“十”形防波堤消波性能试验研究

陶佳伟 吴静萍 郑晓伟

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室2) 武汉 430063)

0 引 言

防波堤能阻断波浪冲击，维持港内水面平稳.近年来受到广泛关注的透空式防波堤，在具备上述功能的同时，其非沉底式的结构特点可以保证海水的交换功能，满足了绿色环保和可持续发展的要求，又因为摆脱了水深的限制，使得此种消浪结构物能够从近岸走向深海，为远洋作业的船只和平台提供消浪支持.

Hattori[1]通过物理模型试验，比较了同一水平板，分别位于自由表面、1/4水深、1/2水深处的透射和反射系数，得出了水平板位于自由表面时有最佳消浪效果的结论.Dattatri等[2]对水平板模型进行了系统的试验研究，结果表明，透射系数随着平板浸入水深的减小而减小，反射系数的变化则正相反.Patarapanich等[3]针对潜式水平板在规则和不规则波作用下的透射和反射特性进行了试验研究.试验结果显示，相对板宽B/L(B为水平板板宽，L为波长)在0.5～0.71，相对浸深d/h(d为模型浸入水下深度，h为水深)在0.05～0.15之间时，模型的透射系数最小.Neelamani等[4-5]提出了较为合理的T形和⊥形防波堤结构，且对其开展了系统的试验研究，结果发现两种结构都具有一定的消浪效果，但两者的消浪机理和擅长消减的波浪类型有所不同，并据此提出了优化和组合两种模型消浪优势的构想.

何军等[6]通过构建数值波浪水槽，对T形防波堤与波浪的相互作用进行了数值模拟.王国玉等[7]对T形防波堤的消波性能进行了基于特征函数展开法的计算研究.目前国内外学者在透空式防波堤的消浪性能方面取得了一定的研究成果，在已有的基础上设计和优化出新式的防波堤结构是值得研究的.本文在前人的研究成果基础上，以结合T形和⊥形防波堤结构为出发点，设计出“十”形防波堤，通过物理模型试验，对该模型的消波性能进行研究.

1 试验布置与方法

试验在武汉理工大学流体力学实验室的波浪水槽(长×宽×高为18 m×0.6 m×0.8 m)中进行.试验水深0.5 m，使用推板造波机造波，水槽尾端则采用U形消波段消波.图1为水槽示意图和安装试验模型后的水槽照片.

图1 试验水槽

在模型前后各放置两具SDA1000型浪高仪记录波高数据，其量程为40 cm，误差在0.5%以内.浪高仪的放置应满足下列要求：堤前浪高仪与造波板至少距离1倍最大波长，使水波与模型作用前能充分发展，堤后浪高仪应尽量靠近防波堤，以减小水槽尾部反射波的影响.

通过将堤后的波高数据进行傅里叶变换，得到相应的透射波频域图，见图2.读取主要频率下的透射波高Hi与入射波高H相比求出透射系数Kt.

图2 透射波高频域图

“十”形防波堤模型由有机玻璃板拼接而成，板厚6 mm，水槽宽度方向0.595 m，水平板板宽0.3 m，竖直板板高0.15 m.通过金属细杆与水槽上方的金属支架相连接，支架可根据试验的需要调整竖直方向高度.模型试验参数见表1.

表1 “十”形防波堤试验参数

2 试验结果与分析

通过改变模型浸水深度、水波波陡，以及波长等参数，进行系列试验.分析相对浸深、波陡、相对板宽等无因次化参量对透射系数的影响.图3为在浸深d分别为0和0.05 m时，透射系数Kt随相对板宽的变化.

图3 相对板宽对透射系数Kt的影响

由图3可知，在不同波陡条件下，“十”形防波堤的透射系数随水平板相对板宽B/L的增大而减小.这一趋势和文献[4]的T形防波堤试验结果以及文献[7]的解析解结果相同.由图3b)可知，当浸水深度d=0.05 m时，模型的整体透射系数均处于较低值，相对板宽B/L>0.2时，模型透射系数已降至0.2以下，取得了较好的消浪效果.而当相对板宽B/L>0.25之后，透射系数的下降趋势变缓，此时若进一步增加水平板宽度，收效将不会明显.

图4为在浸深d分别为0和0.05 m时，透射系数Kt随波陡的变化.

