悬链式单浮箱防波堤水动力特性试验研究*

刘庆凯，纪巧玲，王 钰

(山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590)

防波堤是用于抵御波浪、保护目标海域不受海上风浪侵袭的海上建筑结构。与传统固定式防波堤相比，浮式防波堤具有适用水深广泛、不影响水质交换、对地基要求低、经济性好、可快速建造拆除等优点[1-4]。浮箱式浮式防波堤是应用较多、技术较为成熟的一种防波堤形式。悬链式系泊在静止时不受除自身重力、浮力以外其他外力的作用，一般不会出现拔锚、断裂等破坏形式，对水底地基及锚碇连接的要求不高，适合全世界大部分范围内中深及以下深度的海域应用[5-6]。

防波堤的水动力特性对于防波堤的设计建造具有重要意义，物理模型试验是防波堤水动力特性的常用研究手段。对于浮箱式防波堤的试验研究，Sannasiraj等[7]通过试验研究3种不同系泊方式的浮箱式防波堤的消浪性能，结果表明不同的系泊系统对浮式防波堤透射系数的影响不大；盛祖荫等[8]进行浮箱式浮式防波堤消浪效果的室内试验，结果表明浮箱式浮式防波堤的消波效果主要取决于浮箱的挡水面积；何超勇等[9]通过试验探讨矩形方箱锚链锚泊式浮式防波堤透射系数的变化规律，指出波浪本身的特性也影响浮堤透射系数的大小；Fernandes等[10]在试验研究中指出，用弹簧模拟锚链刚度不会影响消浪性能，但锚链拉力会与实际有一点偏差。董华洋等[11]在浮箱式防波堤的锚泊系统受力试验研究中发现，改变锚链相对拖地系数对于模型的锚链受力影响明显；师艳景[12]在大潮差海域浮箱试验的研究中指出，锚链布置方式和组合形式对浮箱透射系数影响不大，对锚链拉力影响较大。

上述对浮箱式防波堤的消浪性能和锚链拉力进行的研究多数是针对某种具体的结构形式，所得结论的普适性尚须更多的试验验证。为进一步验证悬链式浮防波堤的水动力特性，本文采用物理模型试验的方法，探讨悬链式单浮箱在二维波浪条件下的水动力特性及变化规律，分析相对吃水S/d(S为模型吃水深度、d为试验水深)、相对宽度B/L(B为模型宽度、L为入射波波长)、锚链刚度k、锚链系泊倾角α等因素对透射系数Kt和锚链最大拉力F的影响，为浮式防波堤相关设计应用提供参考。

1 物理模型试验

1.1 试验设备与仪器

本试验在实验室波浪水槽中实施，水槽长30 m，宽1.0 m，高1.2 m，水槽安装有电机造波系统与尾端消能网，可制造不同的波高与周期组合。波高数据采用BG08-40型波高仪测量，配套2008型数据采集系统，可以实现多个波高数据同时采集并自动保存。锚链上拉力数据的采集采用DYMH-103型拉力传感器，配套DHDAS动态信号采集分析系统，拉力传感器量程满足本次试验要求。试验前须对所有的仪器进行检查和标定，测试完成后才能安装到水池中。

1.2 模型设计与布置

根据波浪试验相关规范，模型的设计按照重力相似准测，满足重力相似，选定模型的比尺λ。制作模型的材料选用透明有机玻璃板，模型长0.96 m，宽0.30 m，高0.15 m，内部采用铅条配重，配重后模型吃水深度为6.7 cm，在浮箱模型底部安装挂钩。根据悬链线理论确定锚链链形和长度，制作锚链时考虑重力相似，使用弹簧模拟锚链的刚度，弹性系数k1=1.82 kg/cm，k2=5.10 kg/cm。模型在水槽中的布置见图1。模型位于水槽中部位置，距离造波端大约17 m。模型的前方有2个波高仪1#和2#，后面也有波高仪3#和4#，浪高仪2#和3#距模型边缘的距离均为200 cm。模型的长度基本与水槽的宽度相等，以模拟二维波浪作用下的情形。拉力传感器通过拉环安装在浮箱底部的挂钩上，共有4个拉力传感器，迎浪面和背浪面各有2个，向下依次用活扣连接锚链、弹簧和水槽底部锚固点。

图1 模型布置(单位：cm)

