自由水面式半圆体开孔海洋结构物水动力性能实验研究

翟 钢 军， 马 哲， Teh Hee－min， Vengatesan Venugopal

（1.大连理工大学 深海工程研究中心，辽宁 大连 116024；2.爱丁堡大学 能源系统研究所，英国 爱丁堡 EH9 3JL）

0 引 言

近年来，相对传统的海洋工程结构物型式，建造对自然影响更小的“软性结构”已成为国外研究热点.“软性结构”指的是为了维护海岸结构的天然性，允许海洋工程结构物后方水域有一定能量的波浪存在.自由水面式海洋工程结构物就是这种“软性结构”的代表，通常也被叫做开敞式结构物，因其不阻断海水流域，近些年越来越受到海岸及海洋工程从业者的关注.这种结构型式对解决结构物后方水体污染问题、近海鱼类正常迁徙以及结构物周围泥沙淤积等问题都有重要意义.

由于波浪的能量随着水深的增加逐渐减小，波浪能量的有效作用深度一般远远小于其海域的海水深度.从功能上说，以消除波浪为目标的传统海洋工程结构物的本质就是将来浪反射回去，使其远离港口码头岸线，但是不可避免地会对海上小型船舶的航行造成影响.

Teh等[1]将自由水面式海洋工程结构物按照不同结构型式分为4类，包括堆砌式结构、板式结构、沉箱式结构以及多体式结构.

（1）堆砌式结构：堆砌式海洋工程结构物具有相对简单的外观设计，典型的包括箱型、圆柱型、带前趾型以及梯型等结构型式.Koutandos等[2]进行了箱型自由水面式海洋工程结构物的物理模型试验.该类型的结构物在浸入水深较大时具有很高的堤前反射，当结构浸水深度与水深之比在0.2～0.3，相对入射波长宽度在0.3时，反射波的能量约占入射波能量的80%.

对于曲面型式的自由水面海洋工程结构物，Li等[3]应用Tsay等的近似法[4]进行了长圆柱型结构波浪透射性能的数值模拟.结果显示随着结构物几何尺寸以及浸水深度的增大，波浪的透射效应减小.Sundar等[5]建立了一种组合式海洋工程结构物，它被设计成前端为1/4曲面、后端为常规方箱的结构，这种设计方式有利于消除波浪的反射能量.试验结果表明在不规则海况下该种结构的波浪反射率最大值为65%.

（2）板式结构：板式结构的海洋工程结构物通常由单层或多层水平/竖直板所组成，目前已经报道过的类型有水平板、双重板、T形板、⊥形板以及H形板等.对于单层水平放置的板式海洋工程结构物，Hu等[6]发现其波浪透射率随着结构物浸入水深的增加而增大.对于双层板式海洋工程结构物，Neelamani等[7]注意到板间距为水深的0.4倍时，波浪反射系数最小.

Neelamani等[8，9]对 T 形和⊥形海洋工程结构物进行了实验对比，发现T形比⊥形结构物在消波性能方面更加有效，有效率约高出25%.Neelamani等[10]又研究了H形海洋工程结构物的几何形式对波浪的影响.结果表明在减小波浪能量方面，H形结构物后方的挡板浸水深度比前方挡板的更加重要.

（3）沉箱式结构：沉箱式自由水面海洋工程结构物在水体与结构接触处筑有不透水的墙体，最常见的结构型式有U形结构，以及将其上下倒置的П形结构.为了增加对波浪能的耗散，往往在墙体上开有数量不等的孔.Brossard等[11]对迎浪面开孔的U形海洋工程结构物进行了相关的研究，发现该种类型结构物的消波性能随着结构浸水深度的增加而增强.在结构安放型式方面，Günaydln等[12]通过对比实验结果，总结出了П形海洋工程结构物的消波性能要优于U形.

（4）多体式结构：典型的多体结构式海洋工程结构物由一定数量的水平板构成，布置在水下一定深度的区域.这样的结构型式有助于减小波浪反射以及水平方向的波浪力.Wang等[13]设计了一种格栅式海洋工程结构物，由一系列的水平板构成，这些水平板可以有效约束流体粒子的竖向运动.当水平板间距约是波长的1/4时，结构物可以最有效地减低入射波高.波浪的透射系数随着水平板间距的增加呈增大的趋势，但板间距对反射系数的影响不大.

