葛 聰，王國(guó)玉，張 琪，趙銀林

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

由于受到技術(shù)以及造價(jià)的限制，傳統(tǒng)式防波堤已經(jīng)不能適應(yīng)深水海域的要求。目前各國(guó)正通過(guò)研究具備經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、施工便利、消波效果好的新型防波堤，來(lái)解決海岸工程相關(guān)問(wèn)題。浮式防波堤是一種由浮體和錨泊系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)，其通過(guò)反射或者消散入射波能量來(lái)掩護(hù)后方區(qū)域，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)型式有浮箱式、浮筒式和浮筏式防波堤。由于浮式防波堤存在相對(duì)傳統(tǒng)式防波堤造價(jià)小、施工方便、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)和消波效果較差，特別在自振頻率附近結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)大、易疲勞受損等缺點(diǎn)[1-3]。因此，近年來(lái)各學(xué)者對(duì)新型的浮式防波堤開(kāi)展了許多研究。

Pena[4]等通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了改變浮堤寬度、側(cè)翼長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)放置在巴約納港口浮筒式防波堤原堤消波效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明浮堤的寬度對(duì)透射系數(shù)影響大，增加側(cè)翼長(zhǎng)度對(duì)其的影響很小。Bayram[5]提出了一種傾斜浮筒防波堤，該結(jié)構(gòu)的消波效果對(duì)波高不敏感，傾斜角度是影響透射系數(shù)的主要因素。Cheng[6]等研究了一種由PVC管組成的凹狀菱形管新型的浮式防波堤，數(shù)據(jù)表明相對(duì)寬度越長(zhǎng)透射系數(shù)越小。Cheng[7]研究了一種用于掩護(hù)深水水產(chǎn)養(yǎng)殖的浮式防波堤，該防波堤由28個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模具(包括雙體筏、消波裝備和減振設(shè)施)以及錨鏈系統(tǒng)組成。并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了其消波效果，結(jié)果表明其消波效果可達(dá)到50%。Hegde[8]等人通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)由三層PVC管水平交錯(cuò)排列的浮式防波堤的波浪損耗進(jìn)行了研究。Koraim[9]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)一種由半圓管組成一排或多排的浮式防波堤進(jìn)行了研究，該試驗(yàn)結(jié)果表明，水平半圓管防波堤消波效果好于平板，透射系數(shù)能相對(duì)于平板降低5%～25%，能量損耗系數(shù)能高于5%～25%。Ji[10-11]等通過(guò)物理模型試驗(yàn)和建立數(shù)值水槽對(duì)幾種新型的浮筒式防波堤進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)的雙浮筒防波堤相比該結(jié)構(gòu)的消波性能更好，尤其對(duì)于長(zhǎng)周期和大波高的情況。但即使是改良后的雙浮筒防波堤，長(zhǎng)周期波浪條件下消波效果仍不佳。金鳳[12]等對(duì)由框架結(jié)構(gòu)以及水平和垂直的開(kāi)孔薄膜組成的多級(jí)帶孔薄膜浮式防波堤進(jìn)行了研究，該結(jié)構(gòu)對(duì)短波掩護(hù)效果好，但對(duì)長(zhǎng)波效果較差。鄭啟航[13]等在金鳳的基礎(chǔ)上對(duì)框架帶孔薄膜浮式防波堤單元體的消波效果進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)單元體進(jìn)行拼裝，其結(jié)構(gòu)消波效果良好，消波系數(shù)均可達(dá)到0.4～0.6。

雖然，很多學(xué)者都致力于研究能提高消波效果的新型浮式防波堤，但是目前的研究十分有限，在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中還存在很大的差距。本文提出了一種新型浮筏式防波堤(以下簡(jiǎn)稱浮堤)，旨在通過(guò)二維物理模型試驗(yàn)來(lái)研究其消波效果，以期對(duì)實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型結(jié)構(gòu)

模型采用單元模塊組裝型式的防波堤結(jié)構(gòu)，單元模塊由PVC加強(qiáng)復(fù)合布制成的波紋形水囊和鋼筋籠組成，其具體結(jié)構(gòu)型式如圖 1所示。波紋形水囊未充水尺寸為0.75 m×0.75 m(長(zhǎng)×寬)，充水后尺寸為0.69 m×0.71 m×0.04 m(長(zhǎng)×寬×高)。水囊波紋垂直于波浪傳播方向，其波紋形的表面能增加底摩擦損耗波能。模型鋼筋籠采用直徑6.0 mm的圓鋼，其重量為0.222 kg/m。為使模型起浮，本試驗(yàn)在鋼筋籠兩側(cè)布置了起浮泡沫。

