双层开孔斜挡板透空式防波堤消浪性能研究*

2020-07-25范玉平李金宣柳淑学隋俊克

水运工程 2020年7期

范玉平,李金宣,柳淑学,刘元,隋俊克

(1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116023；2.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116023)

防波堤作为港口水工建筑物的重要组成部分，它能够抵御波浪的冲击，减少泥沙和波浪进港，保证港内具有足够的水深和平稳的水面，满足船舶在港内停泊、装卸作业和出入航行的安全要求。斜坡堤和直立堤等传统形式的防波堤使得港内水体的循环受到限制，容易造成港内水质下降。近年来随着海洋生态文明建设加强，港口工程结构形式正在向透空式、消能式和多功能等方向发展。透空式防波堤作为一种新形式的防波堤结构，其透空结构施工便利、造价较低和利于港内外水体交换的特点使其越来越受到重视。

透空式防波堤结构最早由Weigel[1]提出，此后越来越多的学者对这种结构进行了研究[2-5]。孙路等[6]基于线性势流理论和匹配特征函数展开法，建立斜向波与内部带水平多孔板开孔沉箱防波堤相互作用的解析解，研究表明在开孔沉箱内设置水平多孔板，可以有效降低结构的反射系数。随着研究的继续进行，许多学者对双层以及多层水平挡板防波堤展开研究[7-13]。

以上研究中透空式防波堤多采用桩基结构，能够很好地解决港内水质交换的问题，但在一些情况下会带来港内泥沙淤积以及波高透射过大的问题。本文在开孔沉箱基础上，提出一种新型双层开孔斜挡板透空式防波堤。与开孔沉箱不同之处在于，除前壁外，后壁板也开孔，实现了透水功能。同时为减小透浪，在消能室内设置两层开孔的斜挡板。该结构不仅具备开孔沉箱防波堤的优势，如可降低波浪反射、波浪力、波浪爬高以及防泥沙淤积等，同时兼顾一定的透水性，提高港内水质交换能力。

本文对所提出的新型防波堤的消浪性能进行物理模型试验研究。通过分析斜挡板在不同开孔率条件下的反射和透射系数、透射波浪频谱特征、波能分布等，探讨斜挡板的开孔率对防波堤消浪性能的影响；同时，比较相同开孔率斜挡板和平挡板的透射系数，分析开孔斜挡板透空式防波堤的性能优势，为此种透空式防波堤的实际应用和进一步研究提供参考。

1 物理模型试验

1.1 试验设备与仪器

试验在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室溢油水槽中进行。该水槽长22 m、宽0.8 m、深0.8 m，最大工作水深0.6 m，配有实验室自主研发的吸收式不规则波造波机、微机控制与数据采集系统。为减小波浪反射对试验产生的影响，造波机后侧水槽末端设有直立式消能网，水槽后端配备消浪设备。

本次试验中波高采集采用DS30型64通道浪高仪，其精度为±0.001 m，在试验之前对浪高仪进行标定，标定线性度大于0.999。

1.2 模型参数及试验条件

模型如图1所示。模型高0.70 m，宽度B为0.29 m，前后壁开孔高0.07 m，开孔下边缘距沉箱底0.35 m。两个消能室中每个内设两层开孔挡板，针对开孔挡板设置4个不同的试验方案：方案1设置开孔率为10.71%的斜挡板；方案2设置开孔率为32.79%的斜挡板；方案3设置开孔率为50.27%的斜挡板；方案4设置开孔率为32.79%的平挡板。

需要指出的是：方案1～4除防波堤模型结构的斜挡板(与水平方向夹角为32°)或平挡板除开孔率不同外，模型的其他参数均相同，以确保试验结果的可比性。

图1 防波堤模型(单位：m)

试验设置水深d分别为0.35、0.42和0.52 m；试验采用规则波，其周期T为1.00、1.10、1.25、1.75、2.00 s，波高H为0.04、0.06、0.08、0.10、0.12 m。

1.3 模型试验布置

试验中共布置6个浪高仪对波高进行测量，1#～4#浪高仪测量堤前波高，5#～6#浪高仪测量堤后波高，如图2所示。试验数据全部由计算机自动采集和处理，采样间隔为20 ms，采集点为2 048个，采样时间为40.96 s。每次试验当波浪稳定后进行采集，每种工况重复试验3次，取3次试验结果的平均值作为试验结果。

图2 模型试验布置(单位：m)

2 试验结果分析

根据防波堤前浪高仪测得的波面过程线，由Goda等[14]提出的两点法分离出反射波高与入射波高，再根据堤后浪高仪测得的波面过程线，由计算分析处理得到透射波高，进而求出反射系数和透射系数。

