对称波形底箱型水面防波堤性能试验研究

2020-07-25吴静萍王明玉吴云鹏

水运工程 2020年7期

邹明,吴静萍,王明玉,关超,吴云鹏

(1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063；2.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071；3.武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉 430084；4.中交四航局第三工程局有限公司，广东湛江 524005)

防波堤作为一种常见的港口、码头及海岸的水上工程防护设施，常用来抵御从外海传向近海岸的波浪的作用，保障域内稳定的作业环境及海岸与建筑物免受海浪的侵蚀。而波浪的能量大部分集中在水体的表层，在表层2～3倍波高的水层厚度内分别集中了90%和98%的波能。由此，产生了适应波能分布特点的水面防波堤。水面防波堤的主体位于水面，主体与水底之间是透空的。采用锚链定位、可以发生运动的称为浮式防波堤；而采用桩柱固定的称为透空式防波堤。相较于传统固定大坝式防波堤而言，水面防波堤具有不影响水质循环、工程造价低、建造工艺简单、适应水域环境能力强等优点，在国内外已有不少实际工程应用[1-2]。

水面防波堤的结构形式以箱型最为普遍，截面如方形、圆柱形[3]、三角形[4]和梯形[5]等，其中常见的箱型截面是方形。由于波浪可以透过水面防波堤传播而削弱了防波堤的效果，因此出现了大量的提高水面主体消波性能的改进措施。除增加箱体个数外，还有在箱体外增加各种附体的措施，如在箱体外增加附板和柔性膜[6]等；还有将箱体迎浪侧开孔，在箱内增加消波结构[7-8]；等等。

研究水面防波堤性能的方法是科学研究常用的理论解析解、数值计算方法和试验方法。严建国等[9]利用特征函数法对单个方箱形水面防波堤的消浪性能进行分析，建立了单个方箱形水面防波堤与波浪相互作用的数学模型，通过求解各部分流域速度势，分析了单个方箱形水面防波堤的水动力性能。Williams等[10-11]基于势流理论，应用边界元方法研究了双箱形式水面防波堤的水动力性能，研究表明双箱形式可提高水面防波堤的消浪效果，其消浪效果除了受方箱宽度、吃水和锚固方式等因素影响外，还受箱体间距的影响较大。郑艳娜[12]采用线性波浪叠加法对不规则波进行数值模拟，采用时域边界元法对不规则波作用下的方箱形水面防波堤进行数值模拟。Subramaniam和Al-Banaa[13]通过试验研究了单个方箱形水面防波堤的透射、反射和能量损耗系数随相对宽度的变化情况，发现随着相对宽度的增加防波堤的透射系数逐渐变小，而反射和能量损耗系数逐渐增大。王永学等[14]提出了一种在方箱下加水平板的水面防波堤，并通过试验发现方箱下加水平板可以提升防波堤的消波性能，且加两层板的消波效果要好于一层板。Huang Z.等[15]和Neelamani S.等[16]分别通过试验方法对方箱下加多块开槽和开孔竖直板的水面防波堤进行了研究，均发现在箱型底部增加附体可以有效提升防波堤的消波性能。

本文基于波形板[17]研究的启发，提出了一种对称波形底箱型水面防波堤，就是对方箱型主体的平底外形进行改造，将平底改造为对称的波形底，并通过物理试验方法对其透射系数、反射系数和能量损耗系数等水动力性能随波浪参数的变化规律展开研究。试验时分别将平底和对称波形底的方箱型消波主体通过支架固定在小型波浪水槽中，保持水槽水深不变，改变箱体吃水、波陡、波长进行了系列试验，给出了平底和对称波形底两种模型的透射系数、反射系数和能量损耗系数随相对宽度B/L的变化规律。通过比较，对称波形底的消波性能比平底的优良，增加的消波效果高达60%。

1 物理模型试验

1.1 试验设备和仪器

模型试验在武汉理工大学交通学院流体力学实验室的小型推板式波浪水槽中进行，水槽长18 m、宽0.6 m、深0.8 m。波浪水槽见图1a)。水槽始端设有推板式造波机，造波机能够产生稳定性和重复性都比较好的规则波，且所造规则波的波高单位距离衰减程度均小于2%[18]。水槽尾部消波段为U形结构设计，消波装置由方形浮板和柔性帆布组成，并且在水槽末端放置有折角板，用于改变池壁反射的方向和增加波能耗散，以便能够最大限度地减少池壁反射对试验的影响。水槽消波段的消波装置见图1b)。

图1 波浪水槽和消波装置

受波浪水槽长度限制，防波堤模型放置于距离造波板前缘7.5 m处，在模型前后各放置两支YWH200-DXX型数字浪高仪记录波高数据，其量程为0.3 m，误差在0.5%以内，绝对误差小于1.5 mm。4支浪高仪分别标记为P1、P2、P3和P4，数据处理以P2和P3为主，P2距离造波板前缘6 m，满足堤前浪高仪与造波板至少距离1倍最大波长的要求，P3距离模型1.5 m。浪高仪与模型安装见图2。

图2 浪高仪与模型安装

1.2 试验模型和波浪参数

试验模型为木质结构，长和宽分别为0.595 m和0.240 m，模型底部曲线为一个半周期的余弦波函数曲线，余弦波的波幅为0.06 m，试验模型见图3a)。模型通过金属细杆与水槽上方的金属支架固定，支架可根据试验的需要调整模型的浸深，模型固定安装后沿池宽方向展示见图3b)。