1-a 鋼筋布置圖1-b 模型與鋼筋布置圖圖1 單元模塊結(jié)構(gòu)圖(單位:m)Fig.1 Structure of unit model (unit: m)圖2 波浪動(dòng)能(線性波理論)分布圖(d=0.4 m,H=0.04 m)Fig.2 Distribution diagram of kinetic energy of wave based on the linear wave theory(d=0.4 m,H=0.04 m)

具體防波堤結(jié)構(gòu)是由3塊模塊單元組裝而成，其浮堤總寬度W(W=W1+W2)為2.1 m。通過(guò)改變組裝迎浪側(cè)傾斜寬度、前端入水深度設(shè)計(jì)了如表1所示的5種結(jié)構(gòu)模型，單元模塊之間的連接采用工程上常用的剛性鉸接方式。其中，在設(shè)計(jì)模型傾斜段前端入水深度時(shí)，是基于波浪在斜坡處發(fā)生波浪破碎時(shí)消耗50%的動(dòng)能能量以及破碎指標(biāo)綜合考慮。圖2給出了在水深d=0.4m，波高H=0.04 m條件下，波浪平均動(dòng)能隨縱向位置z(z=0表示在水面，z=0.4 m表示在水底)的分布圖，從圖中可知，各周期動(dòng)能損耗率為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的前端入水深度ds范圍為(0.07，0.16)m。根據(jù)實(shí)際情況，選取破碎指標(biāo)H/d=0.5，得d≤0.10 m，即斜坡段存在坡上水深小于0.10 m的區(qū)段波浪即可破碎。綜合兩者，最終選取ds=0.18 m。

表1 模型參數(shù)表Tab.1 Parameter table of model

試驗(yàn)中模型用錨鏈進(jìn)行固定，根據(jù)彈性、重量、長(zhǎng)度等條件相似來(lái)設(shè)計(jì)。其最終采用直徑為3 mm，剛度為47.16 N/cm，水下重量為150 g/m的錨鏈，布置方式采用平行布置。Case1的左右兩側(cè)錨鏈長(zhǎng)度均為1.2 m，錨固點(diǎn)距離結(jié)構(gòu)1.1 m。由于在分析懸鏈線長(zhǎng)度對(duì)浮式防波堤水力特性的影響時(shí)，是將其與水深的比值來(lái)進(jìn)行考慮，并且其比值對(duì)防波堤的影響很小甚至可以忽略[14]。因此，在本試驗(yàn)中將不會(huì)因錨鏈長(zhǎng)度的需要而改變錨固點(diǎn)位置，Case2～5迎浪側(cè)的錨固點(diǎn)均距模型0.55 m，錨鏈長(zhǎng)度根據(jù)角度需求確定，背浪側(cè)的錨鏈布置與Case1一致。

1.2 浮力計(jì)算

圖3 模塊起浮圖Fig.3 The floating figure of model

由于鋼筋籠不能自動(dòng)在水中懸浮，同時(shí)，結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)對(duì)周邊水槽壁有較大的損壞作用，因此需要設(shè)計(jì)起浮的材料來(lái)提供浮力以及鋼筋籠和水槽壁間的緩沖作用。對(duì)于水平布置的模塊，主要考慮在滿足一定浮力富余條件下(模塊的配重密度小于水的密度)設(shè)計(jì)起浮的材料尺寸。對(duì)于傾斜布置的模塊，存在模型剩余浮力大錨鏈預(yù)張力大的現(xiàn)象。為保證錨鏈安全，因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡量滿足模塊浮力與自身的重力相等。其具體參數(shù)如表 2所示，起浮效果如圖3所示。

表2 單元模塊浮力計(jì)算相關(guān)參數(shù)表Tab.2 Parameter table of buoyancy calculation for unit model

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 設(shè)備和布置

物理模型試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大波流水槽中進(jìn)行，該水槽長(zhǎng)69 m、寬2 m、深1.8 m。水槽前端配備有實(shí)驗(yàn)室研制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)式造波系統(tǒng)，可造出波形穩(wěn)定、重復(fù)性好的規(guī)則波、橢圓余弦波和不規(guī)則波。水槽后半段用隔板將其分隔為1.2 m和0.8 m兩部分，能減少波浪二次反射。水槽末端裝有消浪網(wǎng)，能減少波浪反射。波浪數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制DJ800多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采集，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、多功能檢測(cè)儀和多種傳感器組成的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。

