平弧板與雙平板式透空堤消浪性能比較*

侯成義，李雪艷，孫家文，萬 祥，解曉敏，李 輝

(魯東大學(xué)，海岸研究所&山東省海上航天裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 煙臺 264025)

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，港口、碼頭等海洋工程建設(shè)逐步向深海區(qū)域推進。與傳統(tǒng)重力式防波堤所具有的不利于水體交換、破壞水域整體性、造價受水深影響較大等缺點相比，新型板式透空堤所具有的地基適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、對環(huán)境破壞小等優(yōu)點受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

邱大洪等[1]在1986年提出單層板式防波堤結(jié)構(gòu)。Neelamani等[2]通過物理模型試驗方法對雙平板式透空堤與單層平板進行研究，指出雙層板式透空堤消浪效果優(yōu)于單層平板式防波堤；王晶等[3]提出一種新型雙層板式防波堤，分析在不同波浪參數(shù)對透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響以及相對波高、相對水深及相對淹沒程度對防波堤消浪性能的影響；Li等[4]利用速度邊界造波法建立二維數(shù)值模型，綜合分析雙弧板和雙平板式透空堤的透射系數(shù)、反射系數(shù)和能耗系數(shù)，結(jié)果顯示在某些條件下，雙弧板式透空堤的消浪效果更顯著。He等[5]采用光滑粒子流體動力學(xué)方法建立模型，驗證了不同潮位變化對淹沒水平板防波堤的水動力特性的影響，并給出不同潮位下的防波堤的布置方案。王科等[6]對平板周圍的流場進行分析，揭示了板式防波堤的消浪原理；He等[7]采用WCSPH 方法探討淹沒水平板防波堤在波能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的最佳長度及淹沒深度等，并給出波能轉(zhuǎn)換效率的經(jīng)驗公式，證明了淹沒水平板防波堤在波浪能利用方面的廣闊前景。

Wang等[8]提出一種多層弧板式透空堤結(jié)構(gòu)，通過物理模型試驗研究不同板間距和弧板層數(shù)對多層弧板式透空堤的消浪性能的影響；李雪艷等[9]基于N-S方程構(gòu)建了波浪與板式透空堤相互作用的數(shù)值模型，對平板式、上弧板式和下弧板式3種透空堤開展了消浪性能數(shù)值研究，得出下弧板式透空堤的消浪性能最優(yōu)的結(jié)論。潘春昌等[10]在不同入射波高條件下，對圓弧板和水平板式防波堤的消浪性能進行分析，探討板間距等對透空堤消浪性能的影響；Li等[11]通過數(shù)值模型和物理模型試驗研究弧板式透空堤的透射系數(shù)、反射系數(shù)和波壓力隨W/L、d/h、H/h的變化，為弧板式透空堤的工程應(yīng)用提供了理論參考。

為進一步提高透空式防波堤的消浪性能，程永舟等[12]提出一種新型開孔工字板組合式防波堤，并分析規(guī)則波作用下透空堤的消浪性能與所受波浪力，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)消浪效果良好，波能耗散大，波陡對防波堤波浪力荷載影響較大；Young等[13]對半圓形防波堤的消浪性能進行研究，提出2種半經(jīng)驗參數(shù)化方法預(yù)測半圓形防波堤的反射系數(shù)；Korain等[14]提出一種新型開孔式防波堤并對其消浪性能進行研究。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種新型平弧板式透空堤結(jié)構(gòu)，并將其消浪效果與雙平板式透空堤相比較，以期為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)置

本試驗在長60.0 m、寬2.0 m、深1.8 m的物理水槽中進行(圖1)。平弧板式透空堤模型位于水槽中后部，水槽尾部設(shè)置碎石消浪區(qū)域削減波能以減少波浪反射。2種透空堤模型均采用有機玻璃制成，見圖2a)和c)。對于平弧板式透空堤，弧板位于平板下方?；“甯?.05 m，透空堤長0.79 m，寬0.45 m，板厚0.01 m，板間距S為0.05 m，見圖2b)。雙平板式透空堤板長、板寬、板厚和板間距均與平弧板式透空堤相同，見圖2d)。其中，板間距S表示上平板下表面到弧板頂點切線或平板上表面的距離，潛深h表示上平板上表面到靜水面的距離，潛深h為正值表示透空堤為入水狀態(tài)；潛深h為0表示透空堤上層平板上表面與靜水面齊平；潛深h為負(fù)值表示透空堤為出水狀態(tài)。根據(jù)Goda兩點法計算波浪反射系數(shù)，透空堤迎浪向1倍波長之外布置1#浪高儀，間隔不等于半倍波長整數(shù)倍距離布置2#浪高儀。在透空堤背浪向1倍波長之外布置3#浪高儀，用以計算波浪的透射系數(shù)。

圖1 試驗水槽布置

圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗采用規(guī)則波，試驗工況如表1所示。為減小試驗誤差，每組工況進行3次試驗，取3次試驗結(jié)果的平均值。

