柔性水囊潜堤消波特性的溃坝水槽试验研究

2020-10-24陈本毅赵西增刘竹琴周琪坤

海洋工程 2020年5期

陈本毅，赵西增，刘竹琴，周琪坤，卞婧

(浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021)

潜堤是保护海岸、港口的重要海工结构物，具备消波、保滩促淤、有利于水体交换、不影响海岸景观等优点[1-2]，随着人类海上活动日益频繁，其已得到广泛建造和使用。然而，由于水下结构物与波浪相互作用的复杂性，给结构设计带来了诸多挑战。为此，国内外已有不少学者从潜堤结构型式、水动力特性、消波机理等方面[3-8]对其进行了深入研究，且关注的焦点多放在刚性潜堤。但刚性潜堤的体积和质量通常较大[9]，令其使用受到一定限制。而人工岛礁、跨海桥梁、海洋平台等离岸基础设施建设发展迅猛[10]，迫切需要一种简单便携、拆装方便的消浪结构物来对施工区域提供临时防护，以避免因缺少适当的防护而影响施工从而增加成本。具有结构简单、制造成本低、转移方便等优点的柔性水囊潜堤逐渐受到人们的关注和认可。

柔性水囊潜堤，即潜堤表面采用橡胶等材料制成，内部充水，并做水密处理，形似半圆柱水囊。柔性水囊潜堤具备三大优势：①作为一种柔性防波堤，和传统的刚性防波堤相比，这种柔性结构不仅可作为临时的、可损坏的防波堤，降低风暴潮天气下波浪对港口、近岸海域及固定式防波堤的冲击作用，而且可为临时海上作业提供庇护[11-12]；②其构造简单，制造施工快捷，只需在极端天气来临前注入填充料就可进入工作状态，操作便捷，其拆卸和组装效率更高；③柔性水囊潜堤采用的由热塑性聚氨酯弹性体或聚氯乙烯材料[13]制作的薄膜可有效应对极端温度变化，不易腐蚀，后期维护成本较低。

学者们通过理论分析[14-15]、数值模拟[16-17]和物理模型试验[18]等手段开展了柔性水囊潜堤的表面变形特点、水动力特性和消波性能的研究。Phadke等[19]以圆柱薄壳理论为基础，运用变分法推导了柔性水囊潜堤的控制方程，建立了有限元计算模型，发现潜堤内外流体密度比对其表面薄膜运动响应有着重要影响。Das等[20]建立了边界元与有限元耦合模型，对计算出的潜堤表面薄膜变形响应和波面进行分析，发现柔性潜堤薄膜系统的共振振荡可起到衰减入射波、降低透射波能的功能。由于薄膜结构的高柔度导致其表面畸变和几何非线性[21]，使得理论分析和数值模拟具有一定的局限性，需通过物理模型试验来检验其结果的合理性与适用性。Takumi等[22]分析了潜深、内压等参数对半圆柱柔性水囊潜堤动态变形响应和消波性能的影响，结果表明潜堤表面柔性材料的弹性对波浪透射影响不大，而潜堤内部液体的压强却与透反射系数有着密切关系。Masahiro等[9]与Stamos等[18]通过对比半圆柱刚性潜堤和柔性水囊潜堤消波性能，皆发现柔性模型比刚性模型透射率更低，这主要因为柔性结构在波浪作用下产生的辐射波与入射波相互作用，从而使入射波能的耗散增加，故柔性潜堤比刚性的消波效果更好。不过，以上研究都是针对特定规则波和不规则波开展的，而对海上施工危害更大的是风暴潮、台风和海啸等极端环境，特别是我国南海更易遭受海啸的侵袭[23]。为了进一步体现柔性水囊潜堤作为海上施工临时防护结构物的优势，拟将其拓展到极端灾害波浪海啸波。由于海啸、涌潮等向岸传播的过程与溃坝水流在物理机理上具有特定的一致性[24-26]，故常用较易实施的溃坝波来替代海啸波并开展相关研究[27]。

