锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤试验研究

董华洋，王永学，陈燕珍

（1.国家海洋局大连海洋环境监测中心站，辽宁　大连　116001；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁　大连　116024）

锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤试验研究

董华洋1，2，王永学2，陈燕珍1

（1.国家海洋局大连海洋环境监测中心站，辽宁大连116001；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024）

文章通过物理模型试验，对一种新型浮式防波堤即锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系数及其影响因素进行研究。主要探讨改变水平板层数和浮箱吃水深度（即相对吃水）对锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤透射系数的影响。试验结果表明，锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系数要小于相同锚泊方式的单一浮箱浮堤模型的透射系数。此外，浮堤模型的吃水深度对透射系数有重要影响，吃水深度大，消波效果好。

浮式防波堤；水平板；物模试验；锚链锚泊

0　引言

浮式防波堤主要是利用其浮体部分消减集中在水体表面2~3倍波高厚度水层内的波能。其优点包括[1-2]：造价低廉，易于海水交换，适宜软土地基，同时具有工期短、易拆卸等特点。因此浮式防波堤可用于海上工程施工现场的掩护、水产养殖设施的保护等，兼具保持良好水质交换和节省投资的双重效果。

学者们对不同型式的浮式防波堤的消波性能进行了研究。王环宇和孙昭晨[3]提出了由多菱形模块拼装而成的多孔浮式防波堤结构并对该结构进行物理模型试验。试验结果表明，该结构形式的浮堤以消耗波能为主、阻挡反射为辅，消波效果好且受波浪力小。文均锋[4]以方箱结构为例，分别开展了波浪与单方箱和两方箱系统运动响应的物理模型试验。董华洋等[5]对锚链拖地长度不同的矩形箱式浮防波堤的透射系数、运动响应和锚链受力进行了物模试验研究，为工程实际应用提供了参考。侯勇等[6]提出了一种由开孔圆弧、矩形方箱组成的锚链锚泊浮式防波堤，通过物理模型试验研究了该浮堤的消浪性能、运动、锚链力等，结果证明该浮式防波堤的消浪效果良好。刘海成等[7]对新型的凹菱形浮式防波堤的消浪性能进行了物理试验研究，并与现有的浮箱式、废旧轮胎式、浮筏式等浮式防波堤进行了对比。结果证明消浪效果良好。郑启航等[8]提出了一种新型的框架带孔薄膜浮式防波堤单元体。采用物理模型试验方法，对防波堤的消波效果和使用性能进行了研究，波浪的消波系数均达到0.4~0.6，消浪效果较好。郑艳娜等[9]用数值模拟的方法研究了不规则波对固定方箱浮式防波堤的受力进行了计算并与规则波结果进行比较。结果表明不规则波作用下，单位宽度方箱垂向受力最大值大于水平向受力最大值；与规则波情况下相比，方箱水平向受力变化幅度减小，垂向受力和横摇力矩幅值增加。

基于增加结构的阻尼以及破坏水质点运动轨迹的指导思想出发，本文提出了一种浮箱下加水平板的锚链锚泊浮式防波堤，称之为锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤，并对该种浮堤模型进行了物理模型试验。试验主要研究了规则波作用下，改变相对宽度、水平板层数和浮箱吃水深度（即相对吃水）等对锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤透射系数的影响。

1　物理模型试验

1.1试验设备

本试验是在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室内浑水水槽内进行的。水槽长度为56.0 m，宽度0.7 m，高度1.0 m。水槽的一端安装本实验室自制的液压驱动造波机，该造波机可产生波形平稳，重复性好的规则波，采用微机控制并配备数据采集系统；另一端装有消能网，可吸收波浪能量、减少波浪反射。试验前需测定波要素。波要素测定采用本实验室研制的DLY-1型测量仪，波高测量范围不小于0.3 m，绝对误差低于1 mm。波高数据采用天津水运工程科学研究所研制的2000型波浪测量和采集系统进行采集，其量程在200 cm以内，误差低于0.5%。为保证测得数据的精确性，试验前后均对所有测量仪器进行了标定和校准。

