懸鏈式單浮箱防波堤水動力特性試驗研究*

劉慶凱，紀巧玲，王 鈺

(山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590)

防波堤是用于抵御波浪、保護目標海域不受海上風浪侵襲的海上建筑結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)固定式防波堤相比，浮式防波堤具有適用水深廣泛、不影響水質(zhì)交換、對地基要求低、經(jīng)濟性好、可快速建造拆除等優(yōu)點[1-4]。浮箱式浮式防波堤是應(yīng)用較多、技術(shù)較為成熟的一種防波堤形式。懸鏈式系泊在靜止時不受除自身重力、浮力以外其他外力的作用，一般不會出現(xiàn)拔錨、斷裂等破壞形式，對水底地基及錨碇連接的要求不高，適合全世界大部分范圍內(nèi)中深及以下深度的海域應(yīng)用[5-6]。

防波堤的水動力特性對于防波堤的設(shè)計建造具有重要意義，物理模型試驗是防波堤水動力特性的常用研究手段。對于浮箱式防波堤的試驗研究，Sannasiraj等[7]通過試驗研究3種不同系泊方式的浮箱式防波堤的消浪性能，結(jié)果表明不同的系泊系統(tǒng)對浮式防波堤透射系數(shù)的影響不大；盛祖蔭等[8]進行浮箱式浮式防波堤消浪效果的室內(nèi)試驗，結(jié)果表明浮箱式浮式防波堤的消波效果主要取決于浮箱的擋水面積；何超勇等[9]通過試驗探討矩形方箱錨鏈錨泊式浮式防波堤透射系數(shù)的變化規(guī)律，指出波浪本身的特性也影響浮堤透射系數(shù)的大?。籉ernandes等[10]在試驗研究中指出，用彈簧模擬錨鏈剛度不會影響消浪性能，但錨鏈拉力會與實際有一點偏差。董華洋等[11]在浮箱式防波堤的錨泊系統(tǒng)受力試驗研究中發(fā)現(xiàn)，改變錨鏈相對拖地系數(shù)對于模型的錨鏈受力影響明顯；師艷景[12]在大潮差海域浮箱試驗的研究中指出，錨鏈布置方式和組合形式對浮箱透射系數(shù)影響不大，對錨鏈拉力影響較大。

上述對浮箱式防波堤的消浪性能和錨鏈拉力進行的研究多數(shù)是針對某種具體的結(jié)構(gòu)形式，所得結(jié)論的普適性尚須更多的試驗驗證。為進一步驗證懸鏈式浮防波堤的水動力特性，本文采用物理模型試驗的方法，探討懸鏈式單浮箱在二維波浪條件下的水動力特性及變化規(guī)律，分析相對吃水S/d(S為模型吃水深度、d為試驗水深)、相對寬度B/L(B為模型寬度、L為入射波波長)、錨鏈剛度k、錨鏈系泊傾角α等因素對透射系數(shù)Kt和錨鏈最大拉力F的影響，為浮式防波堤相關(guān)設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設(shè)備與儀器

本試驗在實驗室波浪水槽中實施，水槽長30 m，寬1.0 m，高1.2 m，水槽安裝有電機造波系統(tǒng)與尾端消能網(wǎng)，可制造不同的波高與周期組合。波高數(shù)據(jù)采用BG08-40型波高儀測量，配套2008型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多個波高數(shù)據(jù)同時采集并自動保存。錨鏈上拉力數(shù)據(jù)的采集采用DYMH-103型拉力傳感器，配套DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，拉力傳感器量程滿足本次試驗要求。試驗前須對所有的儀器進行檢查和標定，測試完成后才能安裝到水池中。

