊潛堤的最佳潛深，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

在潰壩水槽中開展了潰壩波與柔性水囊潛堤相互作用過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)柔性水囊潛堤可作為傳統(tǒng)潛堤的改進(jìn)方案，能為海上施工提供有效的臨時(shí)防護(hù)以便工程項(xiàng)目順利推進(jìn)，并得到如下結(jié)論：

1) 柔性水囊潛堤能夠用作臨時(shí)防波堤來(lái)衰減波浪，且消波性能甚至比剛性潛堤更佳。柔性水囊潛堤對(duì)潰壩水體的阻擋作用比剛性潛堤弱，堤前和堤后測(cè)點(diǎn)波高都相對(duì)較低，說(shuō)明柔性結(jié)構(gòu)能促進(jìn)波能的耗散。在λ=33.33時(shí)，柔性和剛性潛堤消波效果差距最大。

2) 內(nèi)部初始水壓會(huì)對(duì)柔性水囊潛堤消波效果產(chǎn)生重要影響，適當(dāng)降低水囊內(nèi)壓更有利于衰減波能。調(diào)整初始內(nèi)壓會(huì)改變?nèi)嵝运覞摰滔到y(tǒng)的整體剛度，使?jié)摰瘫砻娴男巫兂潭劝l(fā)生改變，初始內(nèi)壓相對(duì)較小時(shí)會(huì)獲得更好的消波效果，堤后最大波高衰減可達(dá)30%。

3) 增加潛深，使柔性水囊潛堤對(duì)潰壩波的影響程度降低，消波效果減弱。

柔性水囊潛堤有著廣泛的應(yīng)用前景，它的諸多優(yōu)點(diǎn)令其具備工程實(shí)際應(yīng)用潛力。試驗(yàn)可為后續(xù)開展相應(yīng)的理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供參考數(shù)據(jù)。