1.2试验模型设计

试验模型的设计依据重力相似准则，比尺为1︰30。浮箱和水平板均由有机玻璃制成。浮箱宽30 cm；高为2种，9 cm、18 cm；长44 cm，浮箱底部均匀配重保证模型达到设计吃水深度；所有水平板尺寸均为宽50 cm，厚0.5 cm，长44 cm。本文中所有模型的锚链布置完全相同，即锚链悬起部分长度为30.3 cm，拖地部分长为29.7 cm，导链孔处倾角为30°（图1）。锚链底端连接模拟原型刚度的弹簧，弹簧刚度为k=17.64 N/cm。试验模型的具体参数见表1，model 1和model 4为单一浮箱模型，设置这两个模型是为了与浮箱-水平板式浮防波堤模型进行比较，model 2、model 3、model 5和model 6为浮箱-水平板式浮防波堤模型。

模型置于水槽的中部，前后端各布置2个浪高仪，记录堤前和堤后的波面数据。玻璃隔板的厚度为8 mm，距槽壁一端为0.45 m。整体布置见图2。

图1　浮式防波堤模型示意图Fig.1　Diagrammatic sketch of a floating breakwater model

表1　试验模型参数Table 1　Parameters of experimental models

图2　试验布置示意图（单位：cm）Fig.2　Diagrammatic sketch of experimental setup（cm）

1.3试验工况

试验工况设计采用重力相似准则，按比尺1︰30考虑。试验水深为0.4 m，对应原型水深为12 m。试验为正向入射规则波，入射波高设为2种，0.07 m和0.10 m，对应原型波高分别为2.10 m和3.00 m。周期设置0.81 s、0.91 s、1.10 s、1.28 s、1.46 s、1.55 s范围内的6个波周期，对应原型周期为4~8.5 s。对应的相对宽度W/L（模型宽度/波长） 为 0.297、0.241、0.176、 0.142、0.119、0.110。对于每一种模型，每组波要素重复3次，取3次试验结果平均值。

2　试验结果及影响因素分析

2.1水平板层数与相对宽度对浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系数的影响

第一组model 1~model 3浮箱高度均为18 cm，区别在于水平板层数不同（表1）。透射系数的试验结果如图3所示。第二组model 4~model 6浮箱高度均为9 cm，区别在于水平板层数不同，透射系数的试验结果如图4所示。

由图3与图4，浮箱-水平板浮堤模型与单一浮箱模型透射系数随相对宽度（W/L）的变化规律一致，均是随W/L的增加而减小。入射波高不同对浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系数影响不大；尽管浮箱高度不同，但浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系数均小于相应的单一浮箱模型，特别是浮箱高度为18 cm的浮箱-水平板浮堤模型（model 3）透射系数比单一浮箱模型（model 1）透射系数最多减小0.2；在相对宽度较小即波浪周期较长时（本试验周期为1.28~1.55 s），比较透射系数，浮箱-水平板浮堤模型比相应的单一浮箱模型减小了0.1。模型下部的水平板由1层增至2层，透射系数减小的幅度没有无板至1层板情形明显。

图3　浮箱-水平板模型透射系数（浮箱高度18 cm）Fig.3　Transmission coefficients of pontoon-plates floating breakwater model(The height of the pontoon is 18 cm)

图4　浮箱-水平板模型透射系数（浮箱高度9 cm）Fig.4　Transmission coefficient of pontoon-plates floating breakwater model(The height of the pontoon is 9 cm)

分析来看：比较浮箱加1层板浮堤模型透射系数小于单一浮箱模型透射系数的原因是由于增加水平板使得防波堤模型入水深度增加，同时水平板破坏了水质点的运动轨迹。而增加至2层水平板导致入水深度又进一步增加，但是波浪能量多集中在水体表层，越接近水底波浪能量越小，所以第2层水平板的挡浪效果也减弱。由此可见浮箱-水平板式浮防波堤模型确实比单一浮箱模型的消浪效果好。此外，水平板的厚度很小，仅为5 mm，所以即使增加了水平板，模型受到的水平向波浪力增加量很小，仅由于板的宽度50 cm而浮箱宽度30 cm使得竖向波浪力增加，也导致锚链受力有所增加。

