雙層開(kāi)孔斜擋板透空式防波堤消浪性能研究*

范玉平,李金宣,柳淑學(xué),劉 元,隋俊克

(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連116023)

防波堤作為港口水工建筑物的重要組成部分，它能夠抵御波浪的沖擊，減少泥沙和波浪進(jìn)港，保證港內(nèi)具有足夠的水深和平穩(wěn)的水面，滿(mǎn)足船舶在港內(nèi)停泊、裝卸作業(yè)和出入航行的安全要求。斜坡堤和直立堤等傳統(tǒng)形式的防波堤使得港內(nèi)水體的循環(huán)受到限制，容易造成港內(nèi)水質(zhì)下降。近年來(lái)隨著海洋生態(tài)文明建設(shè)加強(qiáng)，港口工程結(jié)構(gòu)形式正在向透空式、消能式和多功能等方向發(fā)展。透空式防波堤作為一種新形式的防波堤結(jié)構(gòu)，其透空結(jié)構(gòu)施工便利、造價(jià)較低和利于港內(nèi)外水體交換的特點(diǎn)使其越來(lái)越受到重視。

透空式防波堤結(jié)構(gòu)最早由Weigel[1]提出，此后越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[2-5]。孫路等[6]基于線(xiàn)性勢(shì)流理論和匹配特征函數(shù)展開(kāi)法，建立斜向波與內(nèi)部帶水平多孔板開(kāi)孔沉箱防波堤相互作用的解析解，研究表明在開(kāi)孔沉箱內(nèi)設(shè)置水平多孔板，可以有效降低結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)。隨著研究的繼續(xù)進(jìn)行，許多學(xué)者對(duì)雙層以及多層水平擋板防波堤展開(kāi)研究[7-13]。

以上研究中透空式防波堤多采用樁基結(jié)構(gòu)，能夠很好地解決港內(nèi)水質(zhì)交換的問(wèn)題，但在一些情況下會(huì)帶來(lái)港內(nèi)泥沙淤積以及波高透射過(guò)大的問(wèn)題。本文在開(kāi)孔沉箱基礎(chǔ)上，提出一種新型雙層開(kāi)孔斜擋板透空式防波堤。與開(kāi)孔沉箱不同之處在于，除前壁外，后壁板也開(kāi)孔，實(shí)現(xiàn)了透水功能。同時(shí)為減小透浪，在消能室內(nèi)設(shè)置兩層開(kāi)孔的斜擋板。該結(jié)構(gòu)不僅具備開(kāi)孔沉箱防波堤的優(yōu)勢(shì)，如可降低波浪反射、波浪力、波浪爬高以及防泥沙淤積等，同時(shí)兼顧一定的透水性，提高港內(nèi)水質(zhì)交換能力。

本文對(duì)所提出的新型防波堤的消浪性能進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究。通過(guò)分析斜擋板在不同開(kāi)孔率條件下的反射和透射系數(shù)、透射波浪頻譜特征、波能分布等，探討斜擋板的開(kāi)孔率對(duì)防波堤消浪性能的影響；同時(shí)，比較相同開(kāi)孔率斜擋板和平擋板的透射系數(shù)，分析開(kāi)孔斜擋板透空式防波堤的性能優(yōu)勢(shì)，為此種透空式防波堤的實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步研究提供參考。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溢油水槽中進(jìn)行。該水槽長(zhǎng)22 m、寬0.8 m、深0.8 m，最大工作水深0.6 m，配有實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的吸收式不規(guī)則波造波機(jī)、微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為減小波浪反射對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響，造波機(jī)后側(cè)水槽末端設(shè)有直立式消能網(wǎng)，水槽后端配備消浪設(shè)備。

本次試驗(yàn)中波高采集采用DS30型64通道浪高儀，其精度為±0.001 m，在試驗(yàn)之前對(duì)浪高儀進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定線(xiàn)性度大于0.999。

1.2 模型參數(shù)及試驗(yàn)條件

模型如圖1所示。模型高0.70 m，寬度B為0.29 m，前后壁開(kāi)孔高0.07 m，開(kāi)孔下邊緣距沉箱底0.35 m。兩個(gè)消能室中每個(gè)內(nèi)設(shè)兩層開(kāi)孔擋板，針對(duì)開(kāi)孔擋板設(shè)置4個(gè)不同的試驗(yàn)方案：方案1設(shè)置開(kāi)孔率為10.71%的斜擋板；方案2設(shè)置開(kāi)孔率為32.79%的斜擋板；方案3設(shè)置開(kāi)孔率為50.27%的斜擋板；方案4設(shè)置開(kāi)孔率為32.79%的平擋板。

