半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构规则波下的试验研究

刘大年 上官子昌 王志云

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构规则波下的试验研究

刘大年 上官子昌*王志云

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

在不影响海域景观达到消减波浪缓减海岸侵蚀目的下，基于物理实验模型提出了一种半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构，并从波浪周期、入射波波高、模型排间距、下潜深度、模型排间排列方式对其在规则波作用下的消浪效果进行了研究。试验结果表明，此消浪结构具有良好的消浪效果，能够在一定程度上缓解海岸侵蚀。

半潜,消浪结构,消浪效果

0 引言

近年来，随着海洋工程理论和技术的不断发展和成熟，消浪设施已经由以前的浅海和近海逐渐发展到深海和远海。传统的消浪设施(如：直立式防波堤、斜坡式防波堤)造价大、成本高，且因其坐地式结构特点，使其所保护的水域水体的循环受到限制，影响近海生态。浮式、半潜式消浪装置具有很强的海水交换能力，不容易产生淤泥且造价低，更容易适应于近海和远海作业。

阮成江、谢庆良论述了我国主要海岸侵蚀区的侵蚀现状、特点及原因。并提出海岸侵蚀的防治对策：“保堤必须保滩”“全线防护变成线段防护”，在不同地区建造丁坝、浅堤、护坎坝、离岸堤以及它们的相互组合形式[1]。何超勇、王登婷通过物理模型试验，探讨矩形方箱锚链锚泊浮式防波堤在规则波作用时，投射系数随浮箱宽度、吃水深度、锚链初始张力等因素的变化规律[3]。严建国、戴小平利用特征函数法对矩形浮箱式放浪堤的消浪性能进行分析，分析了浮堤的水动力特性，确定浮堤的消浪性能[4]。江沭淮、周效国分析了透空式防波堤提出的背景及应用前景，阐述了透空式防波堤理论研究、试验研究及工程应用进展[5]。蒋昌波、袁盛良等对透空箱体浮式防波堤消浪特性进行实验研究，分析了浮式防波堤在规则波作用下防波堤透射系数与模型顶板相对入水深度、相对板间距、相对板长以及顶板开孔的关系[6]。汪宏，徐洪彬，宣刚提出了一种由消浪块体、柔锁和锚链系统组成的新型柔性浮式防波堤结构形式[7]。Mizutani和Rahman对于带有穿孔结构的平板锚泊结构的箱式消浪结构进行研究。本文在以上基础上考虑到保护海洋景观等因素设计了一种半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构，此结构不仅造价低，环境适应性强，易于施工且具有较好的海水交换能力。内部设计的球型网箱可以作为养殖箱来养殖贝类等，带来经济效益。

1 试验设备及仪器

试验在中国水产科学院江苏试验基地的波浪水槽(总长60 m，宽1 m，高1.5 m)中进行。水槽一端装有可以产生单向规则波、不规则波的造波机，造波机产生的波形平稳且重复性好；水槽另一端布置消浪网用以减少波浪的反射；水槽的两边为透明的钢化玻璃，有利于对试验情况的观察。造波机由微机系统控制且能够对试验数据进行自动采集和分析，波浪的测量仪器用DS30型64通道波高仪。仪器和设备在试验前进行过标定，能够满足试验所需的灵敏度和稳定度的要求，为本次模型试验的成功提供了必要保证。

试验水槽一端是造波机，另一端是消浪网。模型前后分别放置两个波高仪，编号分别是1,2,3,4。2号波高仪放置在距模型前段2 m处，1号波高仪放置在2号前段1.5 m处，用于采集入射波高数据；3号波高仪放置在模型后端2 m处，4号放置在3号后端1.5 m处，用于采集透射波高数据。

2 试验物理模型及布置

如图1所示，此次物理模型，由若干个相互连接的单元体组成的群式消浪装置。单元体由8个内径16 mm外径20 mm三通直角管两两连接，连接处进行密封处理，制作成边长为100 mm的透空六面体型块体。透空块体内部有直径是80 mm的球型网箱。透空块体下面四角处分别固定有一个小挂环，用于模型的下潜与固定，单元体之间的连接方式采用柔性连接。整个模型共有15排6列，单元体间的横向间距固定为60 mm，纵向排间距有50 mm,100 mm,150 mm；每排单元体处在同一下潜深度的规则排列和偶数排较单数排相对下潜20 mm的121型的错位排列。

此次试验针对规则入射波，结合试验设备的条件(造波机产生最大波高且保证波浪不破碎等因素)，并按照重力相似的准则来确定试验波的要素。试验采用水深d=0.9 m,波高H=0.05 m,0.06 m,0.07 m,0.08 m，波浪周期采用0.7 s,0.8 s,0.9 s,1.0 s，确定模型比尺是1∶30。具体试验方案见表1。

