型浮箱式防波堤消浪特性试验研究

李松喆，李 焱，刘海源，郑金海，高 峰

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

型浮箱式防波堤消浪特性试验研究

李松喆1，2，李 焱2，刘海源2，郑金海1，高 峰2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

通过波浪水槽断面物理模型试验，研究了“”型浮箱在规则波作用下，透射系数与相对水深、相对宽度、相对入水深度、波陡、锚链夹角和锚链拖地长度等影响因素的变化规律。结果表明：“”型浮箱的透射系数受相对宽度的影响最大，透射系数随着相对宽度的增加而减小，当相对宽度大于0.35时，透射系数不超过0.5，当相对宽度达到0.5左右时，透射系数降低至0.23～0.38之间；与矩形浮箱相比，除反射波能外，“”型浮箱对波能也有一定的耗散和阻挡作用，其消浪效果要优于矩形浮箱。

浮式防波堤；字型浮箱；规则波；透射系数；模型试验

近年来，随着人们环保意识不断增强，海洋环境日益受到关注。与传统的实体座底式防波堤相比，浮式防波堤具有较强的海水交换功能，不改变水流和泥沙运动条件，对海洋环境影响较小，以及造价低、对地基要求不高等特点，越来越受到人们的重视。浮式防波堤由浮体和锚泊系统组成，由于浮体处于波浪能量较集中的海面，不能阻挡整个水深的波能，因此，优化浮式防波堤的结构以提高其消浪性能一直是国内外学者重点关注的课题[1］。

1 浮式防波堤的消浪特性

浮式防波堤种类繁多，分类的方法多种。按浮体结构材料的弹性性能可为刚性浮式防波堤和柔性浮式防波堤，按锚泊方式可分为锚链锚泊浮式防波堤和导桩锚泊浮式防波堤，按结构型式分又包括浮箱式、浮筒式、浮筏式、板网式等。从浮式防波堤的消浪过程来看，归纳起来，主要有以下几种：反射消能：利用堤身反射一部分波浪能量，所以防波堤的相对入水深度是影响透射系数的重要参数；波列间的干涉消能：由于传递的波浪频率与结构本身运动产生的波浪频率不同，形成两波间波动的相互牵制和抵消；紊动消能：水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，破坏了原来波浪质点有规律的运动，转变为杂乱的紊动而达到消能目的；波浪力做功：波浪力使结构产生位移或变形所做的功，有部分是不可逆转的能耗。

现有各类浮式防波堤的消浪或以反射和耗散两种中的一种为主，或两者兼顾，因此浮式防波堤可根据消浪机理将其分为三类：反射型浮式结构，这种结构主要通过反射入射波消能，使部分能量能够穿过该结构，代表型式有浮箱式、浮筒式等；耗散型浮式结构：这种结构主要通过波破碎、摩擦力、紊动等将一定量的入射波能耗散掉，代表型式有浮筏式、浮漂式、废旧轮胎式、网衣式等；反射+耗散型浮式结构：这种结构利用反射和耗散消能代表型式有开孔沉箱式、浮箱-水平板式、阻尼式浮箱、浮筒障碍式等。

实际海况或实验条件下，由于摩擦及紊流的影响，能量的损失必然存在。在浮式防波堤附近的流域内，流场比较复杂，考虑到粘性及波浪破碎等，浮式防波堤对波能总是具有吸收和衰减作用，表现在反射系数与透射系数的平方之和小于1。浮式防波堤的吸收衰减作用越是明显，有机会透过浮堤的波能就会减小，透射系数自然会降低。浮式防波堤的反射、吸收和衰减作用和浮体的结构及其材料有很大关系，此外，浮式防波堤的透射系数还受到波况以及海底地形等多种外在因素的影响。

2.1浮箱设计及锚链选取

统计国内外浮式防波堤的结构形式及尺度得到，目前投入使用的浮式防波堤以浮箱式为主，浮体宽度（沿波浪传播方向）大多在2.4～28 m，高度在1.8～8.0 m，吃水在0.91～7.2 m，同时，越靠近外海或深水区域，所受波高和周期就越大，则浮体宽度和吃水均增大[2-10］。考虑到单纯的箱型结构对于长周期波的消浪能力有限，总结浮式防波堤消波机理与其影响因素，设想通过在浮箱上加挡板以改进其消浪性能，提出了一种“”字型浮式防波堤的新型结构形式。