需要指出的是：方案1～4除防波堤模型結(jié)構(gòu)的斜擋板(與水平方向夾角為32°)或平擋板除開(kāi)孔率不同外，模型的其他參數(shù)均相同，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可比性。

圖1 防波堤模型(單位：m)

試驗(yàn)設(shè)置水深d分別為0.35、0.42和0.52 m；試驗(yàn)采用規(guī)則波，其周期T為1.00、1.10、1.25、1.75、2.00 s，波高H為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12 m。

1.3 模型試驗(yàn)布置

試驗(yàn)中共布置6個(gè)浪高儀對(duì)波高進(jìn)行測(cè)量，1#～4#浪高儀測(cè)量堤前波高，5#～6#浪高儀測(cè)量堤后波高，如圖2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理，采樣間隔為20 ms，采集點(diǎn)為2 048個(gè)，采樣時(shí)間為40.96 s。每次試驗(yàn)當(dāng)波浪穩(wěn)定后進(jìn)行采集，每種工況重復(fù)試驗(yàn)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 模型試驗(yàn)布置(單位：m)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)防波堤前浪高儀測(cè)得的波面過(guò)程線(xiàn)，由Goda等[14]提出的兩點(diǎn)法分離出反射波高與入射波高，再根據(jù)堤后浪高儀測(cè)得的波面過(guò)程線(xiàn)，由計(jì)算分析處理得到透射波高，進(jìn)而求出反射系數(shù)和透射系數(shù)。

反射系數(shù)指反射波高與入射波高的比值，即:

Kr=Hr/Hi

(1)

式中：Hr為反射波高；Hi為入射波高。

透射系數(shù)是指波浪透過(guò)防波堤后的波高與入射波高的比值，即：

Kt=Ht/Hi

(2)

式中：Ht為透射波高；Hi為入射波高。

2.1 開(kāi)孔率對(duì)防波堤消浪性能的影響

不同水深時(shí)，方案1～3不同開(kāi)孔率時(shí)防波堤模型反射系數(shù)隨相對(duì)入射波高H/d(H為波高，d為水深)的變化見(jiàn)圖3。對(duì)于較長(zhǎng)周期波(T=2.0 s)，反射系數(shù)較大，開(kāi)孔率對(duì)反射系數(shù)影響不大；而對(duì)于較短周期波(T=1.0 s)，反射系數(shù)變小，開(kāi)孔率對(duì)反射系數(shù)有一定的影響，開(kāi)孔率越大，反射越小。另外，中間水位(水位位于開(kāi)孔沉箱中部)時(shí)，反射系數(shù)最小。

圖3 防波堤模型反射系數(shù)隨相對(duì)波高的變化

相應(yīng)透射系數(shù)隨相對(duì)入射波高的變化見(jiàn)圖4。可以看出，開(kāi)孔率對(duì)透射系數(shù)有明顯的影響，開(kāi)孔率越大，透射系數(shù)也越大；較短周期時(shí)比較長(zhǎng)周期略大，兩者差別沒(méi)有反射系數(shù)大。另外堤前水深對(duì)透射系數(shù)也有明顯影響，中間水位d=0.42 m時(shí)透射系數(shù)最大，此時(shí)，對(duì)于開(kāi)孔率最大的方案3(開(kāi)孔率50.27%)，透射系數(shù)可接近0.5。

圖4 防波堤模型透射系數(shù)隨相對(duì)波高的變化

周期變化主要體現(xiàn)在相對(duì)寬度B/L(B為模型寬度，L為波長(zhǎng))的變化，為進(jìn)一步比較不同波浪周期時(shí)斜擋板開(kāi)孔率對(duì)該型防波堤消浪性能的影響，波高H=0.12 m時(shí)其透射系數(shù)隨相對(duì)寬度的變化見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，不同開(kāi)孔率下，透射系數(shù)隨相對(duì)寬度增大有小幅增大，也就是說(shuō)該類(lèi)型防波堤對(duì)長(zhǎng)周期波浪的消浪效果比短周期波浪好。

