半潜直立筒式消浪结构性能的试验研究

荆佳莹，上官子昌，刘大年

（大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

半潜直立筒式消浪结构性能的试验研究

荆佳莹，上官子昌*，刘大年

（大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

在加强海水交换及不影响海域景观的前提下，基于物理实验模型提出了一种半潜直立筒式消浪结构，并对其在不同参数的规则波作用下的消浪效果进行了研究。主要从波浪周期、入射波波高、模型排数、间距及下潜深度的变化来探究其消浪性能。试验结果表明，此消浪结构具有良好的消浪效果，在一定程度上可以缓解海岸侵蚀现象的发生，为今后推广应用提供依据。

半潜；试验研究；消浪性能；透射系数

0 引言

世界上第一个浮式防波堤当属1811年在英国Plymouth港安放的木质浮式防波堤[1]。日本的第一个防波堤安置在Aomori港，1976年又在日本福山建成了矩形浮箱式浮堤正式应用[2]。我国由南京水利水电科学研究院研制的浮式导航防波堤于1962年应用在丹江口水库中[3]。Hales[4]和Mc Cartney[5]分别阐述了浮式防波堤的发展历史及其应用。董国海等[6]提出一种新型的板-网浮式防波堤，用于保障深水养殖网箱在风浪中的安全。程永州等[7]通过探讨了一种新型防波堤上下层平板的相对间距及格栅板间隙比等参数得出上下各格栅板间隙比为0.1时，消浪效果最佳。王登婷等[8]对竹排浮式消浪结构进行了模拟实验并结合众多学者的研究成果导出了改进后的透射系数公式。杨彪等[9]提出双浮箱-双水平板式浮式防波堤，并与双浮箱浮式防波堤进行对比。吴静萍等[10]提出一种用圆形模板漂浮在水面上的浮漂式防波堤。一些学者也进行了不同形式的消浪结构的试验，比如新型柔性浮式防波堤[11]，多孔浮式防波堤[12]，T形透空式防波堤[13]等，本文在浮式消浪结构的基础上设计了一种半潜直立筒式消浪结构，此结构不仅有较强的海水交换性能和较高的性价比；对地基的要求低，可以在软土海床上进行建造，安放位置很容易改变；其制作工艺相对简单，浮体、锚具都易制得[14]。而且此模型全部潜入水下，不会对海域景观产生破坏，其下部系上网兜的设计可以养殖贝类等，带来经济效益。

上述研究表明这种新型半潜式消浪结构有很好的应用前景，本文针对此半潜直立筒式消浪结构进行了物理模型试验研究，分析了周期、波浪、间距、下潜深度等因素对半潜直立筒式消浪结构的波浪透射系数的影响，为以后工程上的实际应用提供参考依据。

1 试验设备及仪器

试验在大连海洋大学辽宁省海岸工程重点实验室的波浪水槽（总长40 m，宽0.7 m，高1 m）中进行。水槽一端装有造波机，可产生单向规则波、不规则波，且产生的波形平稳重复性好；水槽另一端设有多层消波网以减少波浪反射。水槽两端为透明钢化玻璃，方便对试验情况进行观察。造波机由微机系统控制且可进行试验数据的自动采集和分析，波浪的测量采用DS30型64通道波高仪。这些仪器和设备在试验前后进行标定，满足试验所需的灵敏度和稳定度的要求，为半潜直立筒式消浪结构物理模型试验的成功提供了必要保证。

2 试验波要素

试验针对规则入射波，综合考虑试验设备条件、造波机所能产生的最大波高且保证波浪不破碎等因素，并按照重力相似准则确定试验波要素。试验采用水深d=0.65 m，波高H=0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.10 m，波浪周期分别为0.7 s、0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s，模型比尺1∶30，分别对应实际波高为1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m，对应实际周期为3.83 s、4.38 s、4.93 s、5.48 s、6.02 s。

3 试验模型

此次模型单元体采用直径为32 mm的空心圆管，为了增大其浮力，在圆管的两端分别用直径为32 mm的泡沫圆柱填充，并在顶端用涂有防水胶的盖子密封，单元体下端系上网兜，装入等重量的石子以平衡浮力（图1）。单元体和单元体之间采用柔性连接，横向单元体间距离为3 cm，纵向距离为12 cm和18 cm。

图1 半潜直立筒式消浪结构模型Fig.1 Semi-submerged verticalcylinder type wave dissipation structure model

如图2所示，试验水槽一端是造波机，另一端是消浪装置，将模型布置在水槽中间位置，距离造波机20 m。堤前布置2个波高仪，1号与2号波高仪间距为1 m，2号波高仪布置在距离模型1倍波长处，用于测模型前端入射波高；堤后布置2个波高仪，3号、4号波高仪布置在距离模型后端1.8 m处，用于测定透射波高的变化。每组试验重复3遍，取平均值作为最后试验结果。试验中采用的采样间隔为0.02 s，采样个数为1 024个。试验中的模型布置如图1所示。模型布置方案见表1。

图2 模型试验示意图Fig.2 Sketch ofmodelexperiment

表1 模型布置方案Table 1 Modellayout plan

4 试验结果分析

4.1 周期T对透射系数的影响

图3～图6为半潜直立筒式消浪结构在不同周期下透射系数的试验结果。试验结果表明，透射系数随着周期的增大而增大；当大波高、大周期的情况下，透射系数最大可达到0.9左右，其消浪效果不明显。