综合国内外浮箱式防波堤的研究成果，根据我国海域潮流与海浪分布特征，考虑到本次试验最大波周期较大，设计出“”字型浮式防波堤的结构形式及原型尺度，如图1所示。在原体为16 m宽、4 m高的方箱上，沿两侧和水下分别增设2 m长的悬臂，目的是增大方箱的宽度和入水深度，同时利用所形成的两侧和底部空腔消波，从而提高浮堤的消波效果，并可节省一定的工程材料；在方箱下部均匀配重，以降低重心，提高浮体稳性；在对“”字型浮箱的初步试验中发现两侧空腔顶悬臂受力较大，且有负压，故在上悬臂沿纵向每2 m设置一个0.3 m直径的通孔。

锚链锚泊浮式防波堤是目前应用较多的一种浮式防波堤，本次试验采用锚链锚泊方式。考虑浮箱承受的波浪比较大，原体锚链直径d取100 mm，弹性模量为38.8 GPa，迎浪面和背浪面对称布置，锚链间距15 m。

2.2模型设计与布置

采用重力相似准则，比尺为1：40。浮箱由1 cm厚有机玻璃制作而成，光滑的有机玻璃板糙率为0.007～0.009，则原型糙率为0.013～0.016，与钢筋混凝土糙率相当。浮箱模型总重量约31.6 kg。模型锚链采用细钢链条，重24.12 g/m，模拟主要考虑长度和弹性相似，其中弹性刚度通过定制弹簧来模拟，弹性相似按照下式计算

式中：ΔLm为模型锚链伸长，m；Tm为模型锚链拉力为模型锚链长度，m；(EA)m为模型锚链的抗拉刚度，N；(EA)p为原型锚链的抗拉刚度，N；λ为模型长度比尺；Ep为原型锚链的有效弹性模量，Pa；dp为原型链环杆的直径，m。

图2 模型布置图Fig.2Layout of physical model

试验在波浪水槽中进行，水槽长68 m、宽1.0 m、深1.5 m，一端配有先进的吸收式造波机，另一端设有消波装置。浮体布置在水槽中间，前、后各布置2个浪高仪，其中堤后浪高仪距浮体1倍波长以外，锚链悬挂点为下悬臂末端。模型布置见图2。

2.3试验内容与工况

试验采用规则波，同步测量了浮堤前、后的波高、浮体运动量（二维运动包括横荡、升沉和横摇运动）以及前后共6个锚链的拉力。波高采用交通运输部天津水运工程科学研究所研制的SG2000型波浪采集系统进行测量；锚链力采用LA1型水下拉力传感器进行测量；运动量采用南京水利科学研究院研制的FL⁃NH型非接触式运动量测试系统进行测量。试验内容和工况组合见表1，不同试验条件下的特征值见表2。

表1 试验内容及工况Tab.1Test contents and groups

表2 试验特征值Tab.2Test characteristics

3 试验结果分析

3.1相对水深对透射系数的影响

相对水深的改变分两种情况：一是水深不变，改变波周期时，不同入射波高条件下，透射系数均随着相对水深的增大而明显减小；二是波周期不变，改变水深时，透射系数的变化则有限，且基本无规律（图3）。表3列出了水深16 m，波周期5 s和水深24 m，波周期6 s时，3种波高条件下的透射系数，从中发现，两种工况的相对水深基本一致，但5 s周期的透射系数比6 s明显减小。分析产生这种现象的原因之一是相对水深对波周期的变化较为敏感，如波周期从5 s增大至8 s，试验相对水深从0.62变化至0.19，已由深水变化为有限水深，如保持周期6 s不变，水深从16 m增大至24 m，相对水深从0.30增大至0.43，变幅较小；第二个主要原因是透射系数随波周期（波长）变化的敏感度要明显大于水深。

图3 相对水深与透射系数的关系Fig.3Relation of relative depth with transmission coefficient

表3 “?”型浮式防波堤的透射系数Tab.3Transmission coefficient of⁃shaped pontoon floating breakwater

表3 “?”型浮式防波堤的透射系数Tab.3Transmission coefficient of⁃shaped pontoon floating breakwater

项目波高HI（m）透射系数KT水深16 m，波周期5 s，相对水深0.42 1.0 0.38 2.0 0.23 3.0 0.24水深24 m，波周期6 s，相对水深0.43 1.0 0.50 2.0 0.48 3.0 0.51

3.2相对入水深度对透射系数的影响

图4为不同波高作用时，不同浮箱相对入水深度的透射系数与相对宽度的关系。从中可知，透射系数随着相对入水深度的变化相差不大，随着相对宽度的增加而减小，当相对宽度大于0.35时，透射系数可小于或等于0.5，当相对宽度达到0.5左右时，透射系数可降低至0.23～0.38之间。