综上所述，大多数的自由水面式海洋工程结构物，可以有效地减小结构物后方水域的波高，但结构物前方的波浪反射效应较大，对小型船舶的航行仍有一定的潜在风险.本文结合以上工作，提出半圆体开孔式自由水面海洋工程结构物这一结构型式，并对其进行模型实验研究，评估其在不同水深下的波浪透射、反射以及能量耗散现象.

1 实验设置

1.1 实验模型

作者结合实际已经建造的传统式半圆体海洋工程结构物大小确定了实验模型尺寸，并对开孔率（6%、9%和12%）、孔洞尺寸（1cm×6cm 和3 cm×6cm）等参数进行了实验比较，经过多次比对实验，最终确定了如下的模型结构型式、材料和实验方案.

实验模型（SCB模型）采用聚氯乙烯材料制作，模型比尺为1∶20，模型壁厚为10mm，开孔率为9%，见图1.迎浪方向模型布置有6排4列矩形孔洞，每个孔洞的尺寸为1cm×6cm.在波浪作用下，水体可以通过这些孔洞，从而起到耗散波浪能量的作用.模型背面布置有2排4列的矩形孔洞，孔洞尺寸为3cm×6cm.这些孔洞被设计用来减少波浪的跃浪现象以及波浪对模型后部的上托力.模型的直径为0.500m，模型宽度为0.395m.模型两侧安装2块半圆形透明的有机玻璃板，用来防止波浪冲击作用下模型产生较大变形，并且不影响模型腔室内波浪响应的观测.

图1 SCB模型Fig.1 SCB model

1.2 仪器设备

实验在爱丁堡大学能源系统研究所水槽中进行，水槽长22m、宽0.4m、工作水深0.7m，见图2.在水槽首端安装有摇板造波机，能对规则波及不规则波进行模拟，本实验对不规则波采用Jonswap谱.在水槽尾端安置有海绵消波层，可以有效地减小波浪传播到尾端的反射效果.模型安放在距离造波机12m处.在模型的前方、内部、后方安插了6个浪高仪（WP1～WP6），用以记录水槽内不同位置处的波面变化.浪高仪 WP1、WP2和WP3被安置在模型前2m处，获取结构物前方的入射与反射波高.WP1、WP2和WP3之间的距离随着波浪周期的改变而变化.WP4被放置在模型前0.05m处，用以量测模型前端的波高变化.WP5顺着模型顶端的矩形开孔位置插入，用以量测模型腔室内部的水位波动.WP6用来量测透射波高，布置在模型背面2m处.

图2 实验设备示意图Fig.2 Sketch map of experimental set－up

1.3 实验组次

本文针对3种不同的水深条件（d＝0.7、0.5和0.3m），对半圆体海洋工程结构物消波性能进行了系统的实验研究.每组波浪参数均进行3次不同模型浸入水深的实验，模型浸水深度D＝0.05、0.10 和 0.15m.因此相对水 深D/d＝0.071、0.100、0.143、0.167、0.200、0.214、0.300、0.333和0.500.

在规则波条件下，实验模型选择了10个波浪周期T，范围从0.8～1.8s，间隔为0.1s.波高H选取0.05、0.10和0.15m.在Jonswap谱条件下，谱峰周期Tp的选择与规则波相同，有义波高H1/3范围从0.04～0.14m，根据波浪周期不同，选取3或4个波高值进行实验.波陡H1/3/Lp范围在0.01～0.12（Lp是由线性微幅波理论公式算出的代表波长）.

1.4 实验过程

本文选取T＝1.3s，Hi＝0.10m，d＝0.5m不同模型浸水深度下的实验图片（见图3）进行说明.

图3 波浪与结构物的相互作用Fig.3 Wave－structure interactions

2 实验结果

2.1 Ct、Cr、Cl 的计算方法

为了系统真实地反映出结构物的工作性能，选取波浪的透射系数Ct、反射系数Cr以及能量耗散系数Cl作为主要的研究对象.

式中：Hm0是有义入射波高，Hm0，t和Hm0，r分别是是有义透射及反射波高.由于能量的耗散很难被准确测量，结构物的能量耗散系数根据能量守恒特性得出，见式（3）.

