房 卓，蘇孟超，張民輝，王達(dá)川，李 蕊，王 榮

（1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；2.綜合交通規(guī)劃數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；3.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

0 引 言

梳式防波堤結(jié)構(gòu)是我國(guó)在“九五”期間自主研發(fā)的一種新型水工結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的直立沉箱防波堤基礎(chǔ)上用翼板結(jié)構(gòu)代替部分沉箱的一種新型結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)單元由主沉箱、兩側(cè)翼板和上部胸墻結(jié)構(gòu)三部分組成。一種翼板置于前方（相對(duì)于沉箱前沿面）且為透空型式的梳式防波堤結(jié)構(gòu)已在大連港大窯灣北部島堤工程中得到成功應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)直立沉箱防波堤相比，梳式防波堤在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中主要具備三方面優(yōu)勢(shì)：一是結(jié)構(gòu)材料用量相對(duì)少且基底面積較小，可有效降低地基承載力；二是翼板與沉箱前沿面存在相對(duì)距離，這一設(shè)計(jì)使翼板所受波浪力峰值與沉箱主體所受波浪力峰值存有相位差，可有效減少結(jié)構(gòu)所受波浪力最大值；三是翼板下方可設(shè)計(jì)成透空結(jié)構(gòu)，透過(guò)的波浪在沉箱主體及翼板后側(cè)也產(chǎn)生反向作用力，使作用在防波堤上的總波浪力減小，同時(shí)可有效促進(jìn)港內(nèi)和港外之間的水體交換，更好地滿足海洋環(huán)境生態(tài)保護(hù)要求。總體上，該結(jié)構(gòu)在節(jié)省工程材料、有效減小結(jié)構(gòu)受力和促進(jìn)水體交換等方面具有廣闊的應(yīng)用前景；翼板的前后相對(duì)位置和透空高度都可以根據(jù)工程需要來(lái)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，但不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的結(jié)構(gòu)波浪力特性存在一定差異。

圖1 一種透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of a perforated comb-type breakwater

文獻(xiàn)[2-4]對(duì)一種非透空梳式防波堤的研究表明，當(dāng)翼板置于最后方（相對(duì)于沉箱前沿面）且為不透空型式時(shí)，翼板與胸墻底板構(gòu)成了異型空腔結(jié)構(gòu)，此時(shí)當(dāng)水位低于胸墻底板以下一定高度時(shí)（中低水位），結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大沖擊波浪壓力，翼板所受的最大沖擊壓力可達(dá)波峰下靜水波壓的10倍，比水位位于胸腔底板以上時(shí)（高水位）的情況更加危險(xiǎn)，該研究結(jié)論對(duì)梳式防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全至關(guān)重要。由上述研究結(jié)果可初步推斷，在中低水位條件下，翼板前后位置和透空尺度設(shè)計(jì)的不同會(huì)對(duì)透空式梳式防波堤的波浪力特性產(chǎn)生重要影響。

目前，已有針對(duì)透空式梳式防波堤的研究工作僅針對(duì)高水位情形，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)最大受力應(yīng)出現(xiàn)水位高于胸墻底板以上時(shí)的工況，未見(jiàn)有針對(duì)中低水位條件下的波浪力特性研究成果。其中，李玉成、董國(guó)海等[5-7]對(duì)不同翼板設(shè)計(jì)參數(shù)下的梳式防波堤結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，提出了梳式結(jié)構(gòu)相對(duì)直墻防波堤結(jié)構(gòu)的波浪力折減系數(shù)和反射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，試驗(yàn)水位僅基于一種高水位條件下開(kāi)展的，試驗(yàn)中未呈現(xiàn)出沖擊壓力現(xiàn)象；房卓等[8]對(duì)透空式梳式防波堤的波浪透射系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，提出了透空式梳式防波堤的透射系數(shù)與翼板設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系和經(jīng)驗(yàn)公式，該研究也是基于高水位工況開(kāi)展的。在實(shí)際工程中，高水位往往發(fā)生在漲潮或風(fēng)暴潮期間，而在施工和運(yùn)營(yíng)期大多數(shù)時(shí)間都處于中或低水位，并且該水位下更有可能發(fā)生沖擊波浪力。因此，中低水位條件下的研究結(jié)論將更具有實(shí)際應(yīng)用意義。為進(jìn)一步推廣透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，有必要對(duì)其波浪力特性、受力機(jī)理及工程危險(xiǎn)水位等方面開(kāi)展更深入的研究。

