柔性浮式防波堤的物理模型试验研究

汪 宏，徐洪彬，宣 刚，2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)(2.中国建设银行镇江市分行，江苏镇江212003)

21世纪是人类全面进军海洋的时代，海洋资源开发利用的防护设施将面临一个突飞猛进、空前繁荣的新时期.工程中会修建防波堤结构物来防止深水结构受到较大波浪的影响.传统的固定式防波堤随着工程水域深度的增加，工程造价剧增;并且固定型式的防波堤在材料的使用和波能的分布规律完全不相适应［1］.因此以环保、节能为基调的新型浮式防波堤才是未来的发展方向.近几十年，国内外诸多学者相继提出了多种性能优良的浮式防波堤.如:文献［2-3］设计了一种“笼式”浮堤，并在浮式结构运动特性的研究方面有所收获;文献［4］提出了一种带阻尼结构的浮式防波堤结构形式;文献［5］模仿水生植物“浮飘”的结构型式构思了一种飘浮式防波堤;文献［6］等对板-网结构浮式防波堤的消浪性能进行了试验研究等.

本项目所研究的柔性浮式防波堤主体结构为中间的阻尼结构，即用绳索柔性相连的镂空式排列的消能块.上部结构分为两种:无水平浮板(绳索网格)和水平浮板，吃水均很小.阻尼结构最下端连接在同浮板大小的钢架上，以防止缠绕.本研究目的是设计出对长波和短波均有良好消浪效果的结构形式.

1 物理模型试验研究

1.1 试验设备和测量仪器

试验是在江苏科技大学船舶与海洋工程学院重点实验室的港航波浪水槽中进行的，水槽前端装有一套造波机可产生单向规则波、不规则波.水槽的尾端安装有直立式消能网，用以吸收波浪能量以减小反射波带来的影响.主要测试仪器为浪高测试仪和DLY-Ⅱ型浪高仪，波高测量范围不小于30mm，绝对误差小于1mm.试验前对所有仪器进行标定，以保证试验数据的准确性.

1.2 物理模型

试验模型下部结构块体采用聚氯乙烯材料(雪弗板)通过机床加工后粘合而成，块体外径为9 cm，高6 cm的六棱柱.用吊床绳将消浪块体竖向交错连接5层，然后纵横向各布置7排，3排;组成一个阻尼结构单元体，如图1.模型整体长70 cm，宽30 cm，有浮板模型高38 cm，无浮板模型高35 cm;物理试验模型比尺采用1∶25.浮板由泡沫制作而成，有浮板单元体模型上部通过浮板间的粘弹性接头连接而成;无浮板单元体模型上部仍然用吊床绳串联起来.模型单元体下部都连接到钢架上，在钢架四角布置重物，沉于水底以此来固定模型.防波堤模型CAD如图1，2.

图1 有浮板防波堤结构Fig.1 Flexible floating breakwaters with float plate

图2 无浮板防波堤结构Fig.2 Flexible floating breakwaters without float plate

1.3 模型布置安装

为了得到较为稳定的波浪并且减少反射波浪对模型的影响，将防波堤安置在水槽中后部，如图3.

图3 堤宽对波浪透射系数的影响Fig.3 Effect of breakwater width on wave dissipation coefficient

2种形式防波堤的固定方式均采用直径为4mm的尼龙绳和铁块组成的锚链系统.锚系方式如图3.在迎浪侧与背浪侧各对称布置2根锚链，并可在每个钢架下宽度方向上中心位置对称布置2个竖直锚.

在模型前后中心轴线上分别放置波高仪，为了测得准确的堤前入射波高，设置1号波高仪;2号波高仪用以测得堤后波高.从而得到不同波浪条件下柔性浮堤的波浪透射系数.

1.4 物理试验过程

1)试验波要素

本试验模型比尺为1∶25，试验水深(d)为0.65 m，相当于实际水深 16.25 m.考虑实验室设备条件，本试验采用规则波形态.波高采用0.10，0.15，0.20 m;波周期为1.0，1.5，2s.波长(L)由规则波理论计算得到.波浪参数如表1.

表1 试验规则波波浪参数Table 1 Wave parameters of test regular waves

2)试验过程

①在一个特定的波浪条件下(T=1.5s，H=0.15 m)，改变2种柔性浮式防波堤的堤身宽度进行试验，以此来研究堤身宽度(W)对防波堤消浪效果的影响.从而得到柔性浮式防波堤整体的消浪性能并比较分析.

②对性能优越的防波堤进行系统试验，确定柔性浮堤的堤身宽度，改变波浪条件，以此来研究波浪参数对柔性浮堤波浪透射系数的影响.

