林 蔚,林 鵬,陳池威,李大鴻,陳德鋼,楊升耀,歐陽(yáng)榮桓,阮天野,楊輝斌,林炤圭

(1.福州大學(xué) 海洋學(xué)院,福建 福州350108;2.臺(tái)灣海洋大學(xué) 河海工程系,臺(tái)灣 基隆20224)

港灣建設(shè)目的是為了提供一個(gè)靜穩(wěn)水域讓船舶能安全地進(jìn)出港、裝卸貨物與上下人員。但為了提供較多的碼頭空間給船舶使用,港內(nèi)往往采用直立式碼頭岸壁。由于傳統(tǒng)直立式沉箱為不透水岸壁,容易反射波浪,而造成港內(nèi)水面的動(dòng)蕩。因此,近年來(lái)港灣建設(shè)?？紤]采用多孔隙的直立消波岸壁來(lái)削減入侵港內(nèi)的波動(dòng)能量,以改善港灣的泊穩(wěn)條件。

自從Jarlan[1]提出開(kāi)孔式沉箱的設(shè)想后,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)開(kāi)孔沉箱的消波特性做了廣泛的研究和理論分析。Tanimoto和Yoshimoto[2]研究影響開(kāi)孔沉箱反射率的主要因素,并做了相應(yīng)的理論分析。結(jié)果表明對(duì)于部分開(kāi)孔岸壁沉箱,當(dāng)相對(duì)消波室寬度為0.15～0.20和狹縫深度與水深比值為0.83～0.33時(shí),反射系數(shù)達(dá)到最小值。陳雪峰等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到開(kāi)孔沉箱前的反射系數(shù)及開(kāi)孔沉箱所受總水平波浪力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。Lee和Shin等[4]提出了新式狹縫沉箱,靠海側(cè)岸壁的上部做規(guī)則狹縫開(kāi)孔,針對(duì)孔洞的寬度及數(shù)量調(diào)整不同的孔隙率、單消波室與雙消波室、消波室的寬度等進(jìn)行一系列評(píng)估。該研究指出,雙消波室的消能效果優(yōu)于單消波室;在雙消波室的情況下,一級(jí)消波室與二級(jí)消波室的寬度一樣的時(shí)候消波效果最佳;而當(dāng)一級(jí)消波室開(kāi)孔率為40%,二級(jí)消波室開(kāi)孔率為20%時(shí),呈現(xiàn)最好的消波性能。

對(duì)于削減長(zhǎng)波部分,Hiraishi等[5]利用數(shù)值模擬探討自然及人工沙灘對(duì)長(zhǎng)波的消波效果,表明自然沙灘在周期T=30 s時(shí)反射率可降低到0.3;Kee等[6]發(fā)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)置多孔板的沉箱,如果適當(dāng)調(diào)整消波室垂直前墻的孔隙度、傾斜角、沒(méi)水深度和腔長(zhǎng),可以減少長(zhǎng)波的反射波振幅;然而Hiraishi[7]利用水工模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方式提出消能結(jié)構(gòu)物多孔隙介質(zhì)的厚度至少需要達(dá)到40 m,才能有效地消減長(zhǎng)波的波能。

在直立式開(kāi)孔沉箱的基礎(chǔ)上,邱永芳等[8]提出削減波能的方式可以從提高水力阻尼角度來(lái)思考,即利用港灣結(jié)構(gòu)型式與所形成的水理運(yùn)動(dòng)特性形成阻尼或損耗,例如減少碎波水體的回溯造波。該研究進(jìn)行了以?xún)?nèi)建斜坡開(kāi)孔式結(jié)構(gòu)物作為長(zhǎng)波抗浪型碼頭的模型試驗(yàn)和數(shù)模,并獲得很好的結(jié)果,也證實(shí)改變?nèi)肭值蕉嗫紫督Y(jié)構(gòu)體內(nèi)的水體回流的方向,可以有效地降低因波浪打入消波室后直接回流造成二次造波的影響,由此減少反射波的產(chǎn)生,進(jìn)而減少水面的動(dòng)蕩。