反射系数指反射波高与入射波高的比值，即:

Kr=Hr/Hi

(1)

式中：Hr为反射波高；Hi为入射波高。

透射系数是指波浪透过防波堤后的波高与入射波高的比值，即：

Kt=Ht/Hi

(2)

式中：Ht为透射波高；Hi为入射波高。

2.1 开孔率对防波堤消浪性能的影响

不同水深时，方案1～3不同开孔率时防波堤模型反射系数随相对入射波高H/d(H为波高，d为水深)的变化见图3。对于较长周期波(T=2.0 s)，反射系数较大，开孔率对反射系数影响不大；而对于较短周期波(T=1.0 s)，反射系数变小，开孔率对反射系数有一定的影响，开孔率越大，反射越小。另外，中间水位(水位位于开孔沉箱中部)时，反射系数最小。

图3 防波堤模型反射系数随相对波高的变化

相应透射系数随相对入射波高的变化见图4。可以看出，开孔率对透射系数有明显的影响，开孔率越大，透射系数也越大；较短周期时比较长周期略大，两者差别没有反射系数大。另外堤前水深对透射系数也有明显影响，中间水位d=0.42 m时透射系数最大，此时，对于开孔率最大的方案3(开孔率50.27%)，透射系数可接近0.5。

图4 防波堤模型透射系数随相对波高的变化

周期变化主要体现在相对宽度B/L(B为模型宽度，L为波长)的变化，为进一步比较不同波浪周期时斜挡板开孔率对该型防波堤消浪性能的影响，波高H=0.12 m时其透射系数随相对宽度的变化见图5。可以看出，不同开孔率下，透射系数随相对宽度增大有小幅增大，也就是说该类型防波堤对长周期波浪的消浪效果比短周期波浪好。

图5 防波堤模型透射系数随相对宽度的变化

开孔位置(中心高度)h对透射系数影响体现在h/d变化时该型防波堤透射系数的变化。波高H为0.06、0.08 m时其透射系数Kt随相对高度h/d的变化见图6(仅列出T=2.0 s时每种方案的2组数据)。可以看出，不同开孔率下，透射系数随相对高度增大逐渐减小，分析其原因为水深d=0.52 m时，消能室被淹没，消能性能较弱，也就是说该类型防波堤在非淹没状态时具有更好的消能性能。

图6 防波堤模型透射系数随相对高度的变化

2.2 波能分布分析

入射波能与防波堤模型相互作用后转化为3部分，分别为反射波能Er、透射波能Et及防波堤消耗波能Ed，其计算方法为：

(3)

(4)

(5)

波高H=0.08 m时，不同水深和波浪周期条件下，波浪与方案1～3防波堤模型相互作用下的波能占比见表1。可以看出，对于各种工况，波浪的透射能量并不大，最大不超过20%，说明该类型透空式防波堤具有较好的消能性。对于较长周期波，经过防波堤后，大部分能量反射回外海，20%～30%的能量被消耗在消能室中。而对于较短周期波浪，防波堤的消能更为明显，对于水深d为0.35和0.42 m时，50%～70%的波能是消耗在消能室中，小部分反射回外海；对于水深d=0.52 m时，消能室被淹没，消能性能减弱，此时波浪以反射为主。另外可以注意到，不同方案开孔率对消能室的消浪性能影响不大。

表1 3种波能占比

2.3 堤后波幅频谱特征

试验中取堤后浪高仪所测波面数据进行频谱分析，得出方案1～3防波堤模型在不同水深和波浪要素条件下，透过防波堤的波浪成分。方案1～3防波堤模型堤后波幅频谱见图7。

从频谱分析结果中可以看出，方案1～3的防波堤模型堤后波幅频谱具有相同的特征：开孔率越大，堤后波幅越大。水深d=0.35 m条件下，由于水位接近开孔下缘，水位振荡在堤后产生明显的高阶成分；但随着波高增大，高阶幅值比例逐渐下降；水深d为0.42和0.52 m时堤后波幅频谱成分较单一，除一阶线性幅值外可见较小的二阶、三阶幅值。

图7 堤后波幅频谱分析

2.4 挡板角度对防波堤消浪性能的影响

方案2、4分别通过设置斜挡板、平挡板研究开孔斜挡板倾斜角度对防波堤消浪性能的影响，这两种方案的透射系数随相对波高变化见图8。可以看出，水深和周期一定时，方案2的防波堤模型在不同波高条件下的透射系数均比方案4的透射系数小，最小时前者仅为后者的39%，说明开孔斜挡板较开孔平挡板具有更好的消浪性能，减少波浪透射，堤后波面更加平稳，更能满足船舶在港内停泊、装卸作业和出入航行的安全要求。