傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤的消浪性能研究

王 強 ，劉 睿 ，梁丙臣

（1. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司技術檢測中心, 山東 東營 257000；2. 青島國實科技集團有限公司 青島超級計算與大數(shù)據(jù)中心, 山東 青島 266061；3.中國海洋大學工程學院,山東青島 266061）

防波堤是沿海港口工程中的重要組成部分，用于防御波浪對港口的侵襲，不同型式的防波堤具有不同的適用范圍[1]。樁基透空式防波堤主要由上部消浪結構和下部樁基組成，具有自重輕、材料省的優(yōu)點，適用于水深較大、土質(zhì)較軟的海域[2]。該類防波堤不僅能滿足抵御削減波浪的基本功能要求，又可以有效保證港內(nèi)外的水體交換，能最大程度地減輕防波堤對海洋自然及生態(tài)環(huán)境的負面影響[3-5]，受到國內(nèi)外學者與工程技術人員的廣泛關注。

20世紀中葉，Wiegel[6]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，并推算出有限水深和無越浪情況下的透射系數(shù)近似解析解。此后越來越多的學者對此類結構展開討論，研究不同型式的樁基透空式防波堤所引起的海岸環(huán)境變化。Neelamani和Vedagiri[7]提出了一種部分淹沒的雙層垂直擋板式樁基防波堤，通過物理模型試驗對比研究其在深水區(qū)和淺水區(qū)的消浪效果，Laju等[8]指出此類防波堤的透射系數(shù)會隨著相對淹沒深度的增加而減小，隨后Neelamani和Rajendran還提出了類似的“T”形[9]和“⊥”形[10]樁基防波堤。其后，Rageh等[11]又提出了一種安裝在多排樁柱上的箱體式樁基防波堤，并指出影響此類防波堤消浪性能的主要因素是箱體的相對淹沒深度和相對寬度。

為了進一步減小波浪反射，提升港內(nèi)外的水體交換，防波堤的上部消浪結構也被設計為透空型式。Bennett[12]提出了水平板式樁基防波堤，Wang等[13]指出水平板的相對間隙對透射系數(shù)的影響大于反射系數(shù)，且垂直方向受力大于水平方向。Rageh和Koraim[14]提出了一種具有透空結構的垂直擋浪墻式樁基防波堤，研究表明這種防波堤的透射系數(shù)隨著相對水深、相對淹沒深度和開孔率的減小而減小，Koraim等[15]將試驗研究從單層擋浪墻擴展到雙層，指出增加一層擋浪墻可以將透射系數(shù)減小10%～20%，隨后Koraim等[16]又在此基礎上提出了C型擋浪條式樁基防波堤和L型擋浪條式樁基防波堤。Nakamura等[17]提出了傾斜擋板式樁基防波堤，證明傾斜擋板可以增加波浪的耗散。

本文則提出了一種傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤，該類防波堤的樁基采用方樁，下部結構采用樁連板的形式，上部結構為垂直型擋浪墻，這種新型的樁基透空型防波堤的示意圖見圖1。通過物理模型試驗研究，討論在規(guī)則波入射條件下此種樁基透空型防波堤的反射系數(shù)、透射系數(shù)、能量耗散系數(shù)和波能分布特征，分析影響其消浪性能的主要因素，以期對此種樁基透空型防波堤的實際應用和進一步研究提供參考。

圖1 傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤Fig. 1 Sketch map of the pile-supported breakwater with perforated inclined wave screen

1 模型設計

防波堤試驗模型（圖2）選用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部采用鉛塊配重，各組成部分使用螺絲固定，可改變擋浪板的開孔率ε和布置形式B。防波堤模型共有7種結構形式，本研究對7種結構形式均進行研究，分別設為工況1～工況7，對應的擋浪板形式依次命名為B1～B31。擋浪板的開孔率有3種情況，分別為10%、20%和30%（圖3），擋浪板的開孔中心位置、開孔數(shù)量和開孔排布形式等要素均相同。擋浪板的布置形式可分為單層擋浪板和雙層擋浪板，當擋浪板為單層時，將其安裝在第一排斜樁上；當擋浪板為雙層時，可分別安裝在第一排和第三排斜樁上，且雙層擋浪板的開孔率具有多種組合方式（圖4）。試驗模型的具體參數(shù)如表1所示。