綜上所述,無(wú)論在水工模型試驗(yàn)還是在數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)大多集中在開(kāi)孔結(jié)構(gòu)物的開(kāi)孔率、開(kāi)孔形狀等因素對(duì)消波效果影響的探討,而忽略了波浪進(jìn)入孔隙后的水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。尤其對(duì)于開(kāi)孔沉箱在長(zhǎng)波作用下的消波性能,則除了邱永芳等[8]外一直未見(jiàn)其他文獻(xiàn)報(bào)道較有效的消波方式。

在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,本文提出了一種新型的消能結(jié)構(gòu)物,如圖1所示。此一折葉板開(kāi)孔式沉箱結(jié)構(gòu)物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)折葉板結(jié)構(gòu)物)結(jié)合開(kāi)孔沉箱與活動(dòng)折葉板在沉箱迎浪面岸壁上方形開(kāi)孔的內(nèi)側(cè)加裝折葉板,并設(shè)置第二消波室,下側(cè)則保留泄水孔。堤前的反射波由2部分組成:1)前側(cè)岸壁的反射;2)從消波室回流的二次造波。本研究針對(duì)第二部分做相應(yīng)的研究。

圖1 折葉板開(kāi)孔式沉箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the flap plate type perforated caisson

設(shè)計(jì)的構(gòu)想是利用波浪與折葉板的互動(dòng)關(guān)系導(dǎo)引回流水流。當(dāng)波峰作用時(shí),如圖2a所示,波力可以推開(kāi)折葉板進(jìn)入到消波室,發(fā)生振蕩從而消減波浪能量;而當(dāng)波谷作用,如圖2b所示,堤內(nèi)水體要排出時(shí),由于向外水流及內(nèi)外水壓差的作用促使折葉板關(guān)閉阻擋水流由原來(lái)高度流出,并迫使水流向下由波動(dòng)力較小的泄水孔流出。此種方式可以阻止水體直接回流造波的可能,減少二次反射波的發(fā)生。

圖2 折葉板沉箱的消波構(gòu)想圖Fig.2 Conception of the wave dissipation mechanism of the flap plate type caisson

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究基于水工模型實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)不同波高與周期的規(guī)則波作用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究,得到波高儀的實(shí)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù),推算出此結(jié)構(gòu)物前波浪的相對(duì)反射系數(shù)KR。本研究?jī)?nèi)容屬于初期可行性評(píng)估的階段,旨在找到新型式沉箱對(duì)不同周期與波高條件下的影響規(guī)律,以評(píng)估此種結(jié)構(gòu)物應(yīng)用于碼頭及防波堤的設(shè)計(jì)與規(guī)劃的可能性,并深入了解可能影響的參數(shù),為后續(xù)的深入研究打基礎(chǔ),期許未來(lái)對(duì)港灣工程實(shí)務(wù)能有所幫助。此結(jié)構(gòu)物關(guān)鍵在于折葉板能否在適當(dāng)時(shí)間恰當(dāng)開(kāi)合,所以折葉板的配重會(huì)影響到開(kāi)合程度,因此折葉板重量也列入評(píng)估項(xiàng)目,將通過(guò)監(jiān)控觀(guān)察具體現(xiàn)象,本階段先以輕質(zhì)混凝土版的重量作為依據(jù)。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

本次實(shí)驗(yàn)在臺(tái)灣海洋大學(xué)河海工程系的斷面水槽進(jìn)行。通過(guò)不同周期與波高條件下進(jìn)行規(guī)則波水工實(shí)驗(yàn),探討結(jié)構(gòu)物的消波功能。相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器、模型尺寸與配置及實(shí)驗(yàn)條件說(shuō)明如下:

1)斷面造波設(shè)備

斷面水槽總長(zhǎng)28 m、寬0.8 m、高0.8 m(有效造波長(zhǎng)度為25.65 m),為混凝土基座加上不銹鋼鐵板底床,水槽兩邊鑲嵌透明強(qiáng)化玻璃以便觀(guān)察造波過(guò)程。造波機(jī)為英國(guó)愛(ài)丁堡設(shè)計(jì)公司所制,屬于活塞式造波機(jī),可造規(guī)則波與不規(guī)則波。通過(guò)控制箱面板輸入不同的周期、波高等,經(jīng)由控制盒傳送訊號(hào)以驅(qū)動(dòng)造波機(jī)造波。

2)波高量測(cè)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

波高量測(cè)設(shè)備采用日本Union Engineering株式會(huì)社電容式波高儀,其測(cè)定范圍為±0.15 m。水位變化由波高儀測(cè)得后,經(jīng)波高增幅器擴(kuò)大訊號(hào),傳輸至類(lèi)比-數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3)監(jiān)控裝置

