多孔結(jié)構(gòu)防波堤消浪特性實驗研究

倪道俊，魏宇墨，齊 欣

（1.三峽新能源陽江發(fā)電有限公司，廣東陽江 529500；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

引言

浮式防波堤比傳統(tǒng)防波堤重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且可自由放置，對基礎(chǔ)要求低。但浮式防波堤只能在波能較低的地區(qū)使用，不適合波能較高的地方。結(jié)構(gòu)形式對于浮式防波堤的消浪能力具有重要的決定作用，防波堤類型不同，消浪原理也會有差別。雖然浮式防波堤的研究在國內(nèi)外已經(jīng)有很多，各國學者也相繼提出了不同的結(jié)構(gòu)形式，但到目前為止，大規(guī)模應(yīng)用的地區(qū)很少。浮式防波堤尚處于研究、發(fā)展階段，消浪能力還不夠完善，只能用于臨時防浪。

國內(nèi)外對浮式防波堤消浪性能的研究中，Zhen-hua Huang 等對浮式防波堤加槽式浮式防波堤和不加槽式浮式防波堤進行了對比研究，實驗結(jié)果表明，在浮箱式防波堤底部設(shè)置開槽障礙物，在不增加波浪起伏響應(yīng)的情況下，能有效的提高防波堤的消浪性能[1]；Xiao-song Zhang 等提出粘性效應(yīng)是影響防波堤消浪性能的重要因素之一，通過對矩形倒“Π”形固定式浮式防波堤進行粘性流場模擬，提出了一種新型L 形浮式防波堤，得出結(jié)論，在相同的防浪性能下，L 形防波堤具有更好的經(jīng)濟性能[2]；李松喆 等通過對“開”型與矩形浮箱式防波堤消浪特性進行對比，得出結(jié)論：相對寬度會影響“開”型浮式防波堤的透射系數(shù)，相對寬度越大，投射系數(shù)越小，除此之外，“開”型浮式防波堤不僅通過反射波能進行消波，下懸臂和形成的空腔也能對波能產(chǎn)生消散作用[3]；房卓等通過FLUENT 求解器，采用源函數(shù)造波法生成線性波、不規(guī)則波等，研究了透空式梳式防波堤對波能的消散作用，從而得出相對寬度是影響投射系數(shù)的重要因素之一[4]；楊浩提出了一種將阻尼結(jié)構(gòu)與浮板結(jié)合起來的新型柔性浮式防波堤，研究了相對寬度、波陡以及浮板對消浪特性的影響，最后得出相對寬度、波陡對投射系數(shù)都有較為明顯的影響[5]。

目前應(yīng)用中的浮式防波堤的結(jié)構(gòu)形式對短波的消浪效果比較明顯，但在長波的實驗研究中仍有較高的透射率。對于一般的浮式防波堤，透射系數(shù)通常來講應(yīng)小于0.5，相對寬度（B/L，浮堤自身的寬度與波長的比值）要在0.3 以上，這樣就對浮式防波堤本身要求很高。當遇到周期較長的災(zāi)害性波浪時，普通的浮式防波堤基本起不到消浪作用，反而自身會受到較大的錨鏈張力，存在安全性的威脅。若要對浮式防波堤加以安全性的改進，必將增加整體造價，同時也增加了防波堤的安裝以及維護的難度。

因此，影響浮式防波堤在工程中廣泛應(yīng)用的原因主要有以下兩點：

1）面對周期較長的災(zāi)害性波浪時，浮式防波堤不僅不能起到消浪作用，反而自身存在危險；

2）面對波高較大的波浪時，波浪會直接越過浮式防波堤，防波堤起不到消浪的作用。

本文針對以上問題，提出兩種結(jié)構(gòu)形式的浮式防波堤，兩種防波堤的構(gòu)造與浮筏式防波堤類似，通過設(shè)置多孔結(jié)構(gòu)，來打亂波浪中水質(zhì)點的有序運動，讓水質(zhì)點相互摻混碰撞，進而消耗能量，并通過物理實驗?zāi)Ｐ蛠韺Ρ攘藘煞N形式防波堤的消浪效果，可對浮式防波堤在工程中的應(yīng)用提供指導。

1 物理模型實驗

1.1 模型制作

1）金屬網(wǎng)式浮式防波堤

金屬網(wǎng)式浮式防波堤擬用1 mm 細孔曬進行實驗（比例尺1：49），四周用木板進行固定。消波機理：讓波浪流過網(wǎng)眼來達到耗能的目的進而消波。如圖1，模型尺寸與實際尺寸見表1。