表1 傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤模型參數(shù)Table 1 Parameters of pile-supported breakwater model with perforated inclined wave screen

圖2 防波堤模型尺寸（mm）與照片F(xiàn)ig. 2 Dimensions (mm) and photo of the breakwater model

圖3 不同開孔率的擋浪板模型尺寸(mm)Fig. 3 Dimensions of the model of perforated inclined wave screen with different open-pore rate (mm)

圖4 單層擋浪板和雙層擋浪板的樁基透空型防波堤Fig. 4 The pile-supported perforated breakwater with single inclined wave screen and double included wave screens

2 物理模型試驗

2.1 設備和布置

物理模型試驗開展于山東交通學院港航水動力學實驗室的波浪水槽，該水槽長50 m，寬1.2 m，深1.4 m。水槽前端的造波機采用低慣性伺服電機推板形式結構，可造出波形穩(wěn)定、重復性良好的波列，造波周期為0.6～5.0 s、模擬波高為0.03～0.25 m。水槽末端裝有消浪網(wǎng)，可有效減少波浪反射。為最大程度地減小波浪的二次反射，在水槽中部的試驗區(qū)域安裝薄壁隔板，將水槽一分為二，2個通道的寬度均為0.6 m。

傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤模型放置于距水槽造波端29 m位置處，試驗中共布置10支浪高儀對波高進行測量，具體模型布置如圖5所示。以第一排浪高儀1#和1′#為例，兩者在水槽中等間距并列布設，同時記錄波浪過程，測量結果取二者平均值。模型迎浪側，浪高儀1#～3#和1′#～3′#的布設位置符合Goda兩點法[18]的要求，L12=L23（L1′2′=L2′3′）,L12隨工況而調(diào)整，調(diào)整范圍為0.39～1.71 m，浪高儀3#（3′#）與模型的間距約6 m。模型向岸側，模型與浪高儀4#（4′#）間距約4 m，浪高儀4#～5#和4′#～5′#的間距固定不變，L45=L4′5′=0.3 m。

圖5 傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤模型試驗的布置Fig. 5 Schematic diagram of model experimental layout for pile-supported breakwater model with perforated inclined wave screen

2.2 試驗條件和組次

綜合考慮實際工程中的典型工況和實驗室水槽尺寸及造波能力，確定模型試驗所采用的波高、周期組合。試驗水深D=0.95 m，僅研究規(guī)則波條件下防波堤的消浪特征，波浪周期T為1.25～2.50 s，波高H為0.06～0.22 m。試驗采用 11 種試驗組次和7種結構形式的組合，共計77種工況，具體的試驗組次見表2。

表2 傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤模型波浪參數(shù)Table 2 Parameters of pile-supported breakwater model with perforated inclined wave screen

2.3 試驗現(xiàn)象

圖6為工況1結構形式的防波堤模型消浪性能試驗現(xiàn)象，試驗工況為波高較大的情況，相對波高H/D為0.23，相對堤寬W/L為0.33。在消浪過程中波浪對上部結構擋浪墻產(chǎn)生強烈的沖擊作用，波浪沿擋浪墻爬升至最高點后，在重力作用下迅速跌落，產(chǎn)生猛烈沖擊，同時有大量氣泡卷入，水體紊動劇烈，波浪破碎。同時，擋浪板在波浪的傳播過程中與水質(zhì)點相互阻礙、發(fā)生震蕩，可增強波能的耗散。

圖6 防波堤的消浪過程Fig. 6 Wave-dissipating process of the breakwater

2.4 試驗數(shù)據(jù)采集與處理

試驗前率定浪高儀，確保測量儀器正常使用且精準測量。試驗過程中，同時記錄10個測點的波面過程，模型前的6支浪高儀的測量數(shù)據(jù)可通過 Goda 兩點法[18]分離得出入射波高和反射波高，模型后的4支浪高儀的數(shù)據(jù)可由上跨零點法統(tǒng)計得出透射波高，每組試驗重復3遍，取其平均值作為最終結果。