俯視圖

側(cè)視圖圖4 模型布置圖(單位：m)Fig.4 Sketch of model setup(unit :m)

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)位于0.8 m寬度段內(nèi)，模型前端放置3個(gè)浪高儀1#、2#和3#，間隔分別為0.45 m、0.40 m，用來(lái)記錄模型前波面過(guò)程線，通過(guò)采用Goda兩點(diǎn)法計(jì)算模型的反射系數(shù)?；谒酆蠖瞬ɡ朔瓷洳荒芡耆?，因此在模型后端放置三個(gè)浪高儀4#、5#和6#，間隔分別為0.40 m、0.45 m，通過(guò)Goda兩點(diǎn)法計(jì)算模型的透射系數(shù)。3#、4#浪高儀與模型距離均為3 m，具體模型布置如圖4所示。

表3 試驗(yàn)組次Tab.3 Groups of test

2.2 試驗(yàn)條件和組次

試驗(yàn)水深為0.4 m，入射波浪為規(guī)則波。試驗(yàn)共5種模型，對(duì)于每種模型，波高有0.04 m和0.08 m兩種，周期均包括0.91 s,1.10 s,1.28 s,1.46 s,1.64 s,1.83 s六種，試驗(yàn)工況共60組。具體組次見(jiàn)表3。

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

本試驗(yàn)中，根據(jù)模塊布置方式的不同，其波能損耗現(xiàn)象主要分為兩種，具體如下所示：(1)對(duì)于水平放置的模型，波浪傳至結(jié)構(gòu)后，首先受到結(jié)構(gòu)對(duì)其橫向運(yùn)動(dòng)的阻礙越上結(jié)構(gòu)，隨后水質(zhì)團(tuán)由于縱向運(yùn)動(dòng)受阻形成如圖 5所示的紊流，紊流形成后繼續(xù)向前流動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)表面底摩擦的存在進(jìn)一步損耗能量。(2)對(duì)于有傾斜模塊的模型，波浪傳至結(jié)構(gòu)后，由于淺水變形將發(fā)生圖 6所示的波浪破碎損耗能量，破碎后的波浪也將因結(jié)構(gòu)表面底摩擦進(jìn)一步損耗能量。

綜上，本試驗(yàn)結(jié)構(gòu)能量損耗有以下幾種原因：(1)波浪越上浮堤形成紊流；(2)結(jié)構(gòu)表面有底摩擦，通過(guò)邊界剪切力阻礙波浪傳播；(3)波浪在結(jié)構(gòu)上由于淺水變形致波浪破碎。

圖5 浮堤上紊流圖Fig.5 Turbulence on floating breakwater6-a 整體圖6-b 局部圖圖6 浮堤上波浪破碎圖Fig.6 Wave breaking on floating breakwater

2.4 數(shù)據(jù)處理

圖7 波面歷時(shí)曲線圖(Case4，H=0.08 m，T=0.91 s)Fig.7 Time-series of wave elevation(Case4，H=0.08 m，T=0.91 s)

波浪傳播至結(jié)構(gòu)后，會(huì)發(fā)生波浪的反射、透射和能量損耗。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)前方的波浪是入射波浪與反射波浪的疊加，需通過(guò)1～3號(hào)浪高儀根據(jù)Goda兩點(diǎn)法進(jìn)行分離，其反射系數(shù)Cr即為分離后的反射波高與入射波高的比值。對(duì)于結(jié)構(gòu)后方的波浪，由于水槽末端的反射并不會(huì)完全消除，因此用4～6號(hào)浪高儀采用Goda兩點(diǎn)法分離，波浪透射系數(shù)Ct即為堤后透射波高與堤前入射波高的比值。能量與波高的平方成正比，根據(jù)能量守恒，則有

(1)

根據(jù)上式，即可得能量損耗系數(shù)Cd。圖 7給出了H=0.08 m，T=0.91 s時(shí)，Case4的波面歷時(shí)曲線圖。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 前端相對(duì)入水深度對(duì)消波性能的影響

圖 8給出了在各周期波浪作用下，傾斜寬度W1=1.40 m時(shí)，新型浮筏式防波堤的透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)與前端相對(duì)入水深度(ds/H)的變化關(guān)系圖。圖中ds/H=0，表示浮堤在迎浪側(cè)沒(méi)有布置傾斜模塊。