1.2 模型設(shè)計與布置

根據(jù)波浪試驗相關(guān)規(guī)范，模型的設(shè)計按照重力相似準測，滿足重力相似，選定模型的比尺λ。制作模型的材料選用透明有機玻璃板，模型長0.96 m，寬0.30 m，高0.15 m，內(nèi)部采用鉛條配重，配重后模型吃水深度為6.7 cm，在浮箱模型底部安裝掛鉤。根據(jù)懸鏈線理論確定錨鏈鏈形和長度，制作錨鏈時考慮重力相似，使用彈簧模擬錨鏈的剛度，彈性系數(shù)k1=1.82 kg/cm，k2=5.10 kg/cm。模型在水槽中的布置見圖1。模型位于水槽中部位置，距離造波端大約17 m。模型的前方有2個波高儀1#和2#，后面也有波高儀3#和4#，浪高儀2#和3#距模型邊緣的距離均為200 cm。模型的長度基本與水槽的寬度相等，以模擬二維波浪作用下的情形。拉力傳感器通過拉環(huán)安裝在浮箱底部的掛鉤上，共有4個拉力傳感器，迎浪面和背浪面各有2個，向下依次用活扣連接錨鏈、彈簧和水槽底部錨固點。

圖1 模型布置(單位：cm)

1.3 試驗波浪要素

試驗共設(shè)置3組水深，每種水深設(shè)2組對比波高，每種波高下分別有3個不同的周期，每種工況進行3次試驗，以排除偶然因素造成的誤差。試驗波浪要素見表1。

表1 試驗波浪要素

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

在安裝實驗裝置前，應(yīng)先在不同水深條件下進行波浪的率定，根據(jù)儀器測量得到的到達浮箱模型處的真實波浪數(shù)據(jù)調(diào)整造波機的造波參數(shù)，確保到達浮箱模型處的波浪要素符合設(shè)計要求。對于波高數(shù)據(jù)，可以設(shè)置采集時間，造波開始后，觀察到波經(jīng)過試驗段2～3個波且波形穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)，達到設(shè)定時間即可自動完成并保存數(shù)據(jù)；對于拉力數(shù)據(jù)，造波開始前開始采集數(shù)據(jù)，目的是存儲初始拉力值，造波結(jié)束后手動停止采集數(shù)據(jù)并保存。

本次試驗以透射系數(shù)Kt作為衡量浮式防波堤消浪性能的指標。本文不考慮浮箱模型的反射系數(shù)，所以不進行入反射波的分離，截取大約10個周期的有效數(shù)據(jù)后，計算透射系數(shù)，透射系數(shù)的計算公式為：

Kt=H1/H2

(1)

式中：Kt為透射系數(shù)；H1為3#和4#波高儀的平均波高；H2為1#和2#波高儀的平均波高。

拉力數(shù)據(jù)的處理同樣是截取大約10個周期的可用數(shù)據(jù)，截取波高H=0.07 m，周期T=1.10時某種工況下迎浪面1#波高儀上的拉力歷時變化(圖2)。從圖2可以看出，拉力是不均勻的，其峰值是變化的。某一時刻拉力的數(shù)值可能會遠遠大于其他時刻，這時的拉力值不具有代表性。為避免突變荷載和誤差對拉力計算的影響，在不影響不同工況最大拉力相對關(guān)系的前提下，選取每種工況前1/10最大拉力的平均值作為最大拉力代表值，圖中虛線為該工況的最大拉力代表值，分別取迎浪面2個傳感器與背浪面2個傳感器的最大拉力平均值作為最大拉力進行分析。

圖2 拉力歷時曲線

2 試驗結(jié)果分析

2.1 消浪性能影響因素

錨鏈剛度k=5.10 kg/cm，波高H=0.07 m，錨鏈系泊傾角α=30°和α=45°條件下，模型相對吃水S/d不同時透射系數(shù)Kt隨波陡H/L變化的圖像見圖3。從圖3可以看出，當相對吃水S/d不發(fā)生變化時，在同一波高H下，隨著波陡H/L的增加，透射系數(shù)Kt逐漸減小，不同錨鏈系泊傾角α的這種變化規(guī)律也是相同的?？梢杂^察到，當波陡H/L較小時，浮式防波堤的模型的透射系數(shù)Kt接近1。這是由于當波陡H/L較小時，模型的橫搖很小，垂蕩運動較大，此時模型的造波能力強，模型運動表現(xiàn)出隨波浪起伏運動的特性，與波浪之間的相互作用較弱。當波陡H/L相同時，圖中模型相對吃水S/d較大的模型，透射系數(shù)Kt要小于模型相對吃水S/d較小的模型，原因是相對吃水S/d的增加，加大了模型的擋水面積，提高了消波能力。