本文基于粘性流動(dòng)理論建立波浪與非透空梳式防波堤相互作用三維數(shù)值模型[2-4]，模擬了波浪與透空式梳式防波堤相互作用的時(shí)域過(guò)程，研究不同波況、不同的翼板透空尺寸和不同的翼板與主體沉箱前墻的距離等參數(shù)對(duì)透浪式梳式堤的波浪力特性的影響，并探討分析受力機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，研究分析了翼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和水深對(duì)透空式梳式防波堤翼板受力的影響，并總結(jié)分析了危險(xiǎn)水位；研究結(jié)論可為梳式防波堤設(shè)計(jì)工作提供相關(guān)參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 模型原理

數(shù)值波浪水槽的控制方程為三維Navier-Stokes方程，采用Reynolds平均方法對(duì)其近似求解，采用Realizablek-ε紊流模型進(jìn)行方程組封閉?；谫|(zhì)量源方法進(jìn)行造波，采用VOF界面捕捉方法模擬波浪自由表面，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行離散。數(shù)值計(jì)算域水平長(zhǎng)度為60 m（x方向），高度為2 m（y方向），寬度為1.18 m（z方向）。造波源設(shè)在水槽的中部x=30 m處，兩側(cè)海綿消浪層長(zhǎng)度為5 m。網(wǎng)格在自由水面附近加密，水槽上部與大氣相連通，水槽底面采用光滑壁面條件，其它各個(gè)壁面都采用對(duì)稱邊界條件，模型計(jì)算域采用了近400 000左右結(jié)構(gòu)化的六面體單元。數(shù)值波浪水槽邊界設(shè)置見(jiàn)圖2，模型原理及模型可靠性驗(yàn)證過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2-4]。

圖2 數(shù)值波浪水槽邊界設(shè)置示意圖Fig.2 Boundaries of numerical wave tank

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

透空式梳式防波堤單元結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖3。在本文研究中，參照結(jié)構(gòu)已有實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)參數(shù)，翼板距離前墻相對(duì)位置參數(shù)b取值為6～19 m，翼板透空尺度參數(shù)c取值為1.35～9.5 m，其它參數(shù)取值分別為：A=10 m，B=20 m，a=6 m，c1=13 m，c2=4.5 m，單元結(jié)構(gòu)參數(shù)物理意義詳見(jiàn)表1。

圖3 單元結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 Sketch of structure parameters of one unit

表1 單元結(jié)構(gòu)參數(shù)物理意義說(shuō)明Tab.1 Instructions of structural parameters

計(jì)算采用規(guī)則波，堤前水深范圍d為8.7～12 m，波高范圍H為1.5～5.5 m，波浪周期T為6.0～9.0 s。結(jié)構(gòu)參數(shù)、水深及波浪參數(shù)工況設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2。規(guī)則波作用于透空式梳式防波堤的數(shù)值波面模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)及波浪工況設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental structure parameters and wave conditions

圖4 規(guī)則波浪作用于透空式梳式防波堤時(shí)的數(shù)值模擬波面Fig.4 Numerical profile of regular wave and comb-type breakwater interaction

2 波浪力特性研究

由已有研究結(jié)論可知[2-4]，當(dāng)工作水位較高時(shí)（d＞c1），結(jié)構(gòu)在波浪力作用下并未產(chǎn)生沖擊壓力；而當(dāng)水位低于胸墻下底板以下一定范圍內(nèi)時(shí)（d＜c1），由于波浪與翼板和胸墻構(gòu)成異型空腔的相互作用，使翼板上的波浪力呈現(xiàn)出明顯的沖擊壓力特性。據(jù)此推斷，透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)同樣存在腔室結(jié)構(gòu)，在特定水位和不同的翼板設(shè)計(jì)參數(shù)（b、c）條件下，結(jié)構(gòu)也可能產(chǎn)生沖擊壓力作用。基于上述考慮，本文首先對(duì)透空式梳式防波堤的波浪力特性及是否受到?jīng)_擊壓力作用進(jìn)行探討。