图3 波高对透射系数的影响Fig.3 Effectofwave height on transmission coefficient

图4 布置排数对透射系数的影响Fig.4 Effectofrow number on transmission coefficient

图5 布设排间距对透射系数的影响Fig.5 Effect of row spacing on transmission coefficient

图6 下潜深度对透射系数的影响Fig.6 Effect of water depth on transmission coefficient

4.2 波高H对透射系数的影响

图3为半潜直立筒式消浪结构在不同波高下透射系数的试验结果。即实行布置方案二的消波性能观测。从图中可以看出，波浪透射系数基本上随着波浪周期的增大而增大，但随着波高的增加，透射系数增幅较小，基本在1%～2%之间，这说明波高对透射系数的影响不大。

4.3 模型布置排数对透射系数的影响

物理模型试验进行了半潜直立筒式消浪结构布置方案一时的消波性能观测。图4比较了不同布设排数下透射系数的试验结果，分为8排、12排、16排3种情况，采用的排间距为12 cm，每增加1排布设长度增加0.152 m。通过图4试验结果表明，随着排数的增加，波浪的透射系数逐渐减小，消浪效果显著；当排数减小到8排的时候，模型长度为1.096 m，周期为1.1 s，这时的透射系数已经接近0.9左右，其原因是当周期增大到1.1 s时，单个波长已经大于模型长度，波浪越过模型，破碎很少，所以基本无消浪效果。

4.4 模型布置排间距对透射系数的影响

物理模型试验进行了半潜直立筒式消浪结构布置方案一16排时的消波性能观测。图5给出了在模型总排数为16排，每排间距分别为12 cm、18 cm时的透射系数对比图。图中试验结果显示，透射系数随着布置排间距的增加而减小。从图5中发现，当布设排间距为16 cm时（即布设长度为3.21 m）时，周期大于1 s时波浪几乎70%～80%透过，模型对短波消浪效果显著。

4.5 模型下潜深度对透射系数的影响

物理模型试验中进行了半潜直立筒式消浪结构在模型布置方案三时的消波性能观测。图6为模型采用16排，其排间距为18 cm，下潜深度分别为0.00 m、0.03 m、0.06 m时的透射系数测试结果。试验结果表明，下潜深度对透射系数的影响比较明显，随着入水深度的增加而增大。当下潜深度为0.06 m时，随着周期的增大，透射系数的线形增长较明显，当周期0.9 s时，线形变化更明显。

4.6 波陡对透射系数的影响

波陡是波高H与波长L的比值，表示了波浪波动的平均斜率。图7为模型排数8排、12排、16排时透射系数的测试结果。当波高为0.06 m时，8排、12排和16排的透射系数随着波陡的增加而逐渐减少，在波高为0.09 m、H/L为0.07时，8排和12排的透射系数很接近，反映出半潜直立筒消浪结构的透射系数随着相对波陡的变化规律存在相似关系。随着波陡的增加16排的透射系数较8排的减小了0.5左右，效果明显，也就是模型对短周期的消波效果明显。

图7 波陡对透射系数的影响Fig.7 Effect of wave steep on transmission coefficient

5 结语

本文针对此半潜直立筒式消浪结构进行了物理模型试验研究，分析了周期、波浪、间距、下潜深度、波陡等因素对半潜直立筒式消浪结构透射系数的影响。试验结果表明，周期对模型透射系数的影响很大，随着周期的增大模型的消波效果越来越明显；增大排数和排间距可有效增强模型的消浪性能；而随着入水深度的增加，也会使得消波性能减弱，但是当模型的下潜紧贴水表面（即0 m）时，试验结果很理想，最佳透射系数仅为10%左右。

[1]READSHAWJS.The design offloating breakwater[C]//Proceeding ofsecond conference on floating breakwaters,Seattle,1981.

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[3]严恺.海港工程[M].北京：海洋出版社，1996：358. YAN Kai.Harbor Engineering[M].Beijing:China Ocean Press, 1996:358.

[4] HALES L Z.Floating breakwaters:state-of-the-art literature review[R].Vicksburg,Mississippi,USA:US Army EngineerWaterways Experiment Station,1981.

[5]McCARTNEYBruce L.Floating breakwater design[J].Journal of Waterway Coastal and Ocean Engineering,1985,111(2):304-318.

[6]董国海，郑艳娜，李玉成，等.板-网结构浮式防波堤消浪性能的试验研究[J].工程力学，2006，23（7）：142-146. DONG Guo-hai,ZHENG Yan-na,LIYu-cheng,etal.Experimental study on wave dissipation coefficient for board-net floating breakwater[J].Engineering Mechanics,2006,23(7):142-146.

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[13]黄璐.T型透空式防波堤消波性能分析[D].大连：大连理工大学，2013. HUANG Lu.Analysis of wave dissipation performance of T type perforated breakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology, 2013.

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Experimental study on the performance of semi-submerged vertical tube wave dissipation structure

JING Jia-ying,SHANGGUAN Zi-chang*,LIU Da-nian
（College of Ocean and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian,Liaoning 116023,China）

Based on the physical experiment model,we proposed a kind of semi-submerged vertical cylindrical waveeliminating structure under the premise ofstrengthening seawater exchange and without affecting the landscape of the sea area, and studied the effect of regular waves in different parameters.The wave period,incident wave height,model row number, spacing and dive depth were investigated to explore its wave dissipation performance.The test results show that the wave dissipation structure has a good effect of eliminating waves,which can relieve the occurrence of coastal erosion to a certain extentand provide the basis for future popularization and application.

semi-submersible;experimental study;wave dissipation performance;transmission coefficient

U652.74

A

2095-7874（2017）02-0038-04

10.7640/zggwjs201702008

2016-09-13

2016-11-11

海洋公益海域评估（34/041114027）

荆佳莹（1990— ），女，辽宁抚顺人，硕士研究生，水利工程专业。

*通讯作者：上官子昌，E-mail：599141207@qq.com