試驗(yàn)監(jiān)控裝置采用4臺(tái)KGuardSecurity攝影機(jī)及一臺(tái)顯示器,可通過(guò)監(jiān)視器來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)全過(guò)程并觀(guān)察折葉板的開(kāi)合情況。

1.1.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)Froude相似律定義[9],綜合考慮最大實(shí)驗(yàn)造波水深h=0.5 m及一般商港水深范圍(15～18 m),選定模型縮尺為λ=136,即長(zhǎng)度縮尺為136,時(shí)間縮尺為16。

模型沉箱由厚度為0.01 m的亞克力玻璃板制作,長(zhǎng)0.79 m,高0.50 m及寬0.77 m。沉箱外側(cè)岸壁做方形開(kāi)孔處理,孔洞尺寸為30 mm×130 mm,水平有4排,每排開(kāi)設(shè)9個(gè)孔洞?？紤]到深水處波浪波動(dòng)較小,最下方保留一層泄水孔,如圖3所示。在孔洞上端添加35 mm×130 mm折葉板,每排設(shè)有8片,共32片。折葉板的配重36 g是先考慮以輕質(zhì)混凝土配合點(diǎn)焊鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加勁處理,以便評(píng)估其受波力作用的反應(yīng)情形。

圖3 直立折葉板開(kāi)孔式沉箱模型尺寸示意圖Fig.3 Dimensions of the model of the flap plate type perforated vertical caisson

1.1.3 實(shí)驗(yàn)配置

本實(shí)驗(yàn)采用Goda兩點(diǎn)法[10]進(jìn)行堤前反射率量測(cè)。實(shí)驗(yàn)布置如圖4所示,以造波板為起點(diǎn),6.5 m處設(shè)置第一根波高儀量測(cè)入射波,其余6根波高儀則依Goda[11]的建議分別在13.86,14.56,15.26,17.86,18.56與19.26 m處設(shè)置。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿[放在23.12 m處,模型以磚塊墊高11 cm,入水部分深39 cm。

圖4 實(shí)驗(yàn)整體布置圖(cm)Fig.4 Overall layout of the experiment(unit:cm)

為了解造波過(guò)程中折葉板的運(yùn)動(dòng)情形與結(jié)構(gòu)物內(nèi)外的波浪變化,本實(shí)驗(yàn)一共使用4臺(tái)攝影機(jī)來(lái)監(jiān)控,如圖5所示。一號(hào)機(jī)(CH1)與三號(hào)機(jī)(CH3)分別設(shè)在結(jié)構(gòu)物左右,從兩側(cè)拍攝結(jié)構(gòu)物前面折葉板開(kāi)口、波浪越波的情況。二號(hào)機(jī)(CH2)放在結(jié)構(gòu)物上端從上往下拍攝,四號(hào)機(jī)(CH4)放在結(jié)構(gòu)物的前面,拍攝結(jié)構(gòu)物與結(jié)構(gòu)物前面波浪的變化。通過(guò)監(jiān)控器記錄實(shí)驗(yàn)全過(guò)程,并用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的檢驗(yàn)工具。

圖5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)視器Fig.5 Monitors for the experimental process

1.1.4 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)入射波采用規(guī)則波,為了模擬正常氣候條件下及非常態(tài)氣候條件如臺(tái)風(fēng)波浪,實(shí)驗(yàn)波高選擇H=3,6,9和12 cm,相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)波高為1.08,2.16,3.24和4.32 m。實(shí)驗(yàn)周期選擇T=0.8～3.0 s,相當(dāng)于模擬現(xiàn)場(chǎng)4.8～18.0 s。波高尖銳度范圍為0.002～0.096。造波的周期涵蓋了夏季季風(fēng)波浪、冬季季風(fēng)波浪及臺(tái)風(fēng)波浪的范圍。實(shí)驗(yàn)造波條件以不發(fā)生碎波為原則,一共有62組,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)至少3次,每次造波約90 s。

1.2 分析方法

本實(shí)驗(yàn)最后是以第5、第6及第7支波高儀的波形紀(jì)錄進(jìn)行Goda兩點(diǎn)法[11]的反射率分析,詳細(xì)處理過(guò)程說(shuō)明如下。

