一种半潜式结构消浪特性研究

金 涛，上官子昌，张 梦

（大连海洋大学，海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

一种半潜式结构消浪特性研究

金 涛，上官子昌*，张 梦

（大连海洋大学，海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

本文针对一种由废旧轮胎组成的半潜式结构，通过物理模型试验，对其在单频规则波作用下的消浪特性进行了研究，分析了透射系数随宽度、吃水、水平净间距等因素的变化规律。研究结果表明：透射系数在相对宽度大于0.6时随宽度的增大而减小，随吃水深度的增大而减小，水平间距的影响规律不是很明显。

物理模型试验；透射系数；半潜式；规则波；废旧轮胎

随着海洋工程逐步向深水发展，传统结构形式消浪结构物的应用受到一定的限制，新型消浪结构物优势逐渐显现。近几年，新型消浪结构物的应用越来越引起人们的重视，因为它不破坏水域的整体性和生态环境，不改变水流和泥沙运动条件的特点，特别适合需要消浪的深水水域[1]。随着我国经济快速发展，汽车数量不断增多，废旧轮胎的回收利用问题越来越严重，考虑到轮胎比较经久耐用、绿色环保，因此对一种由废旧轮胎组成的半潜式结构的新型消浪结构物的研究不失为一种前沿性的研究。

目前国内外学者主要针对由废旧轮胎制成的浮式防波堤进行了研究，对废旧轮胎浮式防波堤的研究开始于20世纪60年代末，大部分研究工作基于现场和原型试验：1968年美国陆军工程水道实验站在Vicksburg做了Wave-maze型废旧轮胎浮式防波堤现场试验[2-3]；1978年国外学者Giles等进行了全相似的Goodyear型废旧轮胎浮式防波堤试验研究[4]；1982年Harms等在美国陆军海岸工程研究中心进行了全相似Wave-guard型结构的试验研究[5]，并已陆续应用到实际工程中。国内学者吴维登等对钢管轮胎浮式防波堤的一些影响因子进行了物理模型试验[6]，结果显示：结构的相对宽度、刚度、吃水深度、倾斜、胸墙及其摆放位置、档浪面积、自振频率都会影响浮式防波堤的消浪效果。另外张余等对废旧轮胎浮式防波堤进行了物理模型试验研究[7]，结果表明轮胎浮式防波堤结构消浪性能的主要影响参数是浮堤的相对宽度，随着相对宽度的增加，消浪效果增加。

综上所述，在海洋消浪结构物中对废旧轮胎为主要材料的半潜式结构的应用研究比较少见，因此为了了解半潜式废旧轮胎结构的消浪特性，掌握影响其消浪效果的因素，本文针对相对宽度、相对吃水深度、相对水平净间距等因素对消浪效果的影响进行了物理模型试验，了解在规则波作用时该半潜结构的消浪性能，得到的相关结论可为工程应用提供参考依据。

1 模型试验

1.1 试验设备和测量仪器

试验是在大连海洋大学海岸和近海工程省重点实验室的波浪水槽(长40 m，宽0.7 m，深1 m)中进行的。水槽一端装有造波机，可产生波形平稳、重复性好的单向规则波和不规则波，由微机系统控制并进行试验数据的自动采集和分析，水槽另一端设有消能网，用以吸收波浪能量以减少波浪反射。波浪的测量采用DS30型64通道浪高仪，仪器和设备在试验前进行标定，能够满足稳定性和灵敏度的要求。

1.2 试验波浪要素

本试验考虑实验室设备条件、造波机能产生的最大波高且保证波浪基本上不破碎等因素，试验波浪要素见表1。

表1 试验波浪参数

1.3 试验模型设计

结合水工物理模型试验相似准则与水槽及模型尺寸情况，确定试验模型比尺为1:20。模型中的轮胎采用硬度70的天然橡胶制成，轮胎的主要参数见表2。用扎带做绑扎材料，将9个轮胎模型串成1排，并列12排，合计108个模型轮胎组成基本单元宽度B=0.84 m的试验模型，如图1所示。为减小模型由于初始浮力产生的平面变形，在模型底面布置钢筋网，以增加其整体性。其中每个轮胎以100%的填充率填充泡沫材料，由于模型的迎浪面积较小，所承受的水平力较小，可使得锚固系统得到简化，所以试验中该模型采用向内侧锚泊的方式，锚泊系统中锚固材料考虑弹性相似和重力相似准则，采用锚绳来锚固模型，其中模型底部通过锚绳和铅块连接，锚绳的弹性相似采用螺旋弹簧来满足，即在锚绳的底部加上一段弹簧来模拟锚绳的弹性。为了减少模型的自由度，模型在迎浪侧和背浪侧端部及中部对称布置3根锚绳（共6根），在宽度方向中间部位布置3根锚绳。