反射系數(shù)、透射系數(shù)和波能耗散系數(shù)是表征防波堤消浪性能的重要指標。反射系數(shù)（Kr） 指反射波高與入射波高的比值，透射系數(shù)（Kt）指透射波高與入射波高的比值，其計算公式為：

式（1）～（2）中，Hi為入射波高，Hr為反射波高，Ht為透射波高。根據(jù)能量守恒定律，波能耗散系數(shù)（Kd）滿足：

因此，Kd可通過Kr和Kt求得，如下式：

3 試驗結果分析

3.1 單層擋浪板開孔率對消浪性能的影響

為研究擋浪板的開孔率對此種防波堤消浪性能的影響，選取防波堤模型工況1、工況2和工況3作為試驗研究對象（圖7、圖8和圖9）。單層擋浪板開孔率的減小，增大了防波堤模型的反射系數(shù)和波能耗散系數(shù)，有效降低了防波堤模型的透射系數(shù)。反射系數(shù)隨著相對波高的增大而減小，隨相對堤寬的增大而增大，但單層擋浪板開孔率對反射系數(shù)的影響較小。透射系數(shù)隨著相對波高的增大而增大，隨相對堤寬增大而減小。當單層擋浪板開孔率分別為10%、20%和30%時，透射系數(shù)的范圍分別是0.07～0.58、0.07～0.65和0.08～0.70，平均透射系數(shù)分別是0.35、0.39和0.43。波能耗散系數(shù)在整體上與相對波高和相對堤寬呈正相關關系，當?shù)虒挒椴ㄩL的0.25倍時，耗散系數(shù)相對較大。單層擋浪板開孔率為10%時，防波堤模型的耗散系數(shù)的增長幅度最小。當單層擋浪板開孔率分別為10%、20%和30%時，耗散系數(shù)的范圍分別是0.50～0.73、0.48～0.73和0.42～0.71，平均耗散系數(shù)分別是0.64、0.63和0.57。

圖7 擋浪板開孔率對反射系數(shù)的影響Fig. 7 The influence of wave screen open-pore rate ε on reflection coefficient Kr

圖8 擋浪板開孔率對透射系數(shù)的影響Fig. 8 The influence of wave screen open-pore rate ε on transmission coefficient Kt

圖9 擋浪板開孔率對波能耗散系數(shù)的影響Fig. 9 The influence of wave screen open-pore rate ε on wave-dissipating coefficient Kd

由此可知，當防波堤采用單層擋浪板時，擋浪板的開孔率自30%降低至10%，平均透射系數(shù)可減小約24.3%，平均耗散系數(shù)可增長約12.8%，擋浪板開孔率的減小可提高防波堤的消浪能力。

3.2 雙層擋浪板布置形式對消浪性能的影響

為研究擋浪板的布置形式對此種防波堤消浪性能的影響，選取防波堤模型工況1、工況4、工況5、工況6和工況7作為試驗研究對象（圖10～圖12）。對比可知，擋浪板由單層板變?yōu)殡p層板，降低了防波堤模型的透射系數(shù)，增大了波能耗散系數(shù)，但對反射系數(shù)的影響并不顯著。在試驗范圍內(nèi)，此種防波堤對不同波高的波浪（相對波高為0.06～0.34）均具有良好的消浪效果，但對長周期波浪（相對堤寬＜0.25）的消浪效果有限。

圖10 擋浪板布置形式對反射系數(shù)的影響Fig. 10 The influence of wave screen combination B on reflection coefficient Kr

圖11 擋浪板布置形式對透射系數(shù)的影響Fig. 11 The influence of wave screen combination B on transmission coefficient Kt

圖12 擋浪板布置形式對波能耗散系數(shù)的影響Fig. 12 The influence of wave screen combination B on dissipation coefficient Kd