2.1 結(jié)構(gòu)水平波浪力特性

本節(jié)對(duì)較低水位（d＜c1）時(shí)不同結(jié)構(gòu)的水平波浪力特性進(jìn)行研究，計(jì)算波浪條件為：d=11.1 m、H=2.2 m、T=6 s；結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：（1）b/B=0.38，c/c1=0.46；（2）b/B=0.47，c/c1=0.23；（3）b/B=0.59，c/c1=0.10。三組結(jié)構(gòu)的單寬水平波浪力歷時(shí)曲線計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 在相同波況下不同結(jié)構(gòu)的單寬水平波浪總力Fig.5 Horizontal wave forces of different structures under the same wave condition per unit width

由圖5計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，水位在胸墻底板以下時(shí)，結(jié)構(gòu)上的波浪總力呈現(xiàn)不同的特性，有些情況為線性波浪力，而有些情況則呈現(xiàn)沖擊力特性。相比于結(jié)構(gòu)b/B=0.38，c/c1=0.46的規(guī)則波浪力情況，結(jié)構(gòu)b/B=0.47，c/c1=0.23和b/B=0.59，c/c1=0.10的總水平波浪力具有了明顯的沖擊壓力特性；當(dāng)翼板位置在b/B=0.59，c/c1=0.10時(shí)，總水平波浪力峰值比翼板在b/B=0.38，c/c1=0.46時(shí)大了近5倍左右。以上結(jié)果表明：翼板設(shè)計(jì)參數(shù)b和c不同，結(jié)構(gòu)所受波浪力大小及沖擊性質(zhì)也有所差異。

本文進(jìn)而研究當(dāng)水位低于胸墻底板時(shí)，波浪力折減系數(shù)（KF）隨翼板相對(duì)沉箱的相對(duì)距離（b/B）和翼板相對(duì)透空尺度（c/c1）的變化規(guī)律，以期為翼板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。水平波浪力折減系數(shù)（KF）定義為梳式防波堤上最大單寬水平波浪力與相同尺寸直墻防波堤上數(shù)值的比值，KF隨b/B變化規(guī)律的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖可見(jiàn)，KF先是隨b/B的增加而增大；在b/B≈0.5，即翼板位于沉箱主體前后的中間位置附近時(shí)，KF達(dá)到峰值，而后隨著b/B的增大而減??；KF在b/B等于0.4～0.65之間時(shí)，KF-R有明顯的非線性變化趨勢(shì)，且數(shù)值大于1，這表明區(qū)間內(nèi)梳式防波堤上的單寬波浪力已經(jīng)大于相同尺寸的直墻防波堤上的波浪力，主要原因是由于梳式防波堤上沖擊波浪力的存在。KF隨c/c1變化規(guī)律的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖可見(jiàn)，KF隨翼板相對(duì)透空尺度c/c1的增大而逐漸減小，基本呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，可以解釋為隨著翼板下方透空高度的增加，更多的波浪能量從透空處傳至港內(nèi)，結(jié)構(gòu)上承受的最大波浪力也隨之減少。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李剛?cè)A在現(xiàn)場(chǎng)介紹說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)單一用控釋肥不能滿足水稻生長(zhǎng)兩次需肥高峰，所以我們改進(jìn)肥料產(chǎn)品，將幾種速效型和控釋型肥料混合，使其在不同時(shí)間釋放，滿足用肥需求，同時(shí)采用機(jī)插側(cè)條施肥技術(shù)，不但減肥30%，而且只需施肥一次。”