圖1 金屬網(wǎng)式浮式防波堤

表1 金屬網(wǎng)式防波堤尺寸

2）盲溝式浮式防波堤

為進一步研究多層多孔材料的消浪性能，采用實驗室塑料盲溝進行制作盲溝式浮式防波堤（比例尺1：49），如圖2，模型尺寸與實際尺寸見表2。

圖2 盲溝式防波堤

表2 盲溝式防波堤尺寸

1.2 實驗裝置

該物理實驗在天津大學港口與海岸工程國家重點實驗室大型不規(guī)則隨機波浪水槽中進行，實驗水槽長度為90 m，寬為2 m，最大水深為2 m。水槽通過低慣性交流電伺服推板造波機來模擬規(guī)則波，JONSWAP 譜等不規(guī)則波，并通過末端的消波裝置來消波。在造波機前布置浪高儀#20，用來采集入射波波高，在防波堤模型迎浪面前布置浪高儀#18，用來記錄模型前的波面時間歷程，實驗數(shù)據(jù)通過Goda 兩點法[10]進行處理，求出反射系數(shù)，在模型背浪面一側(cè)布置浪高儀#23，用來記錄透射波波面時間歷程，同樣用Goda 兩點法對實驗所得數(shù)據(jù)進行處理，進而計算出透射系數(shù)。布置形式如圖3，水池實景如圖4。該實驗用到的儀器還有測量浮式防波堤六自由度運動響應(yīng)的陀螺儀傳感器，測量系泊纜張力的拉力傳感器。每根系泊纜下方掛有相應(yīng)的配重砝碼，系泊纜布置形式如圖5。

圖3 波高儀布置形式

圖4 水池實景圖

圖5 系泊纜布置形式

1.3 實驗工況

本研究針對臨時維護施工廠做出設(shè)計。實驗采用規(guī)則波，金屬網(wǎng)式防波堤與盲溝式防波堤選取實驗工況如表3，折疊式盲溝防波堤選取工況如表4。

表3 金屬網(wǎng)式、盲溝式防波堤工況（水深0.5 m）

表4 折疊式防波堤工況（水深1 m）

2 實驗結(jié)果分析

2.1 金屬網(wǎng)式防波堤

每種工況采樣頻率為50 Hz，采樣時間60 s。由#20、#18、#23 波高儀測得波面高程如圖6～10。

圖6 工況1

圖7 工況2

圖8 工況3

圖9 工況4

圖10 工況5

分別以波浪周期、相對寬度（B/L）為變量，求得金屬網(wǎng)式防波堤的透射系數(shù)如表5。

表5 金屬網(wǎng)防波堤透射系數(shù)

通過以上波面高程圖，可以看出金屬網(wǎng)浮式防波堤有一定的消浪作用，但是隨著周期的變長，透射系數(shù)逐漸接近與1，消浪效果減弱，另外，隨著波長的增加，透射系數(shù)也明顯增大。

2.2 盲溝式防波堤

每種工況采樣頻率為50 Hz，采樣時間60 s。由#20、#18、#23 波高儀測得波面高程如圖11～15。

圖11 工況1

圖12 工況2

圖13 工況3

圖14 工況4

圖15 工況5

分別以波浪周期、相對寬度（B/L）為變量，求得盲溝式浮式防波堤的透射系數(shù)如表6。

表6 盲溝式防波堤透射系數(shù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在周期比較小的時候，消波效果還是比較明顯的，尤其是周期最小的0.7 s的情況下波浪基本上完全消減，而且水質(zhì)點的運動完全被打亂。

3 實驗結(jié)果分析

分別以周期、相對寬度為變量，對金屬網(wǎng)式防波堤、盲溝式防波堤的透射系數(shù)進行比較，如圖16至圖17。

圖16 周期下的透射系數(shù)比較

圖17 相對寬度下的透射系數(shù)比較

通過以上兩圖的明顯對比，對于金屬網(wǎng)浮式防波堤來說，盲溝式浮式防波堤的效果在短周期波浪條件下還是有明顯的優(yōu)勢，長周期波浪條件下效果也稍微有一些提高，特別是盲溝式浮式防波堤，在寬度僅是波長0.4 倍的情況下，依然能夠消掉20 %左右的波浪。但是，面對長周期的波浪，消浪效果還不夠理想，但是總的來說隨著結(jié)構(gòu)的改進，多孔結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，消浪效果也是越來越好。

鑒于盲溝式浮式防波堤在短周期波浪下消浪效果明顯，加以改進，可以用于掩護水產(chǎn)增養(yǎng)殖設(shè)施，人工海水浴場等水域以取得節(jié)省投資和保持良好水質(zhì)交換的雙重效果，海上工程的施工現(xiàn)場也可以用盲溝式浮式防波堤來進行臨時性掩護，以增加施工作業(yè)天數(shù)，縮短工期提高效益。