透射系數(shù)Kt隨相對波高無明顯變化，隨相對堤寬的增大整體上呈現(xiàn)減小的趨勢。擋浪板的布置形式分別為B1、B11、B22、B13和B31時，其透射系數(shù)的范圍分別為0.07～0.58、0.03～0.49、0.06～0.58、0.07～0.58和0.06～0.59，平均透射系數(shù)分別為0.35、0.25、0.39、0.30和0.32。透射系數(shù)自小到大，擋浪板的布置形式依次為B11、B13、B31、B1、B22。可知，此種防波堤的透射效果取決于擋浪板組合中的最小開孔率，例如開孔率為10%的單層擋浪板（B1）模型的消浪效果優(yōu)于開孔率均為20%的雙層擋浪板（B22）模型；當擋浪板組合中的最小開孔率相同時，雙層擋浪板模型的消浪效果優(yōu)于單層擋浪板模型，例如開孔率均為10%的雙層擋浪板（B11）模型的平均透射系數(shù)Kt較開孔率為10%的單層擋浪板（B1）模型降低了12.9%；當防波堤模型均為雙層擋浪板且最小開孔率相同時，消浪效果則取決于另一塊擋浪板的開孔率。

波能耗散系數(shù)在整體上與相對波高、相對堤寬均呈正相關關系。擋浪板的布置形式分別為B1、B11、B22、B13和B31時，耗散系數(shù)的范圍分別是0.50～0.73、0.55～0.78、0.55～0.75、0.49～0.74和0.54～0.76，平均耗散系數(shù)分別為0.64、0.70、0.67、0.64和0.69。雙層擋浪板提高了此種防波堤模型對波能的耗散，擋浪板的布置形式由單層擋浪板B1變?yōu)殡p層擋浪板B11時，防波堤模型的平均耗散系數(shù)增加了約9.4%。需特別指出的是，若此種防波堤模型為雙層擋浪板且2個擋浪板的開孔率不同時，將開孔率大的擋浪板安裝在前排樁基可獲得更好的消浪效果，例如擋浪板布置形式為B31的防波堤模型與擋浪板布置形式為B13的防波堤模型相比，其平均耗散系數(shù)增長了約7.8%，這可能是由于前排擋浪板的開孔率較大，更多的波浪透過前排擋浪板后，波浪在兩層擋浪板之間來回震蕩，導致波能耗散加劇。

3.3 波能分布特征及消浪機理分析

波浪能量分布的角度進一步分析此種樁基透空型防波堤的消浪性能，結果如圖13所示。入射波浪與防波堤模型相互作用后，波浪能量被轉化為3個部分：①反射波浪能量Er，主要是由波浪與上部擋浪墻、下部透空擋浪板以及樁基的相互作用而產(chǎn)生，以反射波的形式向入射波相反的方向傳輸；②透射波浪能量Et，由波浪傳播通過防波堤而產(chǎn)生，以透射波的形式繼續(xù)向前傳輸；③耗散波浪能量Ed，主要包括因波浪與防波堤的摩擦作用和水體紊動所損失的能量。防波堤的消浪性能主要源于對波浪的反射作用和波浪的能量損耗。

圖13 不同防波堤模型情況下的波能分布Fig. 13 The wave energy distributions under different cases of breakwater model

利用圖13a和圖13b對比分析了入射波的波高對波能分布的影響，相對波高分別為0.11和0.23，其他參數(shù)固定不變。對比分析發(fā)現(xiàn)，當入射波浪的波高增大時，波能驟增，水體與防波堤間發(fā)生強烈的相互沖擊，波形急劇變化，波浪運動的非線性增強，波浪破碎的程度加劇，水體紊動強烈，局部能量損耗增高，各防波堤模型的耗散波能占比增加，反射波能占比減小，透射波能占比減小，其中透射波能占比的變化幅度較小。對比分析入射波的波長對波能分布的影響（圖13a和圖13c）可知，相對堤寬分別為0.33和0.16，其他參數(shù)固定不變。當入射波浪的波長增大時，在試驗范圍內(nèi)，波浪運動的非線性減弱，水體紊動減緩，波能沿程損失減小，防波堤對于長周期波浪的波能耗散能力降低，各防波堤模型的耗散波能占比大幅度下降，透射波能占比顯著增加，反射波能占比的改變相對較小?？芍?，此種防波堤對于波高較大的波浪仍然具有良好的消浪效果，但對于周期較大的波浪，其消浪效果受到局限。