圖6 水平波浪力系數(shù)KF隨翼板參數(shù)b/B的變化Fig.6 Relationship between KF and b/B

圖7 水平波浪力系數(shù)KF隨翼板參數(shù)c/c1的變化Fig.7 Relationship between KF and c/c1

2.2 結(jié)構(gòu)表面波浪力分布特性

本節(jié)對(duì)水位高于胸墻下底板和低于胸墻下底板兩種情況下，透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)表面波浪力與直立沉箱式結(jié)構(gòu)受力分別進(jìn)行研究。計(jì)算水深條件為：d=11.1 m（胸墻以下）、d=14 m（胸墻以上），結(jié)構(gòu)參數(shù)為：b/B=0.76、c/c1=0.10，對(duì)應(yīng)每組水深都進(jìn)行了三組計(jì)算：（1）梳式防波堤沉箱主體迎浪面壓強(qiáng)PC-1F和背浪面波浪壓強(qiáng)PC-1B與對(duì)應(yīng)直立沉箱結(jié)構(gòu)的波浪壓強(qiáng)PV對(duì)比；（2）梳式防波堤翼板迎浪面壓強(qiáng)PC-2F和背浪面波浪壓強(qiáng)PC-2B與對(duì)應(yīng)直立沉箱結(jié)構(gòu)的波浪壓強(qiáng)PV對(duì)比；（3）沉箱主體迎浪背浪面的綜合垂向波浪壓強(qiáng)PC-1、翼板迎浪背浪面的綜合垂向平均波浪壓強(qiáng)PC-2與對(duì)應(yīng)直立沉箱結(jié)構(gòu)的波浪壓強(qiáng)PV對(duì)比。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 一種透空式梳式結(jié)構(gòu)與相應(yīng)直立沉箱結(jié)構(gòu)表面波浪力分布結(jié)果比較Fig.8 Comparison of average wave pressures on a permeable comb-type breakwater and vertical wall breakwater

由圖8（a）可見(jiàn)，當(dāng)水深d=14 m時(shí)，沉箱的迎浪面壓強(qiáng)PC-1F和沉箱背浪面壓強(qiáng)PC-1B均小于相對(duì)應(yīng)的直墻上波浪壓強(qiáng)PV，翼板的迎浪面波浪壓強(qiáng)PC-2F和背浪面的波浪壓強(qiáng)PC-2B也均小于相對(duì)應(yīng)直墻段上的波浪壓強(qiáng)，沉箱前后表面綜合波浪壓強(qiáng)PC-1和翼板的前后表面綜合波浪壓強(qiáng)PC-2也均小于相對(duì)應(yīng)直墻上的波浪壓強(qiáng)大小，因此該梳式結(jié)構(gòu)在此工況下的波浪總力也必然小于相對(duì)應(yīng)直墻防波堤的波浪總力。圖8（b）為水深d=11.1 m的計(jì)算結(jié)果，沉箱主體的迎浪面波浪壓強(qiáng)PC-1F和沉箱背浪面壓強(qiáng)PC-1B均遠(yuǎn)小于相對(duì)應(yīng)的直墻上波浪壓強(qiáng)PV，而翼板上的迎浪面波浪壓強(qiáng)要大于相對(duì)應(yīng)直墻上的波浪壓強(qiáng)，翼板上的總波浪壓強(qiáng)也大于相對(duì)應(yīng)直墻上的波浪壓強(qiáng)，此工況下該透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)波浪力并不優(yōu)于對(duì)應(yīng)直墻結(jié)構(gòu)的梳式防波堤受力。

圖9進(jìn)一步直觀體現(xiàn)了透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)分水位高于胸墻下底板和低于胸墻下底板情況的波浪壓強(qiáng)分布情況。水深及波浪條件與本節(jié)前述相同，結(jié)構(gòu)參數(shù)取b/B=0.59，c/c1=0.46。圖中，x軸代表沉箱和翼板的寬度，y軸代表沉箱和翼板高度，等深線代表該位置波浪壓強(qiáng)大?。▎挝唬簁Pa）。由圖可見(jiàn)，水深d=11.1 m時(shí)翼板上的最大波浪壓強(qiáng)均大于水深d=14時(shí)的計(jì)算結(jié)果，尤其是當(dāng)翼板在b/B=0.59位置時(shí)，水深d=11.1 m時(shí)翼板上的最大波浪壓強(qiáng)對(duì)比d=14時(shí)的最大波浪壓強(qiáng)增大了近3倍；當(dāng)水深d=11.1 m時(shí)，翼板上的最大波浪壓強(qiáng)不再出現(xiàn)在靜水位附近，而是出現(xiàn)在翼板的最上方與胸墻下底板連接的位置，并且翼板上的波浪壓強(qiáng)明顯高于同等高度沉箱上的波浪壓強(qiáng)。

圖9 沉箱主體和翼板前表面波浪壓強(qiáng)分布Fig.9 Pressure distribution on front wall of rectangular caisson and side plates

