張俊斌,李雪艷,2，王 慶,伊 鋒,張金芝,王麗雪,張之晨,李 欽,王嘉睿,王玉坤

(1.魯東大學(xué)海岸研究所，山東 煙臺(tái) 264025；2.魯東大學(xué)跨海工程研究院，山東 煙臺(tái) 264025)

防波堤是沿海港口的重要組成部分，其主要功能是減弱波浪沖擊以維護(hù)港池內(nèi)水面平穩(wěn)，保證船舶安全停靠以及保護(hù)近岸結(jié)構(gòu)物。目前常見(jiàn)的重力式防波堤的類型主要有斜坡式和直立式防波堤，這兩種類型的防波堤具有很好的消浪效果，但隨著水深的不斷加大，防波堤用料也就越來(lái)越多，且施工難度加大。此外，該類型防波堤完全阻斷港區(qū)內(nèi)外水體的流通，對(duì)港內(nèi)水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境有不利影響。同時(shí)，由波浪理論可知，波能主要集中在水體表層，且主要集中于水體表層2～3倍波高內(nèi)，故由樁基基礎(chǔ)和上部防浪結(jié)構(gòu)組成的透空式防波堤的消波性能研究逐漸受到廣泛關(guān)注。本文主要對(duì)比平板式防波堤和弧板式防波堤的水動(dòng)力特性。

關(guān)于板式防波堤消浪性能研究，前人做了大量的理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作。最簡(jiǎn)單的透空堤形式由邱大洪等[1]提出，為僅有一個(gè)單板構(gòu)成的透空式防波堤。之后學(xué)者們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[2-4]；王晶等[5]對(duì)新型透空板式防波堤的消浪性能進(jìn)行物理模型試驗(yàn)；王科等[6-7]對(duì)近自由水面水平板式防波堤消波特性進(jìn)行了研究。還有許多學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值模擬[8-11]；近年來(lái)，吳瑤瑤等[12]利用數(shù)值模型的方法討論了相對(duì)潛深、入射波周期、相對(duì)波高、相對(duì)板寬和結(jié)構(gòu)形式對(duì)透射系數(shù)的影響；程永舟等[13]提出了一種新型透空格柵板式防波堤，探討了上下層平板相對(duì)間距以及格柵板間隙對(duì)消波效果的影響。本文通過(guò)對(duì)比平板式透空堤與弧板式透空堤的波面高程、透射系數(shù)、反射系數(shù)、壓力和流場(chǎng)，給出兩者在不同工況下水動(dòng)力特性的差異。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)與模型設(shè)計(jì)

該物模試驗(yàn)在魯東大學(xué)港口航道與海岸工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，配有長(zhǎng)60.0 m、寬2.0 m、高1.8 m的大波流水槽，其最大工作水深為1.5 m，由造波區(qū)、試驗(yàn)區(qū)以及消波區(qū)組成。水槽一側(cè)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推板式造波機(jī)，推波板寬為2.0 m。消波區(qū)采用不規(guī)則棱角石塊堆積而成的斜坡消浪，其水平長(zhǎng)度6.8 m、垂直高度1.3 m、坡度約為1:5。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的波面高程和測(cè)點(diǎn)壓力分別采用浪高儀和壓力傳感器測(cè)量。

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶▎位“迨椒啦ǖ毯蛦纹桨迨椒啦ǖ虄煞N。其中，單弧板式防波堤如圖1a)所示，沿波浪傳播方向弧板長(zhǎng)0.45 m、寬0.79 m、厚0.01 m；單平板式防波堤如圖1b)所示，平板沿波浪傳播方向長(zhǎng)0.45 m、寬0.79 m、厚0.01 m。兩種防波堤均由有機(jī)玻璃制作，模型可拆卸。防波堤布置在水槽試驗(yàn)區(qū)的中后部，如圖2所示。沿防波堤模型的迎浪向與背浪向共布置3根浪高儀，編號(hào)為1#～3#，其中1#和2#浪高儀位于迎浪向，3#浪高儀位于背浪向。

圖1 防波堤結(jié)構(gòu)

圖2 防波堤布置(單位：m)