图1 轮胎模型俯视图

表2 轮胎主要参数

1.4 模型整体布置

试验水槽一端是液压造波机，另一端是消波网，用来吸收波浪能量以减少反射。模型在水槽中的布置见图2，入射波高由计算机自动控制，模型前后各放置两个波高仪，用以测量波高的变化，模型前放置1#浪高仪，且浪高仪距模型前段1.8 m；模型后放置3#和4#浪高仪，两者相距0.7 m，3#波高仪距模型后端1.85 m，用以测量波高的变化。试验数据全部由计算机自动采集和处理，波浪时间过程采样间隔为0.02 s，每次试验当波浪稳定后才开始采集，采集1024个时间点，每组试验至少重复3遍，结果取平均值。

图2 试验布置图

2 试验结果分析

分析试验数据，讨论半潜式废旧轮胎消浪结构特性，即波浪透射系数Kt=Ht/Hi的试验结果，Hi为入射波高，未放置模型前由造波机生成并在消浪结构物前测量；Ht为经由消浪结构物作用后的波高。根据保存文件驱动造波机产生所需的波浪要素，待波浪稳定后开始采集数据，每次试验之前等水面平静后再继续造波，以消除波浪的多次反射。每一组次试验重复进行3次，再取其平均值作为最终结果以消除误差。试验中使用的参数和相关符号[7]见表3。

表3 试验相关符号

2.1 相对宽度B/L对透射系数的影响

水深不变（d=0.5 m），在波高分别为0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m情况下，改变吃水深度，分别取0.05 m、0.09 m、0.12 m；改变周期，分别取0.8 s、0.9s、1.0s、1.1s；改变宽度，分别取0.84 m、1.68 m、2.52 m。

图3给出三种吃水深度情况下，透射系数随相对宽度的变化曲线。可以看出，不同波高时，在三种吃水深度情况下，透射系数随相对宽度B/L的变化趋势相同，在相对宽度大于0.6时，都是透射系数基本上随着相对宽度B/L的增大而减少。在相对宽度B/L小于0.6时，透射系数随相对宽度在增大，这是因为当模型的宽度小于波长时，波长越大，波浪很容易越过模型。在相对宽度B/L由1.8增大到2.1的过程中，透射系数到达最小值，说明在规则波作用下，通过增大模型相对宽度B/L，可以减小波浪越过模型，到达很好的消浪效果。此外，更为重要的一个现象是，该模型对于短波的消浪效果比长波的消浪效果要好，这与张美林等[9]试验结果类似。

图3 透射系数随相对宽度B/L变化

2.2 相对吃水深度q/L对透射系数的影响

水深不变（d=0.5 m）,在波高分别为0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m情况下，改变吃水深度，分别取0.05 m、0.09 m、0.12 m；改变周期，分别取0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s；改变宽度，分别取0.84 m、1.68 m、2.52 m。图4给出三种宽度情况下，不同相对波高时透射系数随相对吃水深度的变化曲线。可以看出：在宽度B=0.84 m时，相对吃水深度对透射系数的影响不明显，这是因为模型的宽度小于波长时，随着相对吃水深度的增加，波浪都会越过模型，所以消浪效果不明显。在宽度B=1.68 m和B=2.52 m时，透射系数随相对吃水深度q/L的变化趋势相同，在吃水深度q/L由0.04增大到0.05时，透射系数到达最小值，这是因为对于浅水，由于浅水效应，波能能量可分布在整个水深范围内（大部分集中在水面附近）。此外，更为重要的一个现象：该模型对于单频波而言，透射系数随相对吃水深度的增加（相对吃水深度在0.02～0.12范围内变化时）呈现波动，这是因为对单频波浪而言波浪本身的特性也影响着模型的消浪效果。