本節(jié)計(jì)算結(jié)果表明，透空式梳式防波堤的翼板受力受堤前水深影響較大，當(dāng)水位在胸墻底板以下時(shí)，透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)也易受到?jīng)_擊壓力作用；翼板設(shè)計(jì)參數(shù)b和c不同，產(chǎn)生沖擊壓力大小也將有所差異。

3 受力機(jī)理分析

圖10為波浪與四種不同翼板設(shè)計(jì)參數(shù)的透空式梳式防波堤相互作用的二維斷面運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果，揭示了波浪在異型空腔內(nèi)的物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在圖10（a）和10（b）中，當(dāng)翼板位置靠前、翼板的透空尺度較大時(shí)，波浪沖擊特性并不明顯；而當(dāng)翼板相對(duì)靠后、透空尺度較小時(shí)，見(jiàn)圖10(c)～10(d)，波浪的沖擊效果非常明顯，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的波浪翻轉(zhuǎn)。在一個(gè)沖擊周期內(nèi)，當(dāng)波浪波峰傳到翼板與胸墻下底板組成的異型空腔后，波浪又受到翼板及胸墻下底板構(gòu)成的有限空間阻礙，此時(shí)隨著后方波浪的逐漸推進(jìn)，迫使波浪與空氣混合物向相反的方向逃逸，使結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)水流停滯、上涌和回流現(xiàn)象，在波浪與空氣混合體未能及時(shí)得到耗散的同時(shí)，伴隨著后方波浪的推進(jìn)，這一過(guò)程將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生沖擊壓力。在這個(gè)過(guò)程中，空腔內(nèi)的空氣可分成兩部分：水體會(huì)對(duì)空氣有一個(gè)擠壓和追趕的作用，結(jié)構(gòu)物下的空氣一般不能在發(fā)生沖擊時(shí)很快完全逃逸，一部分空氣及時(shí)沿著胸墻下底板逃逸出來(lái)，另一部分空氣未能及時(shí)逃逸，在胸墻下底板附近隨著波浪一起運(yùn)動(dòng)。

圖10 波浪沖擊過(guò)程二維斷面圖（d=11.1 m、H=3.5 m、T=6 s）Fig.10 The 2-D wave profile of impact wave acting on the breakwater(d=11.1 m、H=3.5 m、T=6 s)

圖10（a）和10（d）分別代表結(jié)構(gòu)受沖擊波浪力較弱和較強(qiáng)的兩組工況，下面進(jìn)一步對(duì)兩種典型的防波堤結(jié)構(gòu)內(nèi)部的速度矢量場(chǎng)和渦量場(chǎng)進(jìn)行分析。本研究在沿垂直于翼板表面的z方向劃分4個(gè)二維斷面Z1、Z2、Z3、Z4，截面劃分如圖11所示。

圖11 空腔內(nèi)斷面俯視圖Fig.11 The 2-D top view of cross section in empty cavity of comb-type breakwater

圖12、圖13分別為圖10（a）和10（d）中的兩種防波堤空腔內(nèi)各斷面流場(chǎng)速度矢量及渦量場(chǎng)分布，圖中箭頭代表流速方向及大小，不同顏色的等深線云圖代表渦量大小。