圖6 T=1.4 s,H=0.03 m波高儀測(cè)量原始時(shí)間序列圖Fig.6 Wave profiles measured with wave-height gauge at T=1.4 s and H=0.03 m

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所獲波浪原始數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)初步歸零整理后,繪制原始時(shí)間序列的波形圖,如圖6所示,并由圖中判斷所獲數(shù)據(jù)的正確性(例如由于電壓不穩(wěn)定、或波高變化超過(guò)了波高儀電壓波動(dòng)的范圍導(dǎo)致所繪制圖形出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤時(shí)應(yīng)去除)。由于造波機(jī)初始造波時(shí)前幾個(gè)波有碎波及不穩(wěn)定現(xiàn)象,所以擷取入射波時(shí)去除個(gè)別前導(dǎo)波以確定正確的入射波波高。

由于波浪進(jìn)出結(jié)構(gòu)物后會(huì)發(fā)生相位改變,可能會(huì)使波高儀恰好測(cè)量到波浪節(jié)點(diǎn)部分,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用3支波高儀的數(shù)據(jù),將不合理或不穩(wěn)定波浪數(shù)據(jù)剔除后再進(jìn)行分析。由于第2、第3及第4支波高儀附近水面明顯地呈現(xiàn)三維震蕩效應(yīng),不利于數(shù)據(jù)分析,故采用第5、第6及第7支波高儀數(shù)據(jù),在3支波高儀的入射加反射之波段內(nèi),在2個(gè)零上切點(diǎn)間擷取波形,共擷取10個(gè)波作為分析波段,進(jìn)行發(fā)射率分析。

為了獲得正確的入射加反射波段,先通過(guò)分散關(guān)系式σ2=gk tanh kh求得波速。其中,σ=2π/T為角頻率;k=2π/L為波數(shù);T為波浪周期;L為波長(zhǎng);h為水深;g為重力加速度。以此波速來(lái)計(jì)算波浪經(jīng)過(guò)各波高儀及結(jié)構(gòu)物所需的時(shí)間,再以波浪從造波機(jī)傳遞至結(jié)構(gòu)物再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)物傳遞至波高儀的時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始擷取波段,而后以波浪從波高儀傳遞至造波機(jī)并反射到波高儀的時(shí)間點(diǎn)(即為二次反射的時(shí)間點(diǎn))停止擷取波段。兩次求得之時(shí)間點(diǎn)中間則為入射波加反射波之波段,最后再用3支波高儀兩兩間的入射波及入射加反射波段數(shù)據(jù)求取反射率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)物的消能效果常以堤前反射率進(jìn)行比較,本節(jié)首先進(jìn)行折葉板結(jié)構(gòu)物的反射率個(gè)別分析,其后分別與Lee和Shin[4]狹縫型沉箱及Hiraishi[7]實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比及探討,具體分析如下。

2.1 個(gè)別分析

圖7所示為折葉板結(jié)構(gòu)物的實(shí)驗(yàn)反射率圖,由上而下依序?yàn)椴ǜ?,6,9及12 cm的反射率結(jié)果。橫軸表示實(shí)驗(yàn)周期(T),縱軸表示反射率(KR)。各圖中除了顯示3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中所有合理的反射率數(shù)據(jù)外,也繪制由這些數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸所得的三次反射率曲線(xiàn)。為了比較回歸曲線(xiàn)的擬合程度,波高3和6 cm的圖里增加了二次反射率曲線(xiàn),如圖7a和圖7c所示。

圖7 折葉板的反射率Fig.7 Reflection coefficient of the flap plates

1)波高3 cm

2)波高6 cm

式(1)～(4)中,S為最小平方誤差。二次及三次回歸曲線(xiàn)幾乎重合,且總誤差平方和相當(dāng)接近,說(shuō)明二次曲線(xiàn)已足以表示反射率的變化。由于造波機(jī)的性能限制,制造短周期大波高會(huì)出現(xiàn)波形不穩(wěn)定現(xiàn)象而產(chǎn)生碎波,或者長(zhǎng)周期的波高因?yàn)槟芰肯⒌木壒识鵁o(wú)法太高,故波高9和12 cm實(shí)驗(yàn)資料較少。本文僅列入?yún)⒖肌?/p>