在溃坝水槽中，采用物理模型试验的方式，利用高速相机和浪高仪获得水位变化数据，研究溃坝波与柔性水囊潜堤相互作用的过程，通过把柔性水囊潜堤同半圆柱刚性潜堤进行对比、调整柔性潜堤内部初始水压、改变潜深，探究柔性水囊潜堤消波特性，可为海上施工过程中的临时防护措施提供参考依据。

1 试验介绍

1.1 试验布置与仪器设备

试验在港口航道与近岸工程实验室内完成，溃坝水槽、重力式开门装置和测量系统三部分组成了整个试验装置。溃坝水槽及相关模型设备布置如图1所示，水槽尺寸为600 cm×40 cm×60 cm(长×宽×高)，闸门将整个水槽分为长度L0=200 cm的上游蓄水段和400 cm的下游试验段。

图1 试验布置示意Fig. 1 Experimental set-up

水槽采用钢化玻璃制成，槽底和侧壁较为光滑。闸门由不锈钢板制成，厚约0.1 cm，用钢缆经过一套定滑轮组使其与重物相连，当释放重物时，连接的钢缆迅速带动闸门向上运动，从而将闸门瞬间开启，整个开启过程用时极短，满足瞬时溃坝条件[27]。试验前关闭闸门，上游蓄水深度为hu，下游试验为hd，使上下游形成水头差h0，试验时打开闸门形成溃坝波。

试验中采用高速相机拍摄潜堤附近波面历时形态，通过浪高仪记录测点水位变化数据。高速相机采样频率设为200 Hz，像素为1 280×1 024。下游段布置两个电容式浪高仪，测点位于水槽中间断面上，堤前测点为G1，距闸门105 cm，堤后测点为G2，距闸门255 cm，采样频率100 Hz。

图2 半圆柱潜堤模型尺寸示意Fig. 2 Dimensions of hemi-cylindrical breakwater model

1.2 试验模型

试验分别使用半圆柱柔性水囊潜堤和刚性潜堤两套模型开展研究，两者的底部和侧面均为厚度0.3 cm的亚克力平板，侧面圆心距闸门150 cm，如图2所示，半圆柱半径R=13 cm、长39 cm。两种模型的区别在于其弧面所使用的材料，刚性结构模型为热弯形成的厚度0.1 cm的亚克力材料，柔性结构模型为厚度0.1 cm、弹性模量3 MPa、硬度70ShoreA、密度1.24 g/cm3的氯丁橡胶薄膜，两者所有边缘的连接处均进行了水密处理。两种模型均在其顶部靠边缘处安装有直径φ=2 cm的塑料细管，通过细管向潜堤内部注满水体，特别是柔性潜堤使用细管内水面高度与外部水槽水面高度的差值y来表征其内部水压，模型注水达到所需条件后将细管密封，使模型内部初始水压保持恒定。

1.3 工况设置

通过将柔性水囊潜堤试验结果和刚性潜堤结果同相应溃坝初始条件下的空水槽结果进行对比，以分析防波堤与溃坝波相互作用。

试验中，溃坝水头差选取5组来产生不同的溃坝波高。对于柔性水囊潜堤内部压强，选取了4组工况。下游初始水深hd分别设置两组，即16 cm和20 cm，潜深d分别为3 cm和7 cm，以探究潜深对防波堤的影响，详细数值见表1。其中，NM为空水槽，RM表示刚性潜堤模型，FM为柔性潜堤模型。

表1 刚性潜堤和柔性水囊潜堤模型试验工况Tab. 1 Experimental runs for the rigid and flexible hemi-cylindrical submerged breakwaters

图3 试验重复性验证Fig. 3 Verification of experimental repeatability

1.4 试验重复性

为了避免试验偶然性对结果的影响，每个工况分别进行了3次重复性试验，以增强试验的可靠性。如图3为下游水深hd=16 cm、水头差h0=20 cm、注水细管内外水面高差y=0 cm条件下，柔性水囊潜堤的重复性结果，横轴是时间，纵轴为测点G2处水位h，曲线No.1、No.2和No.3分别代表的不同试验次数，曲线Ave为三份数据的均值。由结果可见，试验具有较高的重复性。