圖12為波峰作用在圖10（a）對(duì)應(yīng)的防波堤參數(shù)結(jié)構(gòu)上的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)翼板位置比較靠前且透空高度較大。由于防波堤異性空腔為一個(gè)三維空間，波浪由正面入射，同時(shí)兩側(cè)沉箱側(cè)壁對(duì)于波浪具有一定的摩阻作用，故空腔內(nèi)的流場(chǎng)也具有一定三維效應(yīng)。從z方向斷面看，貼近于沉箱主體的Z1和Z4斷面的水質(zhì)點(diǎn)速度明顯小于空腔內(nèi)中間斷面Z2和Z3的水質(zhì)點(diǎn)速度，形成的水體渦旋結(jié)構(gòu)也相對(duì)小于中間斷面Z2和Z3位置的漩渦結(jié)構(gòu)。由于該種結(jié)構(gòu)參數(shù)下方開(kāi)孔較大，波浪可以大部分透過(guò)結(jié)構(gòu)傳至后方。當(dāng)前時(shí)刻波峰正位于翼板位置處，翼板兩側(cè)的水質(zhì)點(diǎn)速度均指向翼板，也即波峰位置。在翼板前方水質(zhì)點(diǎn)的速度發(fā)生改變，由于翼板前方與胸墻底板形成的空腔相對(duì)很小，沿翼板和胸墻正面向上運(yùn)動(dòng)，然后在空氣中翻轉(zhuǎn)和消散，并未發(fā)生明顯速度增大和沖擊現(xiàn)象。同時(shí)波浪在翼板后方也引起較大的水質(zhì)點(diǎn)速度，翼板后方水質(zhì)點(diǎn)朝向翼板并向上運(yùn)動(dòng)，由于胸墻的阻擋作用，水質(zhì)點(diǎn)則沿胸墻下底面發(fā)生反轉(zhuǎn)，在此處形成一個(gè)較大的漩渦。由于翼板后方與前方的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，因此將與前方的水質(zhì)點(diǎn)對(duì)翼板的作用大部分抵消，該結(jié)構(gòu)型式翼板上所承受的波浪力相對(duì)較小。

圖12 空腔內(nèi)二維斷面波速矢量與渦量云圖分布（b/B=0.38,c/c1=0.46）Fig.12 2-D wave profile of impact wave velocity and wave vorticity contours(b/B=0.38,c/c1=0.46)

圖13為波峰作用在圖10（d）對(duì)應(yīng)的防波堤參數(shù)結(jié)構(gòu)上的計(jì)算結(jié)果。由于兩側(cè)沉箱側(cè)壁摩阻作用，Z1和Z4斷面的水質(zhì)點(diǎn)速度和漩渦空間尺度明顯小于空腔內(nèi)中間斷面Z2和Z3的水質(zhì)點(diǎn)速度。在胸墻底板的下方，翼板前方波浪水質(zhì)點(diǎn)速度均指向翼板方向，由于翼板的阻擋作用，水流方向逐漸向上，受到胸墻下底板的繼續(xù)阻擋后，速度再次發(fā)生改變，原先空氣填滿的區(qū)域被水分隔和擠占，一部分空氣沿著胸墻底板迅速排出，一部分被波浪帶到漩渦中，在胸墻下底板附近的氣流速度矢量呈尖劈狀位于胸墻底面，形成了一個(gè)較大的漩渦。同時(shí)由于翼板下方透空高度較小，只有很少的波浪能量透過(guò)翼板，翼板后方水體運(yùn)動(dòng)微弱，無(wú)法抵消波浪對(duì)翼板前方的沖擊，故該種結(jié)構(gòu)形式下防波堤翼板整體受力很大，形成較大的沖擊波浪力。

圖13 空腔內(nèi)二維斷面波速矢量與渦量云圖分布（b/B=0.59,c/c1=0.10）Fig.13 The 2-D wave profile of wave velocity and wave vorticity contours（b/B=0.59,c/c1=0.10）

比較兩種結(jié)構(gòu)，由于翼板的前后位置和透空尺度不同，形成的渦旋位置也不相同，對(duì)于翼板透空尺度c較大的情況，漩渦位于翼板下端以及翼板后方的胸墻下底板；翼板后方的流場(chǎng)水質(zhì)點(diǎn)速度也指向翼板，與翼板前側(cè)的水質(zhì)點(diǎn)正好相反，抵消了翼板前面的部分作用力，因此，此時(shí)水體對(duì)于翼板的總作用力相對(duì)較小。而隨著翼板長(zhǎng)度的增加，翼板前方形成的漩渦的位置也逐漸靠近翼板，對(duì)翼板的作用力逐漸增大；且翼板下方透流量逐漸減小，翼板后方的反向作用力也逐漸減小，當(dāng)翼板透空尺度很小時(shí)，翼板后方的流場(chǎng)速度接近于零，不再提供反向作用力，因此，此時(shí)翼板上所受的總波浪力較大。這也說(shuō)明了翼板處于相同位置時(shí)，隨著翼板入水深度的增大，翼板上所受波浪力也逐漸增大的原因。