1.3 试验波浪要素

试验共设置3组水深，每种水深设2组对比波高，每种波高下分别有3个不同的周期，每种工况进行3次试验，以排除偶然因素造成的误差。试验波浪要素见表1。

表1 试验波浪要素

1.4 数据采集与处理

在安装实验装置前，应先在不同水深条件下进行波浪的率定，根据仪器测量得到的到达浮箱模型处的真实波浪数据调整造波机的造波参数，确保到达浮箱模型处的波浪要素符合设计要求。对于波高数据，可以设置采集时间，造波开始后，观察到波经过试验段2～3个波且波形稳定后开始采集数据，达到设定时间即可自动完成并保存数据；对于拉力数据，造波开始前开始采集数据，目的是存储初始拉力值，造波结束后手动停止采集数据并保存。

本次试验以透射系数Kt作为衡量浮式防波堤消浪性能的指标。本文不考虑浮箱模型的反射系数，所以不进行入反射波的分离，截取大约10个周期的有效数据后，计算透射系数，透射系数的计算公式为：

Kt=H1/H2

(1)

式中：Kt为透射系数；H1为3#和4#波高仪的平均波高；H2为1#和2#波高仪的平均波高。

拉力数据的处理同样是截取大约10个周期的可用数据，截取波高H=0.07 m，周期T=1.10时某种工况下迎浪面1#波高仪上的拉力历时变化(图2)。从图2可以看出，拉力是不均匀的，其峰值是变化的。某一时刻拉力的数值可能会远远大于其他时刻，这时的拉力值不具有代表性。为避免突变荷载和误差对拉力计算的影响，在不影响不同工况最大拉力相对关系的前提下，选取每种工况前1/10最大拉力的平均值作为最大拉力代表值，图中虚线为该工况的最大拉力代表值，分别取迎浪面2个传感器与背浪面2个传感器的最大拉力平均值作为最大拉力进行分析。

图2 拉力历时曲线

2 试验结果分析

2.1 消浪性能影响因素

锚链刚度k=5.10 kg/cm，波高H=0.07 m，锚链系泊倾角α=30°和α=45°条件下，模型相对吃水S/d不同时透射系数Kt随波陡H/L变化的图像见图3。从图3可以看出，当相对吃水S/d不发生变化时，在同一波高H下，随着波陡H/L的增加，透射系数Kt逐渐减小，不同锚链系泊倾角α的这种变化规律也是相同的。可以观察到，当波陡H/L较小时，浮式防波堤的模型的透射系数Kt接近1。这是由于当波陡H/L较小时，模型的横摇很小，垂荡运动较大，此时模型的造波能力强，模型运动表现出随波浪起伏运动的特性，与波浪之间的相互作用较弱。当波陡H/L相同时，图中模型相对吃水S/d较大的模型，透射系数Kt要小于模型相对吃水S/d较小的模型，原因是相对吃水S/d的增加，加大了模型的挡水面积，提高了消波能力。

图3 相对吃水S/d不同时透射系数Kt随波陡H/L变化

试验水深d=0.5 m，锚链系泊倾角α=30°，波高H=0.07 m和H=0.10 m条件下，锚链刚度k不同时透射系数Kt随相对宽度B/L变化的规律见图4。从图4可以看出，锚链刚度k不变，相对宽度B/L< 0.3时，透射系数Kt随着相对宽度B/L的增加呈现逐渐减小的趋势，不同波高H下的变化规律是相同的。值得注意的是，在一定的波浪条件下和相对宽度B/L范围内，图中相对宽度B/L增加1倍时，模型的透射系数Kt会减小40%以上，说明相对宽度B/L是影响模型透射系数Kt变化的一个重要因素。在同一相对宽度B/L下，锚链刚度k较大时，模型的透射系数Kt较小，主要是由于当锚链刚度k较大时，锚链被拉紧时弹性变形较小，模型的运动受到较大的限制，从而消耗更多的波浪能量，透过浮箱模型的波能减小。

图4 锚链刚度k不同时透射系数Kt随相对宽度B/L变化

试验水深d=0.5 m，锚链刚度k=5.10 kg/cm，波高H=0.07 m和H=0.10 m条件下，锚链系泊倾角α不同时透射系数Kt随相对宽度B/L变化的规律见图5。从图5可以看出，当锚链系泊倾角α不变、相对宽度B/L< 0.3时，透射系数Kt随着相对宽度B/L的增加而减小，这与之前的结论相同。而在同一相对宽度B/L下，图中锚链系泊倾角α=45°时透射系数Kt要比α=30°时大，究其原因是锚链系泊倾角α小时模型的横摇更大，增加了模型与波浪的接触面积，同时也限制了垂荡，提高了消波能力。