2 消波特性

2.1 波面变化

选取了具有代表性的三组工况，以分析柔性水囊潜堤和刚性潜堤与不同溃坝波高相互作用的特性。所选取工况的下游水深hd恒为16 cm，水头差h0分别是5 cm、15 cm和20 cm，注水细管内外水面高差y=0 cm。图4～6为在不同水头差条件下，测点G1和G2水位变化结果。研究和分析波面形态变化，对理解溃坝波与结构物相互作用过程具有重要意义。

图4 水头差h0=5 cm时测点水位变化Fig. 4 Variations of water level，water head h0=5 cm

图5 水头差h0=10 cm时测点水位变化Fig. 5 Variations of water level，water head h0=10 cm

图6 水头差h0=15 cm时测点水位变化Fig. 6 Variations of water level，water head h0=15 cm

图4中，h0=5 cm，溃坝波在1.40 s时到达堤前，1.63 s时已经越过潜堤，相互作用时间极短。由图4(a)测点G1可见，潜堤作用会使溃坝水体在堤前产生涌高现象，这主要由潜堤对溃坝水流的阻挡造成。从图4(b)测点G2结果中也能得到证实，堤前水位增高，越过潜堤的溃坝水体就相对减少，所以无论是柔性潜堤还是刚性潜堤，堤后测点水位相对于无结构物而言都已下降，无结构物时最大波高3.54 cm，刚性潜堤堤后最大波高3.16 cm，柔性潜堤堤后最大波高2.97 cm。其中柔性水囊潜堤下降得更加显著，消波效果更佳。

图5中，h0=10 cm，相较于图4中h0=5 cm的结果，水头差增大，溃坝波传播速度加快。从图5(b)测点G2的结果可知，经过潜堤作用，此时溃坝波高相较于无结构物时反而增高了，无结构物时最大波高6.96 cm，刚性潜堤堤后最大波高8.32 cm，柔性潜堤堤后最大波高8.23 cm。刚性和柔性水囊潜堤都产生了相同的现象，但后者峰值略低于前者。这是因为溃坝波在与潜堤作用之后，其波陡增加，溃坝波接近破碎的临界状态，所以波高不降反升。

图6中，h0=15 cm，图中无论是堤前还是堤后，柔性水囊潜堤的水位最大值都是最低。从图6(a)测点G1可以看到，对比图4(a)和图5(a)结果，图6中堤前测点波面变陡非常明显。在图6(b)测点G2结果中，相较于无潜堤的情况，堤后波高下降明显，无结构物时最大波高12.81 cm，刚性潜堤堤后最大波高11.13 cm，柔性潜堤堤后最大波高10.47 cm。且经柔性水囊潜堤作用后的波浪峰值皆小于刚性潜堤，柔性水囊潜堤和刚性潜堤的堤后波面呈非线性特点。

综合图4～6可以看出，溃坝波与潜堤相互作用时，随着溃坝水头差的增大，堤前波面变陡，波浪传播速度加快，与潜堤作用之后产生的非线性现象也同时增强。当溃坝波高增大到一定程度后，溃坝波最大水位衰减明显。柔性水囊潜堤相对于刚性潜堤而言，无论在小水头差还是大水头差情况下，对溃坝水体的阻挡作用相对较弱，这表现在堤前水位相对较低。但柔性水囊潜堤堤后波高峰值均相对较小，此现象表明柔性水囊潜堤对溃坝波能的耗散强于刚性潜堤，其柔性结构对于增加波高衰减有着重要的影响。

2.2 无量纲分析

Lauber等[28]认为，某点无量纲最大水位Hm=h/h0只与水箱上游蓄水段相对长度λ=L0/h0有关。图7为下游水深hd=16 cm、水细管内外水面高差y=0 cm的情况下，不同模型无量纲最大水位随水头变化情况。上游蓄水段长度L0恒定为200 cm，因此λ值从小到大代表水头差h0从20 cm依次变化到5 cm。