1.2 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)采用規(guī)則波浪，涉及的主要參數(shù)有水深d、波高H、周期T以及潛深h。試驗(yàn)中平板式與弧板式防波堤所采用的水深均為0.6 m，波高包含0.06、0.10 m，周期分別為1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 s。潛深定義為結(jié)構(gòu)物上表面頂點(diǎn)距靜水面的距離，為別為-0.03 m(表示結(jié)構(gòu)物位于靜水面以上)、0 m(表示結(jié)構(gòu)物位于靜水面處)和0.03 m(表示結(jié)構(gòu)物位于靜水面以下)。為深入探討透射系數(shù)與反射系數(shù)與各變量間的變化關(guān)系，采用無(wú)量綱化參數(shù)進(jìn)行討論，故本文采用相對(duì)波高H/d分別為0.10、0.17，相對(duì)潛深h/d分別為-0.05、0、0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 波面高程變化

周期T=2.0 s、相對(duì)波高H/d=0.1、相對(duì)潛深h/d為0.05和-0.05時(shí)，平板式與弧板式防波堤不同位置測(cè)點(diǎn)處的波面歷時(shí)曲線如圖3所示。在相對(duì)潛深h/d=0.05時(shí)，平板式防波堤迎浪向的波面高程與弧板式防波堤的相當(dāng)，而背浪向的波面高程明顯小于弧板式防波堤的波面高程；在相對(duì)潛深h/d=-0.05時(shí)，平板式防波堤迎浪向的波面高程仍與弧板式防波堤的相當(dāng)，而背浪向的波面高程明顯大于弧板式防波堤的波面高程。由此可知，在出水狀態(tài)時(shí)，弧板式防波堤消浪效果優(yōu)于平板式防波堤，而入水狀態(tài)時(shí)則相反。

圖3 平板式與弧板式防波堤波面歷時(shí)曲線對(duì)比

2.2 透射系數(shù)

兩種結(jié)構(gòu)物的透射系數(shù)比對(duì)見(jiàn)圖4，縱坐標(biāo)為透射系數(shù)，橫坐標(biāo)W/L為相對(duì)板寬(W為板的寬度0.45 m,L為不同周期所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))。兩種結(jié)構(gòu)物在不同潛深條件下透射系數(shù)具有較大的差異。在波浪要素相同的情況下，相對(duì)潛深h/d=0時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)物的透射系數(shù)大小相差較??；相對(duì)潛深h/d=0.05時(shí)，弧板式防波堤的透射系數(shù)明顯高于平板式防波堤的透射系數(shù)；相對(duì)潛深h/d=-0.05時(shí)，平板式防波堤的透射系數(shù)明顯高于弧板式防波堤的透射系數(shù)。由此可知，潛深對(duì)防波堤透射系數(shù)的影響較為顯著。

圖4 平板式與弧板式防波堤的透射系數(shù)對(duì)比

2.3 反射系數(shù)

兩種結(jié)構(gòu)物的反射系數(shù)Kr對(duì)比見(jiàn)圖5。在波浪要素相同的情況下，相對(duì)潛深為0、0.05時(shí)，平板式防波堤的反射系數(shù)明顯大于弧板式防波堤的反射系數(shù)；在相對(duì)潛深為-0.05時(shí)，情況相反。平板式與弧板式透空堤的反射系數(shù)均會(huì)隨相對(duì)板寬的增大呈現(xiàn)波動(dòng)增大的變化趨勢(shì)。

在相對(duì)潛深h/d=0時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)物透射系數(shù)大致相同，而反射系數(shù)有較大差異。分析其原因可能為，當(dāng)結(jié)構(gòu)物位于靜水面時(shí)，平板與弧板頂部均剛好與靜水面齊平，其對(duì)波浪的阻礙效果相當(dāng)，故兩者的透射系數(shù)差別不大；而在相同情況下時(shí)，由于弧板與平板在垂直方向上的高度不同，其對(duì)波浪的反射作用也不同，故兩者的反射系數(shù)有較大差別。