图3 试验模型

试验期间水深保持不变，试验水深h为0.6 m，造波个数不少10个，波浪周期T为0.60～1.15 s，波陡H/L为0.03、0.05，试验模型箱体的浸深d分别为0.06 、0.12 m，波长L为0.561～1.974 m，相对宽度B/L为0.12～0.43。

1.3 数据处理

试验的透射波高由布置在堤后的P3浪高仪测得，P3浪高仪距离堤后1.5 m。试验最大波长为1.974 m，浪高仪P3的布置对应最大波长，满足在堤后1倍波长距离的要求。透射系数的处理方法参见文献[6]。

透射系数Kt为透射波高与入射波高之比，即:

(1)

式中：Ht为透射波高；Hi为入射波高。

本试验的反射波高由布置在堤前的P2浪高仪测得的波形进行分析，P2浪高仪在堤前1.5 m。

波浪传播至防波堤模型发生反射，反射波与入射波叠加后合成新的波形。因为要得到反射系数，首先须将反射波从合成波中分离，这导致防波堤模型的反射系数较难确定。

本试验反射波的分离方法，采用自主提出的一种使用单支固定浪高仪的反射波分离方法[19-20]。简单地说，就是将P2浪高仪采集到的有防波堤模型的合成波形减去其采集到的无模型入射波形，分离出反射波形，从而得到反射波高。由于试验水池长度有限，反射波个数有限，但至少有3个反射波形。

反射系数Kr为反射波高与入射波高之比，即：

(2)

式中：Hr为透射波高。

根据能量守恒原理，波浪入射波能等于反射波能、透射波能和波能损耗3项之和，因此透射系数Kt、反射系数Kr和能量损耗系数Kl满足下式：

(3)

(4)

式中：Kt为透射系数；Kr为反射系数。

2 试验结果比较分析

选取波陡H/L分别为0.03、0.05，浸深d分别为0.06、0.12 m，对比分析了4种情况下两种模型的透射、反射及能量损耗系数随相对宽度B/L的变化情况。

2.1 对称波形底与平底箱型水面防波堤透射系数比较分析

图4给出了4种情况下两种模型透射系数Kt随相对宽度B/L变化的比较。

从图4中可以看出：

1)两种模型的透射系数均随相对宽度B/L的增大而减小。波陡对于两种模型的透射系数影响较小，浸深对两种模型的透射系数的影响比较大。

图4 两种模型透射系数Kt比较

2)在4种不同条件下，对称波形底箱模型的透射系数均小于平底箱模型的透射系数，即对称波形底箱模型的消波效果优于平底箱模型，增加的消波效果高达60%左右。当浸深d=0.06 m、相对宽度B/L接近0.2时，平底箱模型的透射系数降低至0.5，而此时对称波形底箱模型的透射系数降低至0.3，增加的消波效果达到40%；当浸深d=0.12 m、相对宽度B/L接近0.2时，平底箱模型的透射系数在0.25左右，而对称波形底箱模型的透射系数低至0.1，增加的消波效果达到60%。

3)对称波形底箱模型的透射系数在浸深d=0.12 m的值均小于在浸深d=0.06 m的值。当波陡一定，B/L大于0.2、浸深d=0.06 m时，对称波形底箱模型的透射系数低于0.3，而浸深d=0.12 m时的透射系数低于0.15，增加的消波效果达到50%。

2.2 对称波形底与平底箱型水面防波堤反射系数比较分析

图5给出了4种情况下两种模型反射系数Kr随相对宽度B/L变化的比较。

从图5中可以看出：

精装修工程的施工过程中，施工管理人员、施工人员的综合素质较差、专业水平门槛较低。与此同时，管理人员及时作出相关决策，执行力度十分薄弱，无法对精装修工程进行有效管理。还有部分施工方案十分不规范，也没有采用合理、科学的施工工艺，出现返工问题，会对精装修的施工质量与效率产生不良影响。

1)4种不同条件下两种模型的反射系数变化趋势相同，均随着相对宽度B/L的的增大而增大，即随着波长的增加两种模型的反射系数均减小。

2)在波陡H/L=0.03时，两种模型的反射系数均大于0.5，而在波陡H/L=0.05时，两种模型的反射系数最小在0.4左右。两种模型在相同条件下的反射系数大小相近，说明改变箱型底部结构在该试验条件下对于反射系数的影响不大。

图5 两种模型反射系数Kr比较

2.3 对称波形底与平底箱型水面防波堤能量损耗系数比较分析

图6给出了4种情况下两种模型能量损耗系数Kl随相对宽度B/L变化的比较。

从图6中可以看出：

1)4种不同条件下两种模型的能量损耗系数的变化趋势相同，且均在相对宽度B/L接近0.15～0.25时，能量损耗系数达到最大。

图6 两种模型能量损耗系数Kl比较

2)当相对宽度B/L大于0.3，两种模型的能量损耗系数大小相近；当相对宽度B/L小于0.3时，对称波形底箱模型的能量损耗系数均大于平底箱模型，即对称波形底箱模型在与波浪相互作用时对于波能的损耗效果要优于平底箱模型。综合来说，两种模型对波长较短波的波能的损耗效果区别不大，但是随着波长的增加，对称波形底箱模型在与波浪相互作用时对于波能的损耗效果相较于平底箱模型更好，且优势愈发明显。