图7(a)为堤前测点G1的无量纲最大水位Hm随水头变化结果，在不同水头差情况下，其值在0.67～0.82的区间内变化。其中，柔性水囊潜堤水位变化幅度较小。因为在不同波高作用下，柔性潜堤表面随着波浪产生不同形变，形变程度与波高有关，使其堤前水位波动范围也相应缩小，对溃坝水体的阻挡作用相对较弱，有利于保持堤前无量纲最大水位高度的稳定。λ=13.33时，刚性潜堤和无潜堤结果Hm达到最大值，而柔性水囊潜堤Hm却相对于λ=20而言降低。在λ=40.00时，柔性水囊潜堤和刚性潜堤堤前无量纲最大水位都达到最小值，此时溃坝水头差h0=5 cm，说明在小波高作用下，潜堤对溃坝波流的阻挡作用减弱。

图7(b) 为堤后测点G2的无量纲最大水位Hm随水头变化结果。可见，随着上下游水头差增大，堤后测点G2处的波面峰值也逐渐上升。无潜堤时，Hm在λ=13.33处最大；而有潜堤时，Hm在λ=20处达到最大，但柔性水囊潜堤峰值比刚性峰值低；水头差继续增大，Hm峰值迅速下降，在λ=10处为所有工况最低值。这与第2.1节波面变化中的结果相对应：上下游水头差h0=10 cm时，堤后波面非线性较强；h0=15 cm时，已经出现最大波高迅速衰减的情况。

图7 不同模型无量纲最大水位随水头变化Fig. 7 The dimensionless maximum water level varies with the head in different models

为了进一步定量比较潜堤作用结果，将堤后测点G2的柔性水囊潜堤最大波高hf和刚性潜堤最大波高hr分别除以无潜堤结果hn，以更深入地研究两者与溃坝波相互作用的特性，结果如图8所示。

图8 堤后测点G2处不同模型最大波高比随水头变化Fig. 8 At gauging point G2，the maximum wave height ratio varies with the head in different models

图8中，在不同波高的溃坝波作用下，柔性水囊潜堤堤后波高均较刚性潜堤小。柔性水囊潜堤阻挡水体的作用弱于刚性潜堤，即柔性水囊潜堤的堤前最大波较低。但其堤后最大波高却低于刚性潜堤，这是因为在波浪作用下，柔性水囊潜堤表面发生剧烈变形从而使波面产生相应改变，从Das等[20]的研究结果中可以看到，变形最严重的地方在潜堤表面中部区域。因为柔性水囊潜堤是一种多自由度的振荡系统，其表面会随波浪变化而发生非线性响应，而刚性潜堤无法做到这一点。正是柔性水囊潜堤表面的非线性变形，使其与溃坝波相互作用时加强了溃坝波能的耗散，于是才有如图8所示，在大部分工况中，柔性水囊潜堤消波性能均优于刚性潜堤。在λ=33.33时，柔性和刚性潜堤消波效果差距最大，此时两者堤后最大波高的比值相差了0.1，也就是说柔性潜堤使溃坝波最大水位已下降近10%，而刚性潜堤的下降值几乎为零。而在λ=10.00和λ=20.00时，柔性和刚性潜堤堤后最大波高结果最接近。在λ=20.00时，柔性和刚性潜堤都发生了堤后波高增大的情况，这是因为溃坝波经潜堤作用后在堤后形成了一个接近破碎的极端波浪，由图5测点G2的结果可以看到，波陡增加；在λ=10.00时，有潜堤作用的堤后测点波高结果相比无潜堤结果而言，已下降18%。总体而言，在初始水头差较大(λ=10.00、λ=20.00)与初始水头差较小(λ=40.00)时，柔性和刚性潜堤的堤后最大波高都已降低了10%以上。除了λ=10.00之外的其他工况中，柔性水囊潜堤堤后波高降低幅度皆大于刚性潜堤。在λ=10.00时，柔性潜堤和刚性潜堤消波效果差别也非常小，前者堤后最大波高已降低18.5%而后者为18%。

3 初始参数分析

3.1 内压

柔性水囊潜堤内压与其消波性能有非常密切的关系[18, 22]。柔性水囊潜堤是由内部密封水体和表面柔性材料组成的一个系统，改变内部液体的压强，会对其系统的整体刚度产生直接影响。试验在下游初始水深hd=16 cm的条件下，选取4组内压工况来探究柔性潜堤内压对其消波性能的影响。需要说明的是，试验通过柔性水囊潜堤注水细管内外液面的高差y来表征内部压强，因y为细管内水体液面高于管外液面的水柱高度，故在此之后都称y为水柱高度。