表1 試驗工況

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 波面變化

圖3給出水深d=0.60 m、周期T=1.6 s、波高H=0.10 m、板間距S=0.05 m、潛深h=-0.03 m時，平弧板與雙平板式透空堤結(jié)構(gòu)物周圍波面變化的比較。由圖3可見，在一個波浪周期內(nèi)，t=0.25T，波浪剛剛達(dá)到透空堤附近，平弧板式透空堤兩板之間出現(xiàn)較大的紊動，而雙平板式透空堤下層板背浪向下方有漩渦產(chǎn)生；t=0.5T時，平弧板式透空堤迎浪向水體猛烈沖擊上層平板，此時，雙平板式透空堤迎浪向的水體紊動現(xiàn)象更加顯著；t=0.75T時，平弧板式透空堤迎浪向水體開始回落，并激起浪花，而雙平板式透空堤有部分水體越過上層板上表面；t=T時，平弧板式透空堤迎浪向水體幾乎完全回落，并激起更大的浪花，雙平板式透空堤的回落較弱，浪花較平弧板式透空堤迎浪向不顯著。

圖3 平弧板與雙平板式透空堤波面變化比較

2.2 透射系數(shù)

圖4給出平弧板與雙平板式透空堤在不同入射波高和潛深條件下的透射系數(shù)比較。由圖4可見，相對板寬W/L在0.103～0.212范圍內(nèi)，潛深h為-0.03和0、0.03 m時，透射系數(shù)有隨相對板寬增大而減小的趨勢，且平弧板式透空堤的透射系數(shù)均小于雙平板式透空堤。在本次試驗的范圍內(nèi)，平弧板式透空堤的消浪效果更為顯著，當(dāng)T=1.2 s、H=0.06 m、S=0.05 m、h=0.03 m、W/L=0.166時，透射系數(shù)Kt最高減小幅度約為22%。在一定的工況中相對板寬對透射系數(shù)的影響較為顯著，適當(dāng)增加相對板寬能減小透射系數(shù)，提高透空堤的消浪效果。

圖4 平弧板與雙平板式透空堤透射系數(shù)比較

2.3 反射系數(shù)

圖5給出在波高H=0.06和0.10 m、板間距S=0.05 m、潛深h=-0.03、0、0.03 m條件下的雙平板式透空堤與平弧板式透空堤在不同入射條件的反射系數(shù)試驗結(jié)果。結(jié)果表明：雙平板式透空堤的反射系數(shù)明顯大于平弧板式透空堤。在H=0.06和0.10 m、S=0.05 m、h=-0.03 m時2種透空堤的反射系數(shù)相差較大，當(dāng)W/L等于0.103(即波浪周期T=2.0 s、H=0.06 m)時，平弧板式透空堤的反射系數(shù)較雙平式透空堤減幅最大為82%。當(dāng)相對板寬W/L=0.103時，雙平板式透空堤的反射系數(shù)最小，且平弧板式透空堤的反射系數(shù)在相對板寬W/L在0.103～0.212范圍內(nèi)時反射系數(shù)變化不顯著。

圖5 平弧板與雙平板式透空堤反射系數(shù)比較

2.4 能耗系數(shù)

圖6 平弧板與雙平板式透空堤能耗系數(shù)比較

3 討論

當(dāng)h=-0.03 m時，平弧板與雙平板式透空堤的透射系數(shù)隨相對板寬的增大而減小，能耗系數(shù)隨相對板寬的增大而增大，此時，平弧板式透空堤的透射系數(shù)、反射系數(shù)小于雙平板式透空堤，其能耗系數(shù)大于雙平板式透空堤，表明平弧板式透空堤能加劇波浪水體破碎紊動，消耗更多的波能。當(dāng)h=0 m和0.03 m時，平弧板式透空堤的透射系數(shù)較雙平板式透空堤最高減小約22%。3種潛深狀態(tài)下，平弧板式透空堤的能耗系數(shù)較雙平板式透空堤平均增幅約為22%。其原因在于平弧板式透空堤的弧板兩端增加了結(jié)構(gòu)入水深度，能削弱波浪傳播過程中的能量輸送，提高平弧板式透空堤的消浪性能。綜上所述，平弧板式透空堤的消浪性能優(yōu)于雙平板式透空堤，建議在實際工程中采用。

4 結(jié)論

1)在相同情境下，平弧板與雙平板式透空堤的透射系數(shù)均隨相對板寬的增大而減小，而反射系數(shù)隨相對板寬的增大變化不顯著。平弧板式透空堤的透射系數(shù)與反射系數(shù)均小于雙平板式透空堤，當(dāng)T=1.2 s、H=0.06 m、S=0.05 m、h=0.03 m、W/L=0.166時，平弧板式透空堤的透射系數(shù)較雙平板式透空堤的減小量最大，約為22%；當(dāng)T=2.0 s、H=0.06 m、S=0.05 m、h=-0.03 m、W/L=0.103時，平弧板式透空堤的反射系數(shù)較雙平板式透空堤的減小量最大，約為82%。

2)綜合分析透射系數(shù)與能耗系數(shù)可知，在本次試驗范圍內(nèi)，平弧板式透空堤的透射系數(shù)較雙平板式小，而其能耗系數(shù)較雙平板式透空堤大?？梢姡交“迨酵缚盏棠軌蚋蟪潭鹊刈柚共ɡ送高^，對后方掩護港區(qū)的保護效果更佳，且其在相同情況下能夠損耗更多的波浪能量，故建議在實際工程中采用平弧板式透空堤。此外，適當(dāng)增大板寬，也可達(dá)到較好的防浪效果。