由圖7可知,本消能結(jié)構(gòu)物在試驗(yàn)的條件中,KR均在0.6以下,其中1.0～2.8 s間都在0.4以下,而1.3～2.5 s間都在0.2以下。因?yàn)橹芷诤w了一般季風(fēng)風(fēng)波及臺(tái)風(fēng)波浪,顯示本結(jié)構(gòu)物的消波效果相當(dāng)好。波高3和6 cm的反射率圖趨勢(shì)相近。最佳的消波周期為1.2～2.7 s,相當(dāng)于實(shí)際周期7.2～16.2 s(冬季風(fēng)風(fēng)浪及臺(tái)風(fēng)波浪),KR均在0.3以下。而即便是周期大于2.7 s的長(zhǎng)周期部分,KR也都在0.6以下,有別于一般消能式結(jié)構(gòu)物的0.9以上。這個(gè)結(jié)果顯示本結(jié)構(gòu)物對(duì)長(zhǎng)周期波的消波性能相當(dāng)?shù)睾?。波高?和12 cm時(shí)的反射率圖也呈現(xiàn)出很好的消波效果,在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),反射率大致為0.1～0.4。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)錄像及數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)由于折葉板的配重較大,短周期波浪的波力不足以將折葉板推開(kāi)太多,以致大比例的波能直接反射,未來(lái)如能減少折葉板重量將有助于改善對(duì)短周期的消波能力。但折葉板重量太小則有可能使得波谷作用時(shí)折葉板不容易闔上而消減了阻水及導(dǎo)水的作用。

Huang等[12]整理的資料指出:對(duì)于一個(gè)開(kāi)孔墻的孔隙效應(yīng)參數(shù)G值,Jarlan型結(jié)構(gòu)物反射系數(shù)在下列關(guān)系下為最低值:

式中,B為消波室的縱深。由于實(shí)務(wù)上僅考慮消波室的最短寬度,因此只有基本共振模態(tài)(n=0)會(huì)用于Jarlan型結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)上。目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,折葉板結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)最低反射率所對(duì)應(yīng)的B/L比值在0.058左右,比Huang等[12]總結(jié)所得出的比值小很多,可能是配置折葉板改變了消波室內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)形式,也可能有2個(gè)消波室不同深度的影響。

2.2 比較與討論

為了了解本新型結(jié)構(gòu)物的適切性,本節(jié)分別與Lee和Shin[5]的狹縫型沉箱及Hiraishi[7]的實(shí)驗(yàn)相比較。

2.2.1 與Lee和Shin等狹縫型沉箱的比較

Lee和Shin等[4]的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示,實(shí)驗(yàn)水深50 cm,實(shí)驗(yàn)波高為2和4 cm,周期為0.8～2.4 s。圖9為L(zhǎng)ee和Shin等[4]的模型在Hs=4 cm(N=3、不同孔隙率)與本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮贖s=3 cm的反射系數(shù)比較。由圖9可知,在本研究的實(shí)驗(yàn)周期范圍內(nèi),在B/L≤0.1時(shí)(屬于較長(zhǎng)周期波動(dòng),約為T(mén)＞1.1 s),新型結(jié)構(gòu)物有較佳的消能效果;T＜1.1 s的短周期部分,則以L(fǎng)ee和Shin等的狹縫型結(jié)構(gòu)物表現(xiàn)較好。因此,基于港內(nèi)的動(dòng)以長(zhǎng)周期波的威脅較大,折葉板結(jié)構(gòu)物的整體表現(xiàn)優(yōu)于Lee和Shin等[4]的狹縫型結(jié)構(gòu)物。

2.2.2 與Hiraishi等[7]的長(zhǎng)周期消能結(jié)構(gòu)物的比較

Hiraishi[7]討論了設(shè)置在結(jié)構(gòu)物后的多孔隙介質(zhì)層的長(zhǎng)度、碎石的直徑對(duì)消波效果的影響。其實(shí)驗(yàn)配置如圖10a所示,模型比尺為1/40～1/20,實(shí)驗(yàn)周期為2～6 s,實(shí)驗(yàn)波高為2～4 cm,多孔隙介質(zhì)層長(zhǎng)度設(shè)有100和200 cm。圖10b為多孔隙層長(zhǎng)度與反射率系數(shù)的變化,反射系數(shù)隨滲透層長(zhǎng)度的增加而減小。無(wú)滲透層時(shí),孤立波的反射系數(shù)幾乎為1.0。當(dāng)透水層長(zhǎng)200 cm時(shí),孤立波的反射系數(shù)為0.8左右,而規(guī)則波T=6 s的反射系數(shù)在0.5左右,但此時(shí)多孔隙層在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)度相當(dāng)于40～80 m,工程實(shí)用性不大。