對比分析單層擋浪板的開孔率對波能分布影響的結果表明，擋浪板的開孔結構改變了防波堤與入射波浪的接觸面積，同時在波浪的傳播過程中，開孔區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)點會發(fā)生震蕩與相互阻礙。當擋浪板的開孔率減小時，防波堤與入射波浪的接觸面積增大，有更少的水體從開孔中穿過，同時開孔內(nèi)的水質(zhì)點碰撞、沖擊、相互擠壓的程度加劇，進而波浪運動的非線性增強，波浪破碎加劇，水體紊動強烈，波能損耗程度增大。擋浪板開孔率的減小，使得透射波能占比減小，耗散波能占比增大，反射波能占比增大，防波堤的消浪效果增強。

再對比分析雙層擋浪板的布置形式對波能分布的影響可知，當防波堤采用雙層擋浪板時，前后排擋浪板上波浪力存在相位差，波浪在多層擋浪板之間來回震蕩，水質(zhì)點運動方向多次發(fā)生改變，水質(zhì)點間相互碰撞，水體紊動加劇且產(chǎn)生渦旋，波能損耗增強。相較于單層擋浪板，雙層擋浪板使得耗散波能占比顯著增大，透射波能占比減小，反射波能占比無明顯改變。當雙層擋浪板的前后開孔率不同時，反射波能占比取決于前排擋浪板的開孔率，例如前排擋浪板開孔率為30%的防波堤模型工況7的反射波能占比最小，這是由于前排擋浪板的開孔率較大時，防波堤與入射波浪的接觸面積減小，更多的水體穿過第一層擋浪板繼續(xù)傳播，減弱了波浪的反射效應。然而，透射波能占比則取決于擋浪板組合中的最小開孔率，例如透射波能占比最高的是最小開孔率為20%的防波堤模型工況5，這是由于擋浪板的最小開孔率限制了可以最終穿過防波堤的水體。當雙層板中前后擋浪板的開孔率不同時，將開孔率較大的擋浪板安裝在迎浪側時，增強波浪在兩層擋浪板之間的震蕩，導致波能耗散加劇，可提高耗散波能的占比。

4 結 論

本文對傾斜擋浪板式樁基透空型防波堤的消浪性能做了物理模型試驗研究，探討了不同入射波浪條件下防波堤擋浪板的開孔率和布置形式對其消浪性能的影響，分析了防波堤的反射系數(shù)、透射系數(shù)以及波能耗散系數(shù)隨著相對波高和相對堤寬的變化關系，主要結果如下：

1）此種防波堤的透射系數(shù)隨相對堤寬的增大而減小，隨相對波高的增大而增大；耗散系數(shù)在整體上與相對波高、相對堤寬均呈正相關關系，但二者隨相對波高的改變較小。在試驗范圍內(nèi)，兩者對不同波高的波浪均具有良好的消浪效果，但對長周期波浪（相對堤寬＜0.25）的消浪效果有限。

2）單層擋浪板開孔率的減小可提高防波堤的消浪性能，擋浪板的開孔率自30%降低至10%，平均透射系數(shù)可減小約24.3%，平均耗散系數(shù)可增長約12.8%。

3）當防波堤采用雙層擋浪板時，防波堤的反射系數(shù)取決于前排擋浪板的開孔率，透射系數(shù)取決于擋浪板組合中的最小開孔率。因此，若雙層板中前后排擋浪板的開孔率不同，將開孔率較大的擋浪板安裝在迎浪側，可使波能耗散系數(shù)大幅增加，反射系數(shù)顯著降低，而透射系數(shù)無明顯改變。

4）從波浪能量分布的角度分析防波堤的消浪機理，此種防波堤可通過改變水質(zhì)點的運動軌跡，加強水質(zhì)點的震蕩和相互碰撞，提高波浪運動的非線性，增強水體紊動，形成局部渦旋等方式增大波浪能量的耗散。