圖3 相對吃水S/d不同時透射系數(shù)Kt隨波陡H/L變化

試驗水深d=0.5 m，錨鏈系泊傾角α=30°，波高H=0.07 m和H=0.10 m條件下，錨鏈剛度k不同時透射系數(shù)Kt隨相對寬度B/L變化的規(guī)律見圖4。從圖4可以看出，錨鏈剛度k不變，相對寬度B/L< 0.3時，透射系數(shù)Kt隨著相對寬度B/L的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，不同波高H下的變化規(guī)律是相同的。值得注意的是，在一定的波浪條件下和相對寬度B/L范圍內(nèi)，圖中相對寬度B/L增加1倍時，模型的透射系數(shù)Kt會減小40%以上，說明相對寬度B/L是影響模型透射系數(shù)Kt變化的一個重要因素。在同一相對寬度B/L下，錨鏈剛度k較大時，模型的透射系數(shù)Kt較小，主要是由于當錨鏈剛度k較大時，錨鏈被拉緊時彈性變形較小，模型的運動受到較大的限制，從而消耗更多的波浪能量，透過浮箱模型的波能減小。

圖4 錨鏈剛度k不同時透射系數(shù)Kt隨相對寬度B/L變化

試驗水深d=0.5 m，錨鏈剛度k=5.10 kg/cm，波高H=0.07 m和H=0.10 m條件下，錨鏈系泊傾角α不同時透射系數(shù)Kt隨相對寬度B/L變化的規(guī)律見圖5。從圖5可以看出，當錨鏈系泊傾角α不變、相對寬度B/L< 0.3時，透射系數(shù)Kt隨著相對寬度B/L的增加而減小，這與之前的結(jié)論相同。而在同一相對寬度B/L下，圖中錨鏈系泊傾角α=45°時透射系數(shù)Kt要比α=30°時大，究其原因是錨鏈系泊傾角α小時模型的橫搖更大，增加了模型與波浪的接觸面積，同時也限制了垂蕩，提高了消波能力。

圖5 錨鏈系泊傾角α不同時透射系數(shù)Kt隨相對寬度B/L變化

2.2 錨鏈拉力影響因素

錨鏈剛度k=5.10 kg/cm，波高H=0.07 m，錨鏈系泊傾角α=45°條件下，波陡H/L不同時迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2隨相對吃水S/d變化的規(guī)律見圖6。從圖6可以看出，相對吃水S/d在一定的范圍內(nèi)，當波陡H/L相同時，錨鏈最大拉力隨相對吃水S/d的增加呈減小的趨勢。當相對吃水S/d< 0.14時，隨著相對吃水S/d的增加，錨鏈上的最大拉力變化幅度較大，相對吃水S/d減小20%，錨鏈上的最大拉力F可以減小60%以上；當相對吃水S/d> 0.14時，錨鏈上的最大拉力基本沒有變化，迎浪面和背浪面的最大拉力均出現(xiàn)接近于0的情形，原因主要是當波浪周期T較大、波高H較小時，模型的橫搖很小，垂蕩運動較大，模型運動表現(xiàn)出隨波浪起伏運動的特性，錨鏈有足夠伸長余量，過程中未被拉緊；當相對吃水S/d相同時，錨鏈最大拉力隨波陡H/L的增加而變大，但增加的幅度有限，僅迎浪面錨鏈最大拉力F1在相對吃水S/d從0.039 3變化到0.070 4時有明顯變化。