圖8 Lee和Shin等狹縫型沉箱配置圖[4](cm)Fig.8 Setting-up of the slot type caisson proposed by reference[4](cm)

圖9 文獻(xiàn)[4]的反射率比較圖(N=3,H s=4 cm、不同孔隙率)Fig.9 Comparison of between the caissons proposed in the present paper and reference[4]

圖10 Hiraishi的長(zhǎng)周期消能設(shè)施研究[4](cm)Fig.10 Long period energy dissipation facility studied by Hiraishi[4](cm)

Hiraishi[7]實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)周期9～40 s,其反射率大致處于0.4～0.9,與新型結(jié)構(gòu)物的消波效果差距較大。本結(jié)構(gòu)物在實(shí)際周期8.4～15 s中,反射率低于0.3,而大于15 s的反射率也都在0.6以下。由于造波機(jī)的能力有限,最大周期僅能仿真到18 s。但是經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),如圖11所示,以線(xiàn)性波理論的動(dòng)水壓力公式為參考,假如沉箱開(kāi)孔頂端在平均水面處,而底端在水下0.03 m處,則折葉板式的最大內(nèi)外動(dòng)水壓差發(fā)生在外側(cè)是波峰時(shí)而內(nèi)側(cè)是平均水位時(shí),最小動(dòng)水壓差則發(fā)生在外側(cè)是波峰時(shí)而內(nèi)側(cè)是波谷時(shí)。最大動(dòng)壓差呈定值形式是因?yàn)榫€(xiàn)性波理論中假設(shè)平均水面以上的動(dòng)水壓力以p D=ρgη計(jì)算,式中:ρ為海水密度;g為重力加速度;η為水面波形。因?yàn)榇瞬ǚ逄幍膭?dòng)水壓力相同。最小壓力差則隨著造波周期的增長(zhǎng)而降低,但仍然屬于正向壓力。由圖顯示,只要外側(cè)是波峰時(shí),就有一個(gè)正向力推開(kāi)折葉板,而且不論周期大小。本實(shí)驗(yàn)僅為一簡(jiǎn)單的示范,尚未考慮堤前波浪因反射而形成波壓力較大的重復(fù)波或部分重復(fù)波,其他水深也尚未考慮。所以在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn),總作用力會(huì)克服折葉板的重量而將板子掀開(kāi),因此在長(zhǎng)周期下也可以推開(kāi)折葉板,甚至?xí)榷讨芷诘南ㄐЧ鼮槊黠@。新型結(jié)構(gòu)物的消波能力優(yōu)于Hiraishi[7]的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?消波室的縱深明顯縮短而更實(shí)用。

圖11 折葉板式的內(nèi)外側(cè)水壓力差Fig.11 The internal and external water pressure difference of the flap plates

2.3 工程實(shí)用討論

一個(gè)新型消能結(jié)構(gòu)物的提出,除了要在理論上證明其消波功能外,也需要從工程實(shí)務(wù)方面進(jìn)行探討,以提高工程可行性。本節(jié)以開(kāi)孔式消能碼頭為討論重點(diǎn),提出工程應(yīng)用上的可能型式。

一般水深5 m以下如漁港或游艇港的近岸灣澳,建議以預(yù)制塊的方式施作,如圖12所示。以混凝土框架(壁厚與尺寸可依實(shí)際需求調(diào)整),在前壁內(nèi)側(cè)裝設(shè)折葉板。造型簡(jiǎn)單、且施工方便。尺寸可依施工的能力與技術(shù)與吊放作業(yè)流程適當(dāng)選擇。

一般國(guó)內(nèi)商港或天然灣澳的水深大約在5～10 m,既不是淺水區(qū)也不是深水區(qū),使用沉箱結(jié)構(gòu)或預(yù)鑄型塊都有其施工上的問(wèn)題。此種狀況建議以復(fù)合型結(jié)構(gòu)物來(lái)施作,如圖13所示,例如以混凝土方塊堤作為結(jié)構(gòu)本體,而在平均水面附近以預(yù)制塊施作?？纱_保結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度,亦可提供相當(dāng)?shù)南芰Α?/p>