圖8 Ct和Cd隨ds/H的變化關(guān)系(W1=1.40 m)Fig.8 Variation of Ct and Cd with respect to ds/H(W1=1.40 m)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，透射系數(shù)與前端相對(duì)入水深度呈現(xiàn)兩種變化關(guān)系。在ds/H<1時(shí)，Ct隨著ds/H的增大而減小，在ds/H=1時(shí)，基本達(dá)到最小值，Ct的變化范圍由原來(lái)的0.9～0.4減少到0.8～0.3。并且此種改善作用隨著周期的變化而變化，在T=0.91 s時(shí)，改善作用最強(qiáng)，與ds/H=0的情況相比，Ct相對(duì)減少36%。隨后ds/H>1時(shí)，Ct基本不隨ds/H的變化而變化。

同樣，能量損耗系數(shù)在ds/H<1時(shí)，隨著ds/H的增大而增大。ds/H>1時(shí)，Cd不隨ds/H的變化而變化。圖中數(shù)據(jù)表明，ds/H>1的能量損耗系數(shù)比ds/H=0大，這說(shuō)明前者相對(duì)損耗更多的能量。其原因?yàn)?，?duì)于水平放置的浮堤(ds/H=0)，波浪通過(guò)形成紊流損耗能量。而對(duì)于有傾斜模塊的浮堤(ds/H>1)，除發(fā)生淺水變形使波浪破碎損耗較大能量外，其破碎后的波浪在后接模塊上仍有紊流，會(huì)繼續(xù)損耗能量，因此會(huì)損耗更多的能量。

綜上所述，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)ds/H>1時(shí)，透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)對(duì)于前端相對(duì)入水深度均不敏感。但是，與ds/H=0情況相比，增大ds/H能明顯減小透射系數(shù)和增大能量損耗系數(shù)。

3.2 相對(duì)寬度對(duì)消波性能的影響

圖9和圖10給出了傾斜寬度W1=1.40 m時(shí)，不同前端相對(duì)入水深度下浮堤的透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)與相對(duì)寬度的變化關(guān)系。與圖 8相比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)更離散。也就是說(shuō)，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)于浮堤的消波性能，W/L比ds/H起到更大的影響作用。

9-a H=0.08 m9-b H=0.04 m10-a H=0.08 m10-b H=0.04 m圖9 Ct在不同前端相對(duì)入水深度下隨W/L的變化關(guān)系(W1=1.4 m)Fig.9 Variation of Ct with respect to W/L for different front relative draft (W1=1.4 m)圖10 Cd在不同前端相對(duì)入水深度下隨W/L的變化關(guān)系(W1=1.4 m)Fig.10 Variation of Cd with respect to W/L for different front relative draft (W1=1.4 m)

同時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著相對(duì)寬度的增加，透射系數(shù)整體呈現(xiàn)出逐漸減小而能量損耗系數(shù)逐漸增大的規(guī)律。透射系數(shù)變化范圍為0.3～0.9，且當(dāng)浮堤的寬度大于一倍波長(zhǎng)時(shí)，透射系數(shù)可低于0.6。這是因?yàn)閷?duì)于同一波高、同一水深、同一模型結(jié)構(gòu)情況下，隨著周期的增大，能量分布逐漸從水面向水底蔓延。而浮堤只能損耗水面附近限定水深區(qū)域內(nèi)的能量，因此隨著周期的增大也即相對(duì)寬度的減小，透射系數(shù)將增大，能量損耗系數(shù)將減小。

11-a H=0.08 m11-b H=0.04 m圖11 Cr在不同前端相對(duì)入水深度下隨W/L的變化關(guān)系(W1=1.4 m)Fig.11 Variation of Cr with respect to W/L for different front relative draft (W1=1.4 m)

圖11為不同前端相對(duì)入水深度下浮堤的反射系數(shù)影響圖。數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)整體較小，其反射系數(shù)基本維持在0.2左右。這是因?yàn)閷?duì)于水平放置的浮堤，其入水深度較小，因此能反射的能量較小。而對(duì)于有傾斜模塊的結(jié)構(gòu)，雖然前端入水深度增大，但是波浪傳至結(jié)構(gòu)后主要是發(fā)生淺水變形使波浪破碎。待波浪破碎后，能量減少，能反射的能量即會(huì)減少，因此整體的反射系數(shù)也較小。