2.2 波浪透射

图4给出了规则波及不规则波作用下结构物透射系数Ct与相对板宽的关系.从图中可以看出，无论是规则波作用或者是不规则波作用下，结构物透射系数Ct在所有的Hi/L以及Hm0/Lp区块中，随着相对板宽在0.1～0.6内的增加而呈降低趋势.分析中将相同水深下的工况组合到一起，并用相同的颜色来表示，可以有效地发现水深变化对波浪衰减效果的影响.总的来看，在不同深度条件下，波浪衰减差异最大值达10%.

另一方面，波浪的透射系数Ct受模型相对水深的影响较大.在一个给定的B/d的条件下，很明显地可以看出Ct随着D/d的增加而减小.当评估相对水深D/d对Ct影响与B/d的关系时，Ct的变化并不与D/d成比例关系，因此对每一组B/d工况组合下，Ct和D/d的关系应该被分别独立对待.从图4中还可看出透射系数Ct一个细微的变化，对于规则波来说，随着Hi/L的增加，透射系数Ct呈略微减小的趋势.而在不规则波作用下，这种变化并不明显.

2.3 波浪反射

与不规则波作用相比，波浪的反射行为在规则波作用下更加复杂.反射系数Cr相对各自的D/d随着B/L的增加而发生波动.首先Cr逐渐增加，在0.20＜B/L＜0.25达到第一个峰值.之后，Cr开始下降，当0.35＜B/L＜0.40时，Cr跌至谷底，见图5（a）.然而，在不规则波作用下，上述的反射现象并不明显，Cr几乎线性地随着B/Lp的增加而缓慢地增加（见图5（b））.不论规则波作用或是不规则波作用，反射系数Cr与相对板宽的关系，整体上来看并不因水深的变化而发生较大变化.并且在一定的水深条件下，反射系数Cr变化不大，因此，水深对波浪反射效应的影响基本上可以忽略.但是，模型浸水深度对Cr的影响相比之下却很强烈，随着浸水深度的增加，反射系数Cr随之明显增大.规则波与不规则波作用下Cr的变化趋势不同，是由于规则波为单色频率作用波，可以更好地发现不同波浪周期、频率下的结构物水动力性能变化，而不规则波的波谱在一定程度上掩盖了一些细小的变化.由此可见规则波实验对于海洋工程结构物实验的重要性.

2.4 波浪的能量耗散

如图6所示，波浪能量的耗散性与如下四点有关：（i）模型的浸水深度.较大的模型浸水深度，增加了波浪与结构物的作用面积，从而引发更大的能量耗散.（ii）波浪周期.长周期波浪具有更强的透射性能，可以更加容易地绕过消能装置，因此结构物对高频波浪的消能效果更加理想.（iii）实验水深.随着实验水深的减小，水槽底部对波浪运动产生的阻尼加剧，从而引发能量耗散的增加.（iv）波陡.

图4 SCB9模型在规则波及不规则波作用下的结构物透射系数Ct与相对板宽的关系Fig.4 Ctfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

图5 SCB9模型在规则波及不规则波作用下的结构物反射系数Cr与相对板宽的关系Fig.5 Crfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

图6 SCB9模型在规则波及不规则波作用下的结构物消能系数Cl与相对板宽的关系Fig.6 Clfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

3 结 论

（1）波浪的透射系数Ct，随着相对板宽的增加而降低，而反射系数Cr与耗散系数Cl则呈增加趋势.同时Ct、Cr、Cl均受到模型浸水深度的影响，虽然较大的模型浸水深度可以有效增加波浪能量的耗散并降低波浪的透射系数，但反射系数却随之增加.因此在实际工程中结构物的设计水位，要兼顾到波浪的反射以及越浪的影响.

（2）实验表明，在6～14m的水深范围内，自由水面式半圆体结构物均表现了良好的水动力性能.在相对板宽大于0.2的条件下，波浪的能量耗散率可维持在50%以上，同时反射系数维持在0.2～0.4的较低范围内.因此该种结构型式很适合在海岸基础设施中推广建造.

（3）为了进一步增强结构物的消浪性能，可在结构物迎浪向底部加装格栅板（相当于增加了模型浸水深度），在保持自由水面式结构物特性的同时，兼顾了控制波浪的反射作用，并额外提高波浪的能量耗散率，以达到降低波浪透射率的目的.

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