表1 试验方案

3 试验数据分析

本文重点讨论此半潜嵌入球箱透空式块体在规则波作用下透射系数的变化及消浪效果的试验研究。透射系数Kt=Ht/Hi，其中,Hi为堤前入射波高；Ht为堤后波高。

图2～图7是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在按照表1试验方案探讨波高、下潜深度、排间距、排间排列方式对透射系数的影响以及下潜深度对布设排间排列方式消浪性能的影响的试验结果分析。

3.1周期T对透射系数的影响

结合图2～图7试验结果分析，结果表明：透射系数随着周期的增大而增大。当周期为1.0 s，波高0.08 m时，消浪效果依然能达到45%作用，此消浪结构消浪效果明显。

3.2波高对透射系数的影响

图2是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在排间距15 cm、下潜深度0 cm、排间采用规范排列的方案下，在不同波高下对透射系数影响的试验结果。由图2可看出，随着波高的增大，波浪透射系数先变小后变大，但波高每变化0.01 m透射系数的变化范围基本在2%以内,说明波高对透射系数的影响不大。

3.3下潜深度对透射系数的影响

图3是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在排间距15 cm、排间采用规范排列的方案下，在不同下潜深度下透射系数的试验结果。由图3可以看出，在下潜2 cm下，透射系数比在下潜0 cm和2 cm下时的透射系数小，且透射系数随周期变化的线性增长没有在下潜0 cm和下潜4 cm时的线性增长明显。即此消浪结构在下潜2 cm时的消浪效果比在下潜0 cm和4 cm时的效果好。下潜2 cm和4 cm时，在大波高大周期作用下，消浪效果依然能达到45%左右，消浪效果明显。

3.4纵向排间距对透射系数的影响

图4是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在下潜0 cm，排间排列采用规则排列的方案下，在不同排间距下的透射系数的试验结果。由图4可以看出，透射系数随着排间距的增大而减小。即此消浪结构的消浪性能与排间距成正比，随排间距的增大而增大。

3.5布设排间排列方式对透射系数的影响

图5是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在下潜0 cm,排间10 cm的方案下，排间排列方式每排单元体在同一下潜深度的规则排列与偶数排较单数排相对下潜2 cm的121错位排列试验结果的对比。由图5可以看出121的错位排间排列方式的透射系数比规则排列的小，即错位方式的消浪性能比规则排列的消浪性能好，尤其在小波高小周期下，其消浪效果达到了80%。

3.6下潜深度对布设排间排列方式透射系数的影响

图6是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在波高0.08 m，排间距10 cm的方案下，在下潜0 cm和2 cm下每排单元体都距水面同一下潜深度的规则排列与偶数排较单数排相对下潜2 cm的121错位排列的试验结果的对比。由图6可以看出在下潜0 cm时，错位排列的透射系数比规则排列的小；在下潜2 cm时，错位排列的透射系数却比规则排列的大，其消浪性能反不如规则排列。

3.7波陡对透射系数的影响

波陡反映了波浪波动的平均斜率，其定义是：波高H与波长L的比值。图7是半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构在波高0.08 m，排间距分别是5 cm,10 cm和15 cm，下潜深度分别是0 cm,2 cm和4 cm方案下波陡H/L对透射系数影响的试验结果。由图7可以看出所有曲线都符合相同的规律：随着波陡的增大透射系数在减小。下潜2 cm，排间距是15 cm时的消浪效果最好，与前面在下潜深度和排间距对透射系数的影响得到的结论相一致。

4 结语

本文对此半潜嵌入球箱透空式块体消浪结构进行了在规则波作用下的物理模型试验研究，分析了波高、周期、下潜深度、纵向排间距、排间排列方式和波陡等因素对此消浪结构透射系数的影响。结果表明，波高对此消浪结构透射系数影响不大；随着周期的增大，模型的透射系数增大，在1.0 s周期下此模型消浪效果达到45%，消浪效果依然明显；随着下潜深度的增加，透射系数先减小后增大，即在某一下潜深度下，模型存在最大消浪性能；随着纵向排间距的增大消浪效果变好。

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[3] 何超勇，王登婷，冯卫兵.矩形方箱浮式防波堤消浪性能研究[J].水运工程,2014,1(487):14-18.

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Theexperimentalstudyonthehollowwavedissipationstructureofasemi-submersibleembeddedballboxintheregularwave

LiuDanianShangguanZichang*WangZhiyun

(InstituteofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

In order to break wave to protect coast without coastal landscape destruction, based on the physical experiment mode, a kind of semi-submersible embedded spherical block wave structure is proposed. In this paper the wave length, wave height, model row spacing, depth of submergence and model arrangement are studied. The experimental results show that the wave structure has a good wave effect.

semi-submersible, wave structure, wave effect

1009-6825(2017)30-0048-03

2017-08-16

刘大年(1990- )，男，在读硕士

上官子昌(1959- )，男，教授

U656.31

A