3.3 相對(duì)傾斜寬度對(duì)消波性能的影響

本試驗(yàn)中，探討了相對(duì)傾斜寬度對(duì)結(jié)構(gòu)消波性能的影響。圖12和圖13分別給出了在ds=0.09 m、0.18 m條件下，相對(duì)傾斜寬度對(duì)透射系數(shù)、反射系數(shù)和能量損耗系數(shù)的影響圖。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相對(duì)傾斜寬度對(duì)浮堤的消波特性影響顯著。相對(duì)傾斜寬度越大，透射系數(shù)越小，能量損耗系數(shù)越大，而反射系數(shù)則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

如前所述，在結(jié)構(gòu)迎浪側(cè)前端布置傾斜模塊，能使波浪發(fā)生淺水變形。因此隨著W1/W的增大，水下斜坡坡度變緩，波浪可破碎區(qū)段增大，能量損耗增大，透射系數(shù)減小。而對(duì)于反射系數(shù)而言，雖然W1/W的增大，能使能量損耗增多，使相對(duì)反射的波浪減少。但與此同時(shí)，W1/W的增大會(huì)使結(jié)構(gòu)的擋浪面積增大，反射波高將增大。兩者相互作用，則呈現(xiàn)出如上所述的規(guī)律。整體而言，增大相對(duì)傾斜寬度能改善浮堤的消波性能，下面進(jìn)行具體的分析。

12-a H=0.08 m

12-b H=0.04 m圖12 Ct、Cr和Cd在不同相對(duì)傾斜寬度下隨W/L的變化關(guān)系(ds=0.09 m)Fig.12 Variation of Ct ,Cr and Cd with respect to W/L for different relative inclined width(ds=0.09 m)

在ds=0.09 m時(shí)，W1/W=0.33的情況比W1/W=0，Ct平均減小5.6%～11.4%；Cr平均增大42.3%～83.5%；Cd平均提高0.1%～10.5%。W1/W=0.67的情況比W1/W=0.33，Ct平均減小5.0%～5.7%；Cr平均減小38.9%～42.3%；Cd平均提高6.9%～7.0%。

在ds=0.18 m時(shí)，W1/W=0.33的情況比W1/W=0，Ct平均減小8.9%～9.3%；Cr平均增大32.1%～67.3%；Cd平均提高2.4%～10.0%。W1/W=0.67的情況比W1/W=0.33，Ct平均減小1.4%～9.5%；Cr平均減小19.9%～27.9%；Cd平均提高3.8%～8.1%。

從以上數(shù)據(jù)可知，相對(duì)傾斜寬度的改變對(duì)反射系數(shù)的影響最大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，W1/W=0.33比W1/W=0，Ct平均減小5.6%～11.4%，Cr平均增大32.1%～83.5%，Cd平均提高0.1%～10.5%；W1/W=0.67比W1/W=0.33，Ct平均減小1.4%～9.5%，Cr平均減小19.9%～42.3%，Cd平均提高3.8%～8.1%；

13-a H=0.08 m

13-b H=0.04 m圖13 Ct、Cr和Cd在不同相對(duì)傾斜寬度下隨W/L的變化關(guān)系(ds=0.18 m)Fig.13 Variation of Ct,Cr and Cd with respect to W/L for different relative inclined width (ds=0.18 m)

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)由三塊模塊單元?jiǎng)傂糟q接組裝的浮筏式防波堤的消波性能做了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果如下所示：

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)ds/H>1時(shí)，前端相對(duì)入水深度對(duì)于透射系數(shù)和能量損耗系數(shù)影響較小。但是，與ds/H=0情況相比，增大ds/H能明顯減小透射系數(shù)和增大能量損耗系數(shù)。

相對(duì)寬度對(duì)結(jié)構(gòu)的消波效果影響顯著，在相對(duì)寬度大于1時(shí)，透射系數(shù)低于0.6。

結(jié)構(gòu)的消波特性對(duì)相對(duì)傾斜寬度敏感，其中相對(duì)傾斜寬度的改變對(duì)反射系數(shù)的影響最大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，增大相對(duì)傾斜寬度能明顯減小透射系數(shù)、提高能量損耗系數(shù)，反射系數(shù)則呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。同時(shí)，在迎浪側(cè)傾斜一塊模塊，透射系數(shù)比迎浪側(cè)不布置傾斜模塊平均減小5.6%～11.4%，能量損耗系數(shù)平均提高0.1%～10.5%，反射系數(shù)平均增大32.1%～83.5%。當(dāng)迎浪側(cè)傾斜兩塊模塊時(shí)，透射系數(shù)能在一塊基礎(chǔ)上平均減小1.4%～9.5%，能量損耗系數(shù)平均提高3.8%～8.1%，反射系數(shù)平均減小19.9%～42.3%。