图9为不同内压下无量纲最大水位Hm随水头变化结果。

图9 不同内压下无量纲最大水位随水头变化Fig. 9 The dimensionless maximum water level varies with the head at different internal pressures

如图9(a)所示，潜堤前方测点G1的无量纲最大水位变化幅度较小。λ=13.33时，空水槽溃坝波因其非线性增强，峰值增大，但在柔性潜堤作用下，却使其峰值减小。从图9(b)测点G2可以看出，λ较大时，在水柱高度y=0条件下的无量纲最大水位Hm最低。随着λ逐渐减小，波浪与潜堤作用的非线性增强，λ=20.00时，在不同内压情况下，Hm皆达到在其各自条件下的最大值。其中，y=0的值最大，Hm=0.82。λ最小时，在水柱高度y=0的条件下无量纲最大水位也最小，为0.52。

图10为柔性水囊潜堤在不同内压条件下，测点G2处不同内压下最大波高比随水头变化结果，横轴为上游蓄水段相对长度λ，纵轴为柔性水囊潜堤最大水位hf与无潜堤结果hn的比值。当λ较大时，波浪与潜堤相互作用产生的非线性现象较弱，在水柱高度y=0条件下，消波性能最好。增加水柱高度y，会使柔性水囊潜堤整个系统的刚度增大，极端情况下会接近刚性潜堤的状态，故而，在非线性现象较弱时，其消波性能会弱于水柱高度y=0的潜堤，这与增压后整个刚性增强而产生的表面变形程度减弱有关。所以，当λ=40.00、33.33和25.00时，水柱高度y=4.5 cm的数值较大。随着λ减小，潜堤与波浪作用非线性增强，在不同水柱高度条件下，都有先上升后减小的变化趋势。但所有结果中，在水柱高度y=1 cm条件下，λ=13.33时，最小时降到了0.697，也就是说在柔性水囊潜堤作用下，溃坝波高可削减30%左右。可见柔性水囊潜堤能有效衰减溃坝波。

图10 堤后测点G2处不同内压下最大波高比随水头变化Fig. 10 At gauging point G2, the maximum wave height ratio varies with the head under different internal pressures

适当降低柔性水囊潜堤内压能够增强其消波能力，使溃坝波能被耗散的部分增大。降低内压，能够减小柔性水囊潜堤系统的整体刚度，其柔性表面在波浪作用时，变形程度加剧，对波浪的作用增强，产生更加明显的波浪破碎和水气掺混现象。

3.2 潜深

实际海况中，在潮流的作用下，海平面存在周期性涨落[29]，因此，探究柔性水囊潜堤在不同潜深条件下的消波特性，具有重要的现实意义。

溃坝波为水面波，其波能主要集中在水面附近，因此，潜深增加会使潜堤消波性能减弱。图11为测点G2处不同潜深最大波高比随水头变化。

图11 测点G2处不同潜深最大波高比值随水头变化Fig. 11 At gauging point G2, the maximum wave height ratio varies with the head at different depths

从图11中可以看出，在水柱高度y=0 cm的条件下，潜深与下游初始水深比值d/hd=0.350(d/R=0.538)时，加上潜堤后，溃坝波面相对于d/hd=0.188(d/R=0.231)时变化减小。在λ=20时，d/hd=0.188时最大波高比在增大而d/hd=0.350的值却反而在减小。λ减小到13.33后，d/hd=0.188时的波峰已迅速降低，而d/hd=0.350的波峰却相对增高了。适当减小潜深，会提高潜堤消波性能[30]。但在工程实际应用中，如果潜深过小，一方面，会影响近岸景观环境、不利于水体交换；另一方面，对潜堤稳定性要求增强，导致施工成本相应提高。通过更加细致深入的研究，找到柔性水囊潜堤的最佳潜深，对工程实际应用具有指导性意义。