应该说明的是，本次试验保持浮箱吃水不变，通过改变水深来改变相对入水深度，而有的试验则是保持水深不变，通过改变浮箱吃水来改变相对入水深度（也即相对吃水），得出的结论为：“透射系数随着相对吃水的增加而减小，且在短周期波浪更明显，而长周期波中则并不十分明显”。两种试验结果有一定差异，主要原因是前者保持了浮箱的质量及运动特性不变，即浮箱的重心、浮心和转动惯量等未变，而后者改变浮箱吃水，比如减小吃水，则浮箱的重心会提高，其运动特性也随之变化，从而增大了透射系数。

图4 相对入水深度和相对宽度与透射系数的关系Fig.4Relation of relative submergence depth and relative width with transmission coefficient

图5 波陡与透射系数的关系Fig.5Relation of wave steepness with transmission coefficient

图6 锚链夹角与透射系数的关系Fig.6Relation of mooring angle with transmission coefficient

图7 锚链拖地长度与透射系数的关系Fig.7Relation of mooring line length with transmission coefficient

图8 波高、周期与锚链受力的关系Fig.8Relation of wave height and wave period with mooring force

3.3波陡对透射系数的影响

波陡的改变也分两种情况。一为波高不变，改变波周期时，透射系数随着波陡的增大而明显减小，规律性较强；二为波周期不变时，改变波高时，透射系数随着波陡的变化并无明显规律（图5）。这是因为波周期不变时，波高增大，波陡虽也增大，越浪量也会增大，透射系数也随之增大。因此分析波陡对透射系数的影响，应根据不同的变量而具体分析。试验表明，当相对宽度为0.36～0.52时（波周期为5 s和6 s），波高为2 m时的透射系数最低。

3.4锚链与竖向夹角对透射系数的影响

图6为3种锚链夹角条件下透射系数的变化规律。从中可知，不同夹角条件下，透射系数随着相对宽度的增大而减小。从拟合的关系曲线来看，锚链与竖向夹角增大，透射系数有减小的趋势，但幅度不大，当相对宽度增大至0.5时，夹角对透射系数的影响则很小。

3.5锚链拖地长度对透射系数的影响

图7为3种锚链拖地长度条件下透射系数的变化规律。从中可知，不同锚链拖地长度条件下，透射系数随着相对宽度的增大而减小。从拟合的关系曲线来看，锚链拖地长度的变化对透射系数的影响不大。

3.6锚链受力分析

试验发现当波周期不变时，增大波高，也即增大了波陡，锚链力增大；但在另一种情况，当波高不变，改变波周期，也就改变了波陡，而锚链力的变化并无明显规律（图8）。因此可以看出，入射波波高对于锚链受力有显著影响。

矩形浮箱宽度为20 m，高4 m，吃水3.0 m，重心高度1.5 m，锚链点位置与“”型相同（图9）。比较试验工况为：水深h=20 m；入射波高HI=1.0 m、2.0 m、3.0 m；波周期T=5 s、6 s、7 s、8 s；锚链拖地长度St=0 m；锚链与竖向夹角θ=30°。

图9 矩形浮箱尺度（原型值）Fig.9Scale of rectangle pontoon（prototype）

图10 “?”型与矩形浮箱透射系数比较Fig.10Transmission coefficient comparison between⁃shaped and rectangle pontoon

5 主要结论

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Experimental study on wave dissipation of new type pontoon floating breakwater

LI Song⁃zhe1,2,LI Yan2,LIU Hai⁃yuan2,ZHENG Jin⁃hai1,GAO Feng2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport, Tianjin 300456,China）

A new type of floating breakwater of pontoon structure was proposed and studied by two⁃dimension⁃al wave flume physical model experiment under the regular wave action.The relation between the transmission coef⁃ficient and relative depth,relative width,relative submergence depth,wave steepness,angle between mooring axes and vertical at the joint，mooring line length and so on were studied.The results show that transmission coefficient is high sensitive and regular to relative width，it reduces with relative width increasing.When relative width is great⁃er than 0.35，transmission coefficient will less than or equal to 0.5.When relative width is reach about 0.5,transmis⁃sion coefficient will reduce to 0.23～0.38.Comparing with rectangle pontoon,⁃shaped pontoon can dissipate and resist wave energy besides reflecting,so its wave dissipation effect is superior to rectangle pontoon.

floating breakwater;⁃shaped pontoon;regular wave;transmission coefficient;physical model test

TV 139.16；U 656.2

A

1005-8443（2016）02-0115-06

2015-06-04；

2015-07-08

交通运输部应用基础研究项目（2013329224230）

李松喆(1990-)，男，天津市人，硕士研究生，主要从事海岸动力学与海岸工程研究。

Biography：LI Song⁃zhe（1990-），male，master student.