关于浮式防波堤透射系数与波浪特征要素关系的研究

房 欣 徐 鑫 王锌鑫 罗玉来 吴含笑

（重庆交通大学河海学院， 重庆 南岸 400074）

本文通过实验研究得出：某特定浮式防波堤在规则波作用下的透射系数鱼堤前波陡、堤前波高、堤前波能、堤前波能流等波浪特征要素的关系并拟合出了其对应合理的透射系数的方程。为同比例放大的浮式防波堤在实际工程中的应用以及其他防波堤透射系数的研究提供一定参考。

1 浮式防波堤实验条件和方法

1.1 实验设备和仪器

本次物理模型实验在重庆交通大学港工厅内的30m×50cm×1m (长×宽×深) 波浪水槽中进行。水槽的一端配有机械式规则波造波机，另一端配有消能缓坡，由计算机控制产生所要求的特定波浪要素的波浪。波浪要素测量需用的3 支电容式波高传感器，通过自动采集系统采集波高，经过计算机处理形成所需的数据文件。实验所用的浮式防波堤是按照1：40 比例缩小的浮式防波堤75cm×50cm×25cm（长×宽×高），是由PVC 工程塑料骨架拼接而成的多层竖向分布结构，每一竖层均由覆盖有孔隙率为0.5 无仿土工布的钢丝网组成，各竖层间距约为12.5cm。骨架两端上方各固定有一排直径300mm 的塑料浮筒为整个消能装置提供浮力。锚固装置由两块固定在水槽底部的T 型铁块和四根尼龙绳组成。

1.2 实验设备布置

浮堤模型布置在试验水槽中部，端部用尼龙绳连接在水槽底部的T 型铁块上。在模型前布置2 根波高传感器测量堤前波高，测量点位置与模型的距离应大于一倍波长。在模型后布置1 根波高传感器测量堤后波高，根据这3 根波高仪测量的数据进行分析进而进行后续的数据处理。模型在水槽中总体布置如下图所示：

实验水槽内断面图

1.3 实验步骤

1） 打开输水阀门待浮式防波堤升至适宜高度；2） 通过控制转数为350 转/分，通过调整造波等级，调整造波高度；3） 开始造波并待波浪传播稳定后进行测量；4） 停机改变波高，重复造波、测量7 组；5） 停机改变转数为300 转/分，造波等级设定为4；6） 重复（3） -（5），停机转数增加50转/分，重复造波、直至测量7 组。

2 透射系数与波浪特征要素关系的分析

采用防波堤后的波高与堤前波高的比值作为透射系数，依次分析堤前波陡、堤前波高、堤前波能、堤前波能流的关系并拟合出其对应合理的透射系数的方程。

1） 只改变波高（波陡范围0.033＜x＜0.148，波长范围2.209 米＜L＜2.248 米）

①堤前波陡对应的最优透射系数方程为：y=0.4361ê (-6.533x)；②堤前波高对应的最优透射系数方程为：y=-0.0002x3+0.0105x2-0.1938x+1.2296；③堤前波能对应的最优透射系数方程为：y = -4E-06x3+0.0009x2-0.0461x+0.8；④堤前波能流对应的最优透射系数方程为：y =-9E-07x3+ 0.0003x2-0.0277x+0.8019

2） 同时改变周期和波高(波陡的范围0.043＜x＜0.778，波长范围：1.151 米＜L＜2.675 米)

①波陡对应的最优透射系数方程为：y = 0.4065ê (-2.375x)；②堤前波高对应的最优透射系数方程为：y =-3E-06x3+ 0.0007x2- 0.0451x + 1.1008；③堤前波能对应的最优透射系数方程为：y=-5E-09x3+8E-06x2-0.0038x + 0.6394；④堤前波能流对应的最优透射系数方程为：y= 6E-07x2-0.0011x + 0.5403

3 结论和建议

1） 因为各种浮式防波堤具体结构形式以及锚固方式的不同，所以其透射系数很难有统一的计算公式。在本次物理实验中，我们可以推出特定实验条件下（防波堤高度/水深=0.61，波陡范围0.033m～0.778m，波长范围：1.151m～2.675m）两种实验波陡对应的在工程适用性较大的无量纲透射系数方程分别为：

y=0.4361ê（-6.533x） 和y= 0.4065ê (-2.375x)。

2） 目前，我们的等比例缩小40 倍模型使用的是PVC工程塑料以及无纺土工布，而在实际工程中浮式防波堤所需要的材料应该是结构强度高的钢材和有纺土工布，这也导致浮式防波堤的工程造价较高，有待寻找工程替代材料进而降低造价。