试验数据全部由计算机自动采集和处理，波浪试验过程采样间隔为应小于平均周期的1/20，且在波浪平稳条件下，规则波连续采集的波浪个数不应少于10.改变波要素后，待水池水面平稳无波动后方可继续造波并采集处理.

2 试验结果分析

通过研究波浪透射系数Kt来评估柔性浮式防波堤的消浪特性，即通过堤前堤后波高的比值来反映出新型柔性浮堤的消浪性能，其公式为:Kt=Ht/Hi(其中，Hi为堤前入射波高;Ht为堤后波高).

2.1 堤宽对波浪透射系数的影响

试验过程中，设定波要素:周期为1.5s，波高为0.15 m.首先放置一个柔性浮堤的单元体，然后逐个增加柔性浮堤单元体.最后防波堤总宽度为0.9 m.表2，3分别为2种形式防波堤试验数据结果.

表2 无浮板防波堤试验数据Table 2 Test data of breakwater without floating plate

表3 有浮板防波堤试验数据Table 3 Test data of breakwater with floating plate

图4反映了堤身宽度对透射系数的影响.从图表可以看出:2种型式的柔性浮堤透射系数Kt随着堤身总宽的增大而逐渐减小.可以得到随着堤宽的不断增大，波浪透射系数减幅越来越大，消波效果越来越明显.并且柔性浮堤的总体透射系数在0.4～0.7 之间.

2.2 波浪周期、波高对透射系数的影响

由以上结论可得，有浮防波堤其消浪性能优于无浮板防波堤.试验过程中，在水槽中安置3个有浮板柔性浮堤单元体，柔性浮堤总长度为0.9 m，然后按照设定的波浪条件依次对柔性浮堤进行试验.试验数据如表4.

图4 堤宽对波浪透射系数的影响Fig.4 Effect of breakwater width on wave dissipation cofficient

表4 试验数据(堤宽W=0.9 m)Table 4 Test data(breakwater width W=0.9 m)

图5为不同波浪条件对有浮板柔性浮式防波堤波浪透射系数的影响.

图5 不同波浪条件下波浪透射系数Fig.5 Wave dissipation coefficient of different wave conditions

从图表可以看出:有浮板柔性浮式防波堤在波浪周期相同时，透射系数随着波高的增大而增大;在波高相同时，图表基本呈现出周期越大透射系数越大的规律.在波高增大的过程中，有浮板柔性浮堤的透射系数，变化范围在0.2之间，最大时约为0.6，消浪效果仍然明显，可以得到柔性浮堤适合于波高变化较大的环境中.在周期增大的过程中，波高较小时，有浮板柔性浮堤的透射系数增大亦不明显，可以得到有浮板柔性浮堤对长波和短波均有良好的消浪效果;但当且波高较大时柔性浮堤的波浪透射系数变化较大，即柔性浮堤的消浪效果不再稳定，试验过程中防波堤横摇较为严重，在极端波浪条件下，防波堤消浪性能影响因素更为复杂.

3 结论

文中通过在波浪水槽中进行的物理模型结构试验，重点研究了有浮板柔性浮式防波堤在不同波浪条件下透射系数的变化规律.通过分析透射系数和波高、周期、堤身宽度之间的相互关系，得出柔性浮式防波堤结构的消波性能.结论如下:

1)有浮板柔性浮式防波堤是一种新型消浪结构.由粘弹性橡胶接头连接组成的浮板带能有效的破坏水质点竖直方向上的运动，从而达到消能的作用;同时反射水体表面的波浪从而达到掩护堤后港池的目的.单元体水下部分的阻尼结构逐级消能以消减波浪，同时消浪块能使波浪破碎并将水流导向不同的方向，使之撞击产生紊流，并且阻尼结构可以接受波浪的能量转移产生部分柔性运动，从而大大促进波浪在防波堤内部的能量消减.

2)在所设定的波浪条件下，2种形式的柔性浮式防波堤波浪透射系数在0.35～0.65之间，说明该新型柔性浮堤结构对长波和短波均有较好的消浪效果.具有实际的研究和应用价值.

本试验限于规则波情形，下一步拟针对不规则波和波流共同作用下的柔性浮式防波堤消浪性能进行试验研究.深入探究结构透空率对波浪透射系数的影响.同时参考诸多关于对海洋浮式结构的水动力数值分析［7］，展开对结构的有限元分析.

References)

［1］王永学，王国玉.近岸浮式防波堤结构的研究进展与工程应用［C］∥2002年度海洋工程学术会议论文集，2002，43(z):314 -321.

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