图4 波陡对透射系数Kt的影响

由图4可知，当kh一定时，波陡越大，“十”形防波堤的透射系数越小.观察图4b)，模型透射系数的变化较为平缓，最小波陡0.02与最大波陡0.08之间的透射系数相差不超过0.1，由此可见波陡对防波堤透射系数的影响较小.

图5为在波陡分别为0.02和0.06时，透射系数Kt随相对浸水深度的变化.

图5 相对浸深对透射系数Kt的影响

由图5可知，在不同波长条件下，模型透射系数随浸深的变化趋势是一致的：相对浸深d/h<0.1时，透射系数随浸水深度的增加而减小，在d/h=0.1时，达到最小值，此时的透射系数可以控制在0.2左右.而当相对浸深d/h超过0.1之后，透射系数随浸深的增加而增加.当相对浸深增加到0.15时，模型的透射系数回升到d/h=0.05时的水平.

3 试验结果比较

为了充分评价“十”形防波堤的消浪性能，将试验数据与文献[4]中的T形防波堤试验结果进行了比较.

由于试验水深不同，选用浸深板高比d/D来代替相对浸深d/h作为无因次化参量进行比较. 选取T形防波堤工况d/D=0.4，相对板宽B/L分别为0.217、0.32.“十”形防波堤的试验结果取，浸深板高比d/D=0.333，相对板宽B/L分别为0.214、0.3.比较结果见图6.

图6 相对浸深对透射系数Kt的影响

由图6可知，当防波堤进入水中一定深度的情况下，“十”形防波堤的透射系数远低于T形防波堤，其透射系数可控制在0.4左右.两模型的透射系数随波陡的变化基本一致，随着波陡的增加而降低.

图7以d/D为变量，探究两模型透射系数的变化.

图7 相对浸深对透射系数Kt的影响

由图7可知，当d/D=0时(即水平板处于静水面位置时)T形防波堤的消浪性能是略优于“十”形防波堤的.文献[6]能很好的作出解释：当“T”形防波堤的水平板位于静水面时，黏性波能损耗为防波堤消浪的主要形式，而此时“十”形防波堤的迎浪面水平板宽度只有T形防波堤的一半，因此消浪效果减弱.

不过，随着相对潜深的增加，“十”形防波堤的透射系数快速减小，在d/D=0.667时出现极小值，这时其透射系数可降至0.3以下，消浪性能远优于“T”形防波堤.当d/D=1时(竖直板完全浸入水下时)透射系数虽有所回升，但任在0.5以下.由图7可知，“十”形防波堤的透射系数较T形防波堤要小，消浪性能更优.

4 结 论

1) 相对板宽对防波堤的消浪性能有较大影响，相对板宽越大，消浪效果越好.当B/L>0.25时，板宽对透射系数的影响不再明显.

2) 波陡越大，“十”形防波堤的透射系数越小，但变化趋势并不显著.

3) “十”形防波堤在相对浸深为0.1时，透射系数最小，对于不同波长的水波，透射系数均能控制在0.2左右，取得了较好的消浪效果.

4) 当水平板位于自由表面时，“十”形防波堤的消浪效果略逊于T形防波堤.不过在其他条件下，“十”形防波堤的消浪性能更优.

[1] HATTORI M. Wave transmission from horizontal perforated plates[C]. Proceedings of the 22ndConference on Coastal Engineering, Japan,1975.

[2] DATTATRI J, SHANKAR N J, RAMAN H. Laboratory investigations of submerged platform breakwaters[C]. Proceedings of the 17th Congress of the IAHR, Baden, Germany,1977.

[3] PATARAPANICH M, CHEONG H F. Reflection and transmission characteristics of regular and random waves from a submerged horizontal plate[J]. Journal of Coastal Engineering,1989(8):161-182.

[4] NEELAMANI S, RAJENDRAN R. Wave interaction with T-type breakwaters[J]. Ocean Engineering,2000,29(2):151-175.

[5] NEELAMANI S, RAJENDRAN R. Wave interaction with ‘⊥’-type breakwaters[J]. Ocean Engineering,2002,29: 561-589.

[6] 何军,蒋昌波,李冬,等.T形防波堤与波浪相互作用数值研究[J].海洋工程,2010,28(1):50-58.

[7] 王国玉,黄璐.T形透空式防波堤消波性能的理论分析[J].水利水电科技进展,2014,34(2):1-5.