圖5 平板式與弧板式防波堤的反射系數(shù)對(duì)比

2.4 壓力

在周期T=2.0 s、相對(duì)波高H/d=0.17、相對(duì)潛深h/d分別為0、0.05和-0.05時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)物的壓力包絡(luò)線對(duì)比見(jiàn)圖6，縱坐標(biāo)為最大波壓力，橫坐標(biāo)為相對(duì)板寬X/W(X為結(jié)構(gòu)物開(kāi)孔位置距迎浪側(cè)板前端的距離,W為板的寬度),此處用X/W是為了確定開(kāi)孔所測(cè)壓力點(diǎn)在結(jié)構(gòu)物上的相對(duì)位置，可以更準(zhǔn)確地表明結(jié)構(gòu)物不同位置處所受的壓力；而圖5中的相對(duì)板寬W/L，是為了表述透、反射系數(shù)與周期的關(guān)系，周期對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，為了使橫坐標(biāo)波長(zhǎng)無(wú)量綱化，所以統(tǒng)一用板寬W除以波長(zhǎng)L，得到相對(duì)板寬W/L。相對(duì)潛深為0時(shí),平板式防波堤上表面正壓與負(fù)壓較為穩(wěn)定；弧板式防波堤上表面正壓較穩(wěn)定，負(fù)壓呈先減小后增大的趨勢(shì)；下表面平板正壓大于弧板正壓，而平板負(fù)壓小于弧板負(fù)壓(圖6a)、b))；相對(duì)潛深為0.05時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)物的下表面正負(fù)壓力差異不顯著。兩者上表面正負(fù)壓差異顯著，弧板上表面負(fù)壓隨相對(duì)板寬呈先減小后增大的變化趨勢(shì)(圖6c)、d))；相對(duì)潛深為-0.05時(shí),兩種結(jié)構(gòu)物上表面的正壓差異顯著而下表面正壓差異不明顯(圖6e)、f))。兩種結(jié)構(gòu)物上下表面的負(fù)壓差異顯著，弧板不同測(cè)點(diǎn)處負(fù)壓隨相對(duì)板寬呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。

圖6 平板式與弧板式防波堤的壓力包絡(luò)圖對(duì)比

2.5 流場(chǎng)

兩種結(jié)構(gòu)物在水深d=0.6 m、入射波周期T=1.2 s、相對(duì)波高H/d=0.17、相對(duì)潛深h/d=-0.05時(shí)，時(shí)間t=0.25T和t=0.75T時(shí)的流場(chǎng)變化見(jiàn)圖7。在一個(gè)波浪變化周期內(nèi)，t=0.25T時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)物迎浪向一側(cè)水體明顯高于背浪向，水體作用于結(jié)構(gòu)物時(shí)波浪破碎顯著；t=0.75T時(shí)，波浪已經(jīng)完全越過(guò)結(jié)構(gòu)物，此時(shí)水體處于回落狀態(tài)，強(qiáng)烈沖擊槽內(nèi)水面。由于弧板式防波堤尺寸在垂直方向較大，波浪作用于結(jié)構(gòu)物時(shí)存在一個(gè)爬升過(guò)程，與平板式防波堤相比，對(duì)波浪阻礙作用較大，故其透浪較少，消浪效果更優(yōu)。

圖7 平板式與弧板式防波堤的流場(chǎng)對(duì)比

3 結(jié)論

1)通過(guò)綜合比較平板式與弧板式防波堤迎浪向與背浪向波面高程變化、透射系數(shù)與反射系數(shù)可知，在出水狀態(tài)時(shí)(相對(duì)潛深h/d=-0.05)，弧板式防波堤的消浪效果明顯優(yōu)于平板式防波堤；在入水狀態(tài)(相對(duì)潛深h/d=0.05)和靜水面(相對(duì)潛深h/d=0)時(shí)，平板式防波堤的消浪效果明顯優(yōu)于弧板式防波堤。

2)平板式與弧板式防波堤上表面不同測(cè)點(diǎn)處壓力差異顯著，下表面不同測(cè)點(diǎn)處壓力差異較顯著?；“迨椒啦ǖ躺媳砻尕?fù)壓隨相對(duì)板寬呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，而平板上表面負(fù)壓變化不顯著。

3)板式防波堤的消浪效果較為優(yōu)良，在維護(hù)港區(qū)內(nèi)的水面平穩(wěn)及促進(jìn)水體交換方面作用較大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，建議潮差較小的出水狀態(tài)時(shí)采用弧板式防波堤消浪；潮差較大的入水狀態(tài)時(shí)采用平板式防波堤消浪。