4 危險(xiǎn)水位分析

如前所述，當(dāng)水位低于胸墻下底板一定水深范圍內(nèi)，且翼板位于沉箱主體中部位置，隨著翼板下方透空高度的減小，結(jié)構(gòu)上波浪沖擊壓力特性較為明顯。翼板是梳式防波堤結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，因此本章將進(jìn)一步探討透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)發(fā)生最大波浪力的危險(xiǎn)水位區(qū)間。

本章以翼板為研究對(duì)象，分析翼板表面局部壓強(qiáng)分布規(guī)律，在易出現(xiàn)沖擊壓力的水位位置上下選取7個(gè)水位，進(jìn)一步探討不同的結(jié)構(gòu)型式危險(xiǎn)水位區(qū)間。在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，共選擇了6組不同的翼板參數(shù)組合，其中，b/B=0.38～0.95，覆蓋了翼板相對(duì)于沉箱主體的可能位置范圍；c/c1=0.10～0.46基本覆蓋了翼板的合理相對(duì)透空尺度范圍（當(dāng)c/c1大于0.46時(shí)，波浪透射率過(guò)大，不適于防波堤工程應(yīng)用），結(jié)構(gòu)參數(shù)選取具有代表性。

基于上述考慮，本章共進(jìn)行8個(gè)系列、共計(jì)56組工況的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖14。圖中橫坐標(biāo)為相對(duì)水深，共選取7個(gè)值?？v坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)翼板上的最大波浪壓強(qiáng)（Ps，翼板最大波浪力與翼板面積之比）結(jié)果。由圖14可見(jiàn)，各組計(jì)算結(jié)果的波浪壓強(qiáng)最大值對(duì)應(yīng)相對(duì)水位的分布區(qū)間基本一致，即在本文研究考慮的波高范圍內(nèi)（H＜3.5 m），當(dāng)相對(duì)水深d/c1在0.78～0.86之間時(shí)，翼板的平均最大波浪壓強(qiáng)要明顯高于其它水位的結(jié)果。此時(shí)，防波堤前靜水位與胸墻下底板之間的高度在1.8～2.9 m范圍內(nèi)，與入射波高相當(dāng)，使波浪傳入異型空腔中，較易與翼板以及胸墻下底板發(fā)生反復(fù)沖擊碰撞作用，從而產(chǎn)生沖擊波浪壓力。

圖14 翼板上最大平均波浪壓強(qiáng)PS隨相對(duì)水位d/c1的變化Fig.14 Relationship between maximum wave pressure PS on side plate and relative water depth d/c1

5 結(jié) 論

本文模擬了規(guī)則波浪與透空式梳式防波堤相互作用過(guò)程，對(duì)透空式梳式防波堤的波浪力特性及受沖擊壓力機(jī)理進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)水位低于胸墻下底板一定范圍時(shí)，即水不充滿于翼板異型空腔時(shí)的水位，透空式梳式防波堤結(jié)構(gòu)的翼板易受到?jīng)_擊壓力作用；同時(shí)，翼板距離沉箱主體前沿的相對(duì)距離和透空尺度設(shè)計(jì)參數(shù)不同，也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊壓力的強(qiáng)弱有所差異。

（2）沖擊壓力主要發(fā)生在翼板與胸墻連接的部位，翼板距離沉箱主體前沿的相對(duì)距離和透空尺度設(shè)計(jì)參數(shù)不同，空腔內(nèi)形成的渦旋和強(qiáng)紊動(dòng)的位置也不相同。針對(duì)翼板透空尺度較大的情況，漩渦位于翼板下端以及翼板后方的胸墻下底板；翼板后方的流場(chǎng)水質(zhì)點(diǎn)速度也指向翼板，與翼板前側(cè)的水質(zhì)點(diǎn)正好相反，部分抵消了翼板前面的作用力，此時(shí)水體對(duì)于翼板的總作用力相對(duì)較小，工程應(yīng)用中可予以考慮。

（3）從翼板是梳式防波堤結(jié)構(gòu)中最薄弱部分和安全性角度考慮，對(duì)于翼板結(jié)構(gòu)，當(dāng)波高條件在1.5～3.5 m之間時(shí)，透空式的梳式防波堤的最危險(xiǎn)水位是相對(duì)水深d/c1在0.78～0.86范圍內(nèi)，即堤前靜水位與胸墻下底板之間的高度在1.8～2.9 m之間。