圖12 淺水域的新型結(jié)構(gòu)物示意圖Fig.12 A sketch map of the new structure used in the shallow waters

圖13 中間水深的復(fù)合型結(jié)構(gòu)物Fig.13 A compound structure used in the area with intermediate water depth

而就國(guó)際商港而言,由于水深較深,可以用沉箱結(jié)構(gòu)型式施作。沉箱本體和折葉板可在預(yù)制場(chǎng)完成預(yù)制,但折葉板以及碼頭頂蓋以現(xiàn)場(chǎng)施作方式進(jìn)行。

有關(guān)活動(dòng)折葉板的連結(jié)部分,是本新型結(jié)構(gòu)物應(yīng)用上的關(guān)鍵。此部分可用天然橡膠材料作加勁處理,制作彈性鏈接材;或以高耐磨性與耐腐蝕性材料當(dāng)作支撐材料。雖然此連結(jié)部分時(shí)刻不間斷地受到波浪的推力作用,連結(jié)部分可能會(huì)有磨損或者是材質(zhì)老化的問(wèn)題,但由于波動(dòng)的周期大多在1 s以上,應(yīng)不致產(chǎn)生高頻的材料疲乏問(wèn)題。如何選取適當(dāng)材料與鏈接器的設(shè)計(jì),將是今后的研究重點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本研究利用水工模型試驗(yàn)的方式評(píng)估一種新型多孔隙結(jié)構(gòu)物的消能效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增加堤體內(nèi)的導(dǎo)流排水功能,及減低波動(dòng)回溯造波,可以明顯地改善結(jié)構(gòu)物的消波效果,尤其是長(zhǎng)周期波的部分。應(yīng)用于港灣實(shí)務(wù)時(shí),將有利于降低季風(fēng)波浪及長(zhǎng)波所引起的港灣震蕩。由上述分析可得如下結(jié)論:

1)本研究具體提出一新型結(jié)構(gòu)物的構(gòu)想,在開(kāi)孔式消能結(jié)構(gòu)物的前壁開(kāi)孔內(nèi)側(cè)裝設(shè)活動(dòng)折葉板,并保留下側(cè)開(kāi)孔作為泄水孔。借由波浪及水流運(yùn)動(dòng)與折葉板開(kāi)闔的互動(dòng)關(guān)系,于波峰作用時(shí),水壓力推開(kāi)折葉板讓水流進(jìn)入結(jié)構(gòu)物體內(nèi),而在波谷作用時(shí),向外排出的水體力與重力將折葉板閉合,阻止水流由原路徑排出,并導(dǎo)引水流由下方排水孔排出。借此可以降低波浪的反射,提升結(jié)構(gòu)體的消波能力。

2)經(jīng)水工模型實(shí)驗(yàn)證明,在實(shí)驗(yàn)造波周期0.8～3.0 s,反射率皆在0.6以下。尤其在實(shí)驗(yàn)波浪周期1.4～2.5 s的消波成效最為顯著,反射率低于0.2。波高6 cm作用下的消波效果比波高3 cm的消波效果好,應(yīng)是與波高及開(kāi)孔高度間的比例有關(guān)。

3)本新型結(jié)構(gòu)物對(duì)港灣內(nèi)的長(zhǎng)周期波動(dòng)的削減有顯著效果,因此,可以有效地降低惡劣氣象作用下(例如臺(tái)風(fēng)時(shí)期)的港內(nèi)長(zhǎng)周期振蕩,提供較佳的靜穩(wěn)性,提高港內(nèi)船舶?？堪踩６こ虒?shí)務(wù)上則可以針對(duì)不同的水深進(jìn)行不同形式但具備相同消波功能的設(shè)計(jì)。

4)由于防波堤所要承受的波浪力較大,以及折葉板尺寸與重量直接關(guān)系到該新型結(jié)構(gòu)物對(duì)短周期波的消波能力,將在后續(xù)研究中評(píng)估各組件的耐波性能與活動(dòng)性。

致謝：臺(tái)灣海洋大學(xué)河海工程系提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備,連皓宇、張維庭、蔡世璿和許師瑜悉心協(xié)助!

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