圖6 波陡H/L不同錨鏈最大拉力隨相對吃水S/d變化

試驗水深d=0.5 m，錨鏈系泊傾角α=30°，波高H=0.07 m條件下，錨鏈剛度k不同時迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2隨相對寬度B/L變化的規(guī)律見圖7。從圖7可以看到，當錨鏈剛度k不變、相對寬度B/L< 0.3時，迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2隨相對寬度B/L的增加逐漸減小。在同一相對寬度B/L下，在錨鏈剛度k較大的情況下迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2更大。這是因為錨鏈剛度k較大時，錨鏈在拉力作用下變形會變小，模型的自由度變小，模型的運動受到更大的限制，模型與波浪的接觸面積更大，錨鏈的最大拉力越大。

從圖中還可以觀察到，迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2的變化趨勢基本相同，背浪面最大拉力F2要小于迎浪面最大拉力F1。主要原因是，模型和波浪相互作用時，迎浪面錨鏈和背浪面錨鏈被交替拉緊，迎浪面和背浪面的拉力出現(xiàn)時間存在相位差，模型正向和負向運動時的受力和能量轉(zhuǎn)換形式有所不同，迎浪面最大拉力F1更接近于浮箱整體所受到的最大拉力。

圖7 錨鏈剛度k不同時錨鏈最大拉力隨相對寬度B/L變化

試驗水深d=0.5 m，錨鏈剛度k=5.10 kg/cm，波高H=0.10 m條件下，錨鏈系泊傾角α不同時迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2隨相對寬度B/L變化的規(guī)律見圖8。從圖8可以看出，錨鏈系泊傾角α不變，相對寬度B/L< 0.3時，迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2隨相對寬度B/L的增加逐漸減小，這和前面的分析一致。在同一相對寬度B/L下，錨鏈系泊傾角α較小時迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2較大，主要由于錨鏈系泊傾角α較小時，模型橫搖變大，模型運動幅度變大，導(dǎo)致錨鏈上的最大拉力變大。迎浪面錨鏈最大拉力F1和背浪面錨鏈最大拉力F2的變化趨勢基本相同，背浪面最大拉力F2要小于迎浪面最大拉力F1，這和前面部分變化規(guī)律相同，相關(guān)影響因素在上文已經(jīng)討論。

圖8 錨鏈系泊傾角α不同時錨鏈最大拉力隨相對寬度B/L變化

3 結(jié)論

1)當相對吃水S/d和波高H不改變時，浮箱模型的透射系數(shù)Kt隨波陡H/L的增加而減小，浮箱對短周期波浪的消浪能力強。當周期T較大時，在一定的波高H下，浮箱運動表現(xiàn)出橫搖較小、垂蕩較大的隨波浪起伏運動的特性，此時浮箱有較強的造波能力，浮箱的消浪性能較差。

2)當相對寬度B/L< 0.3時，相對寬度B/L是影響模型消浪性能的主要因素，試驗中相對寬度B/L增加1倍時，模型的透射系數(shù)Kt會減小40%以上。因此，增加浮箱的相對寬度B/L，可有效提高浮箱式浮式防波堤的消浪性能。相對吃水S/d、錨鏈剛度k、錨鏈系泊傾角α等因素的變化也會影響浮箱模型消浪性能。

3)迎浪面最大拉力F1和背浪面最大拉力F2在不同的波浪條件下的變化趨勢基本相同，最大拉力出現(xiàn)時間存在相位差，迎浪面最大拉力F1數(shù)值更大一些，更接近于浮箱整體所受到的最大拉力F。

4)當相對吃水S/d< 0.14時，相對吃水S/d是影響錨鏈上最大拉力的主要因素，試驗中相對吃水S/d減小20%時，錨鏈上的最大拉力可以減小60%以上。相對寬度B/L，錨鏈剛度k，錨鏈系泊傾角α等因素的變化對錨鏈最大拉力均有影響，在研究和應(yīng)用時須綜合考慮這些影響因素。