圖5 防波堤模型透射系數(shù)隨相對(duì)寬度的變化

開(kāi)孔位置(中心高度)h對(duì)透射系數(shù)影響體現(xiàn)在h/d變化時(shí)該型防波堤透射系數(shù)的變化。波高H為0.06、0.08 m時(shí)其透射系數(shù)Kt隨相對(duì)高度h/d的變化見(jiàn)圖6(僅列出T=2.0 s時(shí)每種方案的2組數(shù)據(jù))。可以看出，不同開(kāi)孔率下，透射系數(shù)隨相對(duì)高度增大逐漸減小，分析其原因?yàn)樗頳=0.52 m時(shí)，消能室被淹沒(méi)，消能性能較弱，也就是說(shuō)該類(lèi)型防波堤在非淹沒(méi)狀態(tài)時(shí)具有更好的消能性能。

圖6 防波堤模型透射系數(shù)隨相對(duì)高度的變化

2.2 波能分布分析

入射波能與防波堤模型相互作用后轉(zhuǎn)化為3部分，分別為反射波能Er、透射波能Et及防波堤消耗波能Ed，其計(jì)算方法為：

(3)

(4)

(5)

波高H=0.08 m時(shí)，不同水深和波浪周期條件下，波浪與方案1～3防波堤模型相互作用下的波能占比見(jiàn)表1。可以看出，對(duì)于各種工況，波浪的透射能量并不大，最大不超過(guò)20%，說(shuō)明該類(lèi)型透空式防波堤具有較好的消能性。對(duì)于較長(zhǎng)周期波，經(jīng)過(guò)防波堤后，大部分能量反射回外海，20%～30%的能量被消耗在消能室中。而對(duì)于較短周期波浪，防波堤的消能更為明顯，對(duì)于水深d為0.35和0.42 m時(shí)，50%～70%的波能是消耗在消能室中，小部分反射回外海；對(duì)于水深d=0.52 m時(shí)，消能室被淹沒(méi)，消能性能減弱，此時(shí)波浪以反射為主。另外可以注意到，不同方案開(kāi)孔率對(duì)消能室的消浪性能影響不大。

表1 3種波能占比

2.3 堤后波幅頻譜特征

試驗(yàn)中取堤后浪高儀所測(cè)波面數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得出方案1～3防波堤模型在不同水深和波浪要素條件下，透過(guò)防波堤的波浪成分。方案1～3防波堤模型堤后波幅頻譜見(jiàn)圖7。

從頻譜分析結(jié)果中可以看出，方案1～3的防波堤模型堤后波幅頻譜具有相同的特征：開(kāi)孔率越大，堤后波幅越大。水深d=0.35 m條件下，由于水位接近開(kāi)孔下緣，水位振蕩在堤后產(chǎn)生明顯的高階成分；但隨著波高增大，高階幅值比例逐漸下降；水深d為0.42和0.52 m時(shí)堤后波幅頻譜成分較單一，除一階線(xiàn)性幅值外可見(jiàn)較小的二階、三階幅值。

圖7 堤后波幅頻譜分析

2.4 擋板角度對(duì)防波堤消浪性能的影響

方案2、4分別通過(guò)設(shè)置斜擋板、平擋板研究開(kāi)孔斜擋板傾斜角度對(duì)防波堤消浪性能的影響，這兩種方案的透射系數(shù)隨相對(duì)波高變化見(jiàn)圖8?？梢钥闯觯詈椭芷谝欢〞r(shí)，方案2的防波堤模型在不同波高條件下的透射系數(shù)均比方案4的透射系數(shù)小，最小時(shí)前者僅為后者的39%，說(shuō)明開(kāi)孔斜擋板較開(kāi)孔平擋板具有更好的消浪性能，減少波浪透射，堤后波面更加平穩(wěn)，更能滿(mǎn)足船舶在港內(nèi)停泊、裝卸作業(yè)和出入航行的安全要求。

圖8 防波堤模型透射系數(shù)隨相對(duì)波高的變化

3 結(jié)論

1)該防波堤模型的斜擋板開(kāi)孔率越大，透射系數(shù)也越大。但透射系數(shù)均小于0.5，水深d=0.35 m時(shí)甚至小于0.2。

2)較長(zhǎng)周期波比較短周期波反射明顯，但較短周期波在消能室能量損失較大，總體上，較長(zhǎng)周期波的透射系數(shù)比較短周期波的略小，說(shuō)明該類(lèi)型防波堤對(duì)較長(zhǎng)周期波的消波作用較好。

3)開(kāi)孔斜擋板和開(kāi)孔平擋板防波堤模型在相同水深和波浪要素時(shí)，前者的透射系數(shù)均比后者小，且較長(zhǎng)周期波時(shí)的透射系數(shù)更小，說(shuō)明開(kāi)孔斜擋板較開(kāi)孔平擋板具有更好的消浪性能。