2.2浮箱吃水与相对宽度对浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系数的影响

分别对第3组模型model 3与model 6的透射系数试验结果及对第4组模型model 2与model 5透射系数试验结果进行比较，结果见图5、图6。

图5　浮箱+2层水平板模型透射系数Fig.5　Transmission coefficient of pontoon-two plates floating breakwater model

图6　浮箱+1层水平板模型透射系数Fig.6　Transmission coefficient of pontoon-one plate floating breakwater model

model 3和model 6的区别在于model 3浮箱吃水深度为13.5 cm，model 6浮箱吃水深度为6.75 cm。其余参数相同：水平板层数为2层，水平板宽度为50 cm，第1层水平板与浮箱间距离均为4.5 cm，水平板间距离为4.5 cm（表1）。

model 2和model 5的区别在于model 2浮箱吃水为13.5 cm，model 5浮箱吃水为6.75 cm。其余参数相同：水平板层数为1层，水平板宽度为50 cm，水平板与浮箱间距为4.5 cm。

由图5和图6，无论浮箱+2层板模型，还是浮箱+1层板的模型，浮箱吃水深度大的透射系数均小于浮箱吃水深度小的。这是由于浮箱-水平板式浮防波堤模型中浮箱部分阻挡波浪机理比较复杂，概括起来主要是依靠浮堤对波浪的反射且与波浪间的摩擦进行消波。因此浮箱的吃水深度（即相对吃水）对透射系数的影响很大。不同入射波（7 cm、10 cm）作用下，同一模型的透射系数试验结果相差很小。

3　结语

本文通过物理模型试验对一种新型锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系数及其影响因素进行了系统研究。试验共设置6个模型，主要研究了改变水平板层数和相对吃水对锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系数的影响。

1）研究试验结果发现高度为18 cm的浮箱下设1层水平板的浮堤模型，其透射系数较浮箱式浮防波堤模型的透射系数最多可降低约0.2。浮箱

下部的水平板增加至2层，透射系数进一步减小，但减小值约为0.05。浮箱高度为9 cm的锚链锚泊的浮箱-水平板式浮防波堤模型和浮箱式浮防波堤模型透射系数的比较结果与浮箱高度为18 cm的模型相似。

2）改变浮箱部分的吃水深度即相对吃水也对浮箱-水平板式浮堤的透射系数有明显影响，即吃水深度越大，浮堤模型透射系数越小，说明其阻波和消波效果越好。

3）本文试验所设置的6个模型，浮箱高18 cm的锚链锚泊浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系数试验结果最小。

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Experimental study on mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters

DONG Hua-yang1,2,WANG Yong-xue2,CHEN Yan-zhen1
（1.Dalian Marine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Dalian,Liaoning 116001,China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China）

Wave flume experimental study on the transmission coefficients and the influence of mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters was carried out in regular waves.The influences of the number of plates and the draught of pontoons(i.e.relative draught of pontoon)on the transmission coefficient of the mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters were investigated.The experimental results indicate that the mooring chain restrained pontoon-plates floating breakwaters has better ability of wave dissipation than mooring-chain restrained pontoon floating breakwaters. Additionally,the draught of pontoon is an important element on transmission coefficient.Increasing the draught of pontoon, better ability of dissipating wave is obtained.

floating breakwater;plate;flume experiment;mooring-chain restrained

U656.24

A

2095-7874（2016）05-0025-05

10.7640/zggwjs201605007

2015-12-10

2016-03-19

国家自然科学基金项目（50479054）

董华洋（1979— ），女，辽宁鞍山市人，博士，工程师，主要从事海上防灾减灾研究。E-mail：dhy791224@sina.com