图5 锚链系泊倾角α不同时透射系数Kt随相对宽度B/L变化

2.2 锚链拉力影响因素

锚链刚度k=5.10 kg/cm，波高H=0.07 m，锚链系泊倾角α=45°条件下，波陡H/L不同时迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2随相对吃水S/d变化的规律见图6。从图6可以看出，相对吃水S/d在一定的范围内，当波陡H/L相同时，锚链最大拉力随相对吃水S/d的增加呈减小的趋势。当相对吃水S/d< 0.14时，随着相对吃水S/d的增加，锚链上的最大拉力变化幅度较大，相对吃水S/d减小20%，锚链上的最大拉力F可以减小60%以上；当相对吃水S/d> 0.14时，锚链上的最大拉力基本没有变化，迎浪面和背浪面的最大拉力均出现接近于0的情形，原因主要是当波浪周期T较大、波高H较小时，模型的横摇很小，垂荡运动较大，模型运动表现出随波浪起伏运动的特性，锚链有足够伸长余量，过程中未被拉紧；当相对吃水S/d相同时，锚链最大拉力随波陡H/L的增加而变大，但增加的幅度有限，仅迎浪面锚链最大拉力F1在相对吃水S/d从0.039 3变化到0.070 4时有明显变化。

图6 波陡H/L不同锚链最大拉力随相对吃水S/d变化

试验水深d=0.5 m，锚链系泊倾角α=30°，波高H=0.07 m条件下，锚链刚度k不同时迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2随相对宽度B/L变化的规律见图7。从图7可以看到，当锚链刚度k不变、相对宽度B/L< 0.3时，迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2随相对宽度B/L的增加逐渐减小。在同一相对宽度B/L下，在锚链刚度k较大的情况下迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2更大。这是因为锚链刚度k较大时，锚链在拉力作用下变形会变小，模型的自由度变小，模型的运动受到更大的限制，模型与波浪的接触面积更大，锚链的最大拉力越大。

从图中还可以观察到，迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2的变化趋势基本相同，背浪面最大拉力F2要小于迎浪面最大拉力F1。主要原因是，模型和波浪相互作用时，迎浪面锚链和背浪面锚链被交替拉紧，迎浪面和背浪面的拉力出现时间存在相位差，模型正向和负向运动时的受力和能量转换形式有所不同，迎浪面最大拉力F1更接近于浮箱整体所受到的最大拉力。

图7 锚链刚度k不同时锚链最大拉力随相对宽度B/L变化

试验水深d=0.5 m，锚链刚度k=5.10 kg/cm，波高H=0.10 m条件下，锚链系泊倾角α不同时迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2随相对宽度B/L变化的规律见图8。从图8可以看出，锚链系泊倾角α不变，相对宽度B/L< 0.3时，迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2随相对宽度B/L的增加逐渐减小，这和前面的分析一致。在同一相对宽度B/L下，锚链系泊倾角α较小时迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2较大，主要由于锚链系泊倾角α较小时，模型横摇变大，模型运动幅度变大，导致锚链上的最大拉力变大。迎浪面锚链最大拉力F1和背浪面锚链最大拉力F2的变化趋势基本相同，背浪面最大拉力F2要小于迎浪面最大拉力F1，这和前面部分变化规律相同，相关影响因素在上文已经讨论。

图8 锚链系泊倾角α不同时锚链最大拉力随相对宽度B/L变化

3 结论

1)当相对吃水S/d和波高H不改变时，浮箱模型的透射系数Kt随波陡H/L的增加而减小，浮箱对短周期波浪的消浪能力强。当周期T较大时，在一定的波高H下，浮箱运动表现出横摇较小、垂荡较大的随波浪起伏运动的特性，此时浮箱有较强的造波能力，浮箱的消浪性能较差。

2)当相对宽度B/L< 0.3时，相对宽度B/L是影响模型消浪性能的主要因素，试验中相对宽度B/L增加1倍时，模型的透射系数Kt会减小40%以上。因此，增加浮箱的相对宽度B/L，可有效提高浮箱式浮式防波堤的消浪性能。相对吃水S/d、锚链刚度k、锚链系泊倾角α等因素的变化也会影响浮箱模型消浪性能。

3)迎浪面最大拉力F1和背浪面最大拉力F2在不同的波浪条件下的变化趋势基本相同，最大拉力出现时间存在相位差，迎浪面最大拉力F1数值更大一些，更接近于浮箱整体所受到的最大拉力F。

4)当相对吃水S/d< 0.14时，相对吃水S/d是影响锚链上最大拉力的主要因素，试验中相对吃水S/d减小20%时，锚链上的最大拉力可以减小60%以上。相对宽度B/L，锚链刚度k，锚链系泊倾角α等因素的变化对锚链最大拉力均有影响，在研究和应用时须综合考虑这些影响因素。