排桩式防波堤透浪效果试验研究

周明奎 ，张先波 ，2

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

在西非西海岸某港口项目中，由于长期面临长周期波浪的作用，需要在掩护条件下进行施工，结合现场条件，提出了在施工海域的外侧打排桩的方式，来营造好的施工条件。本次物理模型试验，结合当地的波浪条件，研究了排桩由于间距和层数不同对透浪效果的影响。

1 排桩布置及试验参数

排桩布置及试验参数分别见图1和表1。

2 理论计算

图1 排桩布置图Fig.1 Sketch of pile layout

表1 试验参数Table 1 Test parameters

Hayashi[1]从连续方程和伯努利方程出发，假定桩前波浪为浅水微幅波，那么由入射、反射和透射波浪引起的水质点水平的平均速度分别为：

式中：H为波高；k为波数；σ为波动角频率；h为水深；下角标i、R、T分别为入射、反射和透射。

根据伯努利理论，相邻两个排桩间透射水体的平均速度为：

式中：η为自静水位起水面的垂向位移；α为平均速度的修正因子；Cv为透浪水体系数。

所以，在排桩后侧的连续性方程如下：

式中：CC为透射水体的收缩系数。同时，假定ki=kR=kT，ωi=ωR=ωT，则波浪穿过排桩的透浪系数可以表达为：

当h/L趋近于0时，即为长波条件下，上述可近似表达为：

3 模型试验

3.1 试验比尺

试验在95 m×4 m×1.8 m的大型水槽中进行，采用正态模型设计，模型几何比尺λ=16，试验波浪采用不规则波，谱型采用JONSWAP谱，γ 取 3.3[2]。

3.2 排桩的模拟

现场拟用直径120 cm的钢管桩，本次试验采用直径为7.5 cm的硬PVC管模拟现场钢管桩，试验过程中忽略管本身变形对试验结果的影响。

3.3 数据分析

本次试验过程分析的数据，均是距离排桩中心间距为3 m（相当于原型48 m）的测针数据。

4 研究成果及分析

通过对不同波高和周期下波浪透过排桩系数的研究，发现透浪系数随着入射波高增加而减小；随着入射波周期增加波浪透浪系数会有所增加，但个别情况下也出现了随着波浪周期增加，波浪透浪系数没有明显变化甚至减小的情况。

4.1 波高与透浪系数的关系

1）单排桩透浪试验

通过对比单排桩不同间距的试验，当入射波有效波高为1.0 m、1.5 m和2.0 m时，b=0.1D的排桩间距比b=0.2D的排桩间距透浪系数减小20%左右。在入射波有效波高为2.5 m时，b=0.1D的排桩间距比b=0.2D的排桩间距透浪系数减小了11%～15%。

2）双排桩透浪试验

当双排桩两排的间距不同时，透浪效果也会略有不同，在入射波有效波高为1.0 m、1.5 m和2.0 m时，S=10D的排间距比S=2D的排间距透浪系数减小了1%～11%。并且，随着波高增大，透浪系数呈现逐渐减小的趋势。

3）单排桩与双排桩透浪试验对比

通过对比双排桩（S=2D，b=0.2D）和单排桩间距（b=0.2D）的试验结果，在同样波高的条件下，双排桩的透浪系数比单排桩的透浪系数减小了4%～8%。

4）试验结果与理论计算的比较

在试验条件下，双排桩试验结果与理论计算结果吻合较好；单排桩时，b=0.1D的试验结果略小于理论计算值，b=0.2D的试验结果略大于理论计算值。图2～图3为波高变化与波浪透浪系数的关系以及与计算结果的比较。

图2 波浪周期=8 s试验值与理论计算值比较Fig.2 Comparison of experimental values(wave period=8 s)and theoretical calculation values

图3 波浪周期=15 s试验值与理论值比较Fig.3 Comparison of experimental values(wave period)=15 s)and theoretical calculation values

综上，在同样的试验条件下，随着波高增大，透浪系数会减小；由于排桩间距和排数不同，也会对波浪透浪产生不同的影响。

4.2 波浪周期与透浪系数的关系

1）单排桩透浪试验

当波浪周期变化时，b=0.1D和b=0.2D排桩间距透浪系数差值均变化不大，在5%以内。

2）双排桩透浪试验

当双排桩两排的间距不同时，波浪周期也会对透浪效果产生不同影响，S=2D的排间距随着波周期增大，透浪系数也逐增大。而S=10D的排间距随着波周期增大，透浪系数则变化并不规律。

3）单排桩与双排桩透浪试验对比

通过对比双排桩（S=2D，b=0.2D）和单排桩间距（b=0.2D）的试验结果，在波高相同情况下，随着波浪周期的变化，双排桩的透浪系数变化幅度与单排桩的透浪系数的变化幅度基本相同。

图4～图5为波浪周期变化与波浪透浪系数的关系。

总之，在试验条件下，随着波浪周期的增加，波浪透浪系数会有所增加，但个别试验组次下也出现了随着波浪周期增加，波浪透浪系数没有明显变化甚至减小的情况。波浪透浪系数随着周期变化而变化的幅度较小，在试验条件的波浪周期下（8～15 s），变化幅度均在6%以内。

图4 有效波高H13%=1.0 m波浪透浪系数与波浪周期关系Fig.4 Relationship between wave transmission coefficient and wave period(wave height H13%=1.0 m)

图5 有效波高H13%=2.5 m波浪透浪系数与波浪周期关系Fig.5 Relationship between wave transmission coefficient and wave period(wave height H13%=2.5 m)

5 结语

1）波浪在穿过排桩式防波堤时，会随着波高和波周期的变化，呈现不同程度的衰减。

2）在试验条件下，波浪穿过排桩式防波堤的波高透浪系数，随着波浪波高的增加，呈现出了减小的趋势；且排桩间距对透浪系数影响较大。

3）在相同的波高下，波浪周期不同，也会对透浪系数产生影响，试验条件下大部分透浪系数是随着波浪周期的增加而增加，但也出现了个别变化不明显和减小的情况。