图4 透射系数随相对吃水深度q/L变化

2.3 相对水平净间距S/L对透射系数的影响

水深不变（d=0.5 m），在波高分别为0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m情况下，改变吃水深度，分别取0.05 m，0.09 m，0.12 m；改变周期，分别取0.8s、0.9 s、1.0 s、1.1s；改变两排模型（每排模型宽B=0.84 m）水平净间距，分别取0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m。图5(a)(b)(c)为在三种吃水深度情况下，透射系数随相对水平净间距S/L的变化曲线，从图中可以看出透射系数Kt与S/L之间呈非线性关系[10]，但是这种变化趋势不明显，说明改变水平净间距S/L都对消浪效果没有太大的影响，这是因为每排模型的宽度（B=0.84 m）小于波长(Lmin=1.0 m)，当它们有间距时波浪很容易越过模型。图5（d）为在吃水深度q=0.05 m和宽度B=1.68 m，改变周期分别为0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s时，透射系数随相对宽度B/L的变化曲线，由图4(a)(d)可以看出模型呈整体性（B=1.68 m）比分开成两个等宽度有间距的消浪效果比较好，这是因为在相同波况下，改变水平净间距只是改变模型的前后距离，模型的相对宽度并没有改变，而模型宽度比波长短时，消浪效果比较差。

图5 透射系数随相对水平净间距S/L变化

2.4 波陡H/L对透射系数的影响

水深（d=0.5 m）和宽度(B=1.68 m)不变,在吃水深度分别为0.05 m，0.09 m，0.12 m情况下，改变波高，分别取0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m；改变周期，分别取0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s；图6给出了在四种周期下，不同相对吃水深度时透射系数随波陡H/L的变化曲线，由图可见随着波陡H/L的增大，透射系数Kt呈先减小后增大的趋势，但是变化的范围很小都在10%之内，所以波陡H/L对透射系数Kt的整体影响不是很明显，这是因为当吃水深度超过波高的50%时，波高对透射系数的影响不是很大[11]。

图6 透射系数随波陡H/L变化

3 结论

本文通过物理模型试验得出了在不同规则波波要素情况下的透射系数Kt，用以研究半潜式废旧轮胎消浪结构的特性，发现此模型确有较佳的消浪效果。

（1）相对宽度对透射系数有很大的影响，在相对宽度B/L大于0.6时，随着宽度的增加，模型的消浪效果越好，因此增大模型的宽度是提高模型消浪效果最重要的因素。

（2）该模型在宽度B=0.84 m时，相对吃水深度对透射系数的影响不明显，在宽度B=1.68 m和B=2.52 m时，透射系数随相对吃水深度q/L的变化趋势相同，在吃水深度q/L由0.04增大到0.05时，透射系数到达最小值。对于浅水效应，入水深度的增加消浪效果会很不明显，因此减少入水深度，可以有效提高消浪性能，减小透射系数。

（3）相对水平净间距对透射系数的影响规律不是很明显。反而没有整体性的消浪效果好。

（4）在模型潜入水中时，入水深度大于波高50%时，波陡H/L对透射系数的影响不是很大，这与前人做的试验类似。

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Study on Dissipating Characteristics of a Semi-submersible Structure

JIN Tao,SHANGGUAN Zi-chang*,ZHANG Meng
(College of Ocean and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

In this paper,considering the semi-submersible structure being made of a kind of discarded tires,physical model tests were conducted.Its wave dissipation characteristics in regular waves were studied;the variation trends of the transmission coefficient were analyzed with the variety of width,draft,net horizontal spacing and other factors of the structure.The results show that the transmission coefficient decreases with the increase of the width when the relative width is larger than 0.6,and decreases with the increase of the draft,and there is not an obvious relationship with the variety of the horizontal space.

physical model test;transmission coefficient;Semi-submersible;regular wave;discarded tires

U653.4

：A

：1008-2395(2016)06-0039-06

2016-09-30

国家蓝色学科（34/100713025）。

金涛（1987-），男，硕士研究生，研究方向：水工结构工程。

上官子昌（1959-），男，教授，博士，硕士研究生导师，研究方向：水工结构工程研究。