多孔结构防波堤消浪特性实验研究

倪道俊，魏宇墨，齐 欣

（1.三峡新能源阳江发电有限公司，广东阳江 529500；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

引言

浮式防波堤比传统防波堤重量轻、结构简单、成本低，并且可自由放置，对基础要求低。但浮式防波堤只能在波能较低的地区使用，不适合波能较高的地方。结构形式对于浮式防波堤的消浪能力具有重要的决定作用，防波堤类型不同，消浪原理也会有差别。虽然浮式防波堤的研究在国内外已经有很多，各国学者也相继提出了不同的结构形式，但到目前为止，大规模应用的地区很少。浮式防波堤尚处于研究、发展阶段，消浪能力还不够完善，只能用于临时防浪。

国内外对浮式防波堤消浪性能的研究中，Zhen-hua Huang 等对浮式防波堤加槽式浮式防波堤和不加槽式浮式防波堤进行了对比研究，实验结果表明，在浮箱式防波堤底部设置开槽障碍物，在不增加波浪起伏响应的情况下，能有效的提高防波堤的消浪性能[1]；Xiao-song Zhang 等提出粘性效应是影响防波堤消浪性能的重要因素之一，通过对矩形倒“Π”形固定式浮式防波堤进行粘性流场模拟，提出了一种新型L 形浮式防波堤，得出结论，在相同的防浪性能下，L 形防波堤具有更好的经济性能[2]；李松喆 等通过对“开”型与矩形浮箱式防波堤消浪特性进行对比，得出结论：相对宽度会影响“开”型浮式防波堤的透射系数，相对宽度越大，投射系数越小，除此之外，“开”型浮式防波堤不仅通过反射波能进行消波，下悬臂和形成的空腔也能对波能产生消散作用[3]；房卓等通过FLUENT 求解器，采用源函数造波法生成线性波、不规则波等，研究了透空式梳式防波堤对波能的消散作用，从而得出相对宽度是影响投射系数的重要因素之一[4]；杨浩提出了一种将阻尼结构与浮板结合起来的新型柔性浮式防波堤，研究了相对宽度、波陡以及浮板对消浪特性的影响，最后得出相对宽度、波陡对投射系数都有较为明显的影响[5]。

目前应用中的浮式防波堤的结构形式对短波的消浪效果比较明显，但在长波的实验研究中仍有较高的透射率。对于一般的浮式防波堤，透射系数通常来讲应小于0.5，相对宽度（B/L，浮堤自身的宽度与波长的比值）要在0.3 以上，这样就对浮式防波堤本身要求很高。当遇到周期较长的灾害性波浪时，普通的浮式防波堤基本起不到消浪作用，反而自身会受到较大的锚链张力，存在安全性的威胁。若要对浮式防波堤加以安全性的改进，必将增加整体造价，同时也增加了防波堤的安装以及维护的难度。

因此，影响浮式防波堤在工程中广泛应用的原因主要有以下两点：

1）面对周期较长的灾害性波浪时，浮式防波堤不仅不能起到消浪作用，反而自身存在危险；

2）面对波高较大的波浪时，波浪会直接越过浮式防波堤，防波堤起不到消浪的作用。

本文针对以上问题，提出两种结构形式的浮式防波堤，两种防波堤的构造与浮筏式防波堤类似，通过设置多孔结构，来打乱波浪中水质点的有序运动，让水质点相互掺混碰撞，进而消耗能量，并通过物理实验模型来对比了两种形式防波堤的消浪效果，可对浮式防波堤在工程中的应用提供指导。

1 物理模型实验

1.1 模型制作

1）金属网式浮式防波堤

金属网式浮式防波堤拟用1 mm 细孔晒进行实验（比例尺1：49），四周用木板进行固定。消波机理：让波浪流过网眼来达到耗能的目的进而消波。如图1，模型尺寸与实际尺寸见表1。

图1 金属网式浮式防波堤

表1 金属网式防波堤尺寸

2）盲沟式浮式防波堤

为进一步研究多层多孔材料的消浪性能，采用实验室塑料盲沟进行制作盲沟式浮式防波堤（比例尺1：49），如图2，模型尺寸与实际尺寸见表2。

图2 盲沟式防波堤

表2 盲沟式防波堤尺寸

1.2 实验装置

该物理实验在天津大学港口与海岸工程国家重点实验室大型不规则随机波浪水槽中进行，实验水槽长度为90 m，宽为2 m，最大水深为2 m。水槽通过低惯性交流电伺服推板造波机来模拟规则波，JONSWAP 谱等不规则波，并通过末端的消波装置来消波。在造波机前布置浪高仪#20，用来采集入射波波高，在防波堤模型迎浪面前布置浪高仪#18，用来记录模型前的波面时间历程，实验数据通过Goda 两点法[10]进行处理，求出反射系数，在模型背浪面一侧布置浪高仪#23，用来记录透射波波面时间历程，同样用Goda 两点法对实验所得数据进行处理，进而计算出透射系数。布置形式如图3，水池实景如图4。该实验用到的仪器还有测量浮式防波堤六自由度运动响应的陀螺仪传感器，测量系泊缆张力的拉力传感器。每根系泊缆下方挂有相应的配重砝码，系泊缆布置形式如图5。

图3 波高仪布置形式

图4 水池实景图

图5 系泊缆布置形式

1.3 实验工况

本研究针对临时维护施工厂做出设计。实验采用规则波，金属网式防波堤与盲沟式防波堤选取实验工况如表3，折叠式盲沟防波堤选取工况如表4。

表3 金属网式、盲沟式防波堤工况（水深0.5 m）

表4 折叠式防波堤工况（水深1 m）

2 实验结果分析

2.1 金属网式防波堤

每种工况采样频率为50 Hz，采样时间60 s。由#20、#18、#23 波高仪测得波面高程如图6～10。

图6 工况1

图7 工况2

图8 工况3

图9 工况4

图10 工况5

分别以波浪周期、相对宽度（B/L）为变量，求得金属网式防波堤的透射系数如表5。

表5 金属网防波堤透射系数

通过以上波面高程图，可以看出金属网浮式防波堤有一定的消浪作用，但是随着周期的变长，透射系数逐渐接近与1，消浪效果减弱，另外，随着波长的增加，透射系数也明显增大。

2.2 盲沟式防波堤

每种工况采样频率为50 Hz，采样时间60 s。由#20、#18、#23 波高仪测得波面高程如图11～15。

图11 工况1

图12 工况2

图13 工况3

图14 工况4

图15 工况5

分别以波浪周期、相对宽度（B/L）为变量，求得盲沟式浮式防波堤的透射系数如表6。

表6 盲沟式防波堤透射系数

从以上数据可以看出，在周期比较小的时候，消波效果还是比较明显的，尤其是周期最小的0.7 s的情况下波浪基本上完全消减，而且水质点的运动完全被打乱。

3 实验结果分析

分别以周期、相对宽度为变量，对金属网式防波堤、盲沟式防波堤的透射系数进行比较，如图16至图17。

图16 周期下的透射系数比较

图17 相对宽度下的透射系数比较

通过以上两图的明显对比，对于金属网浮式防波堤来说，盲沟式浮式防波堤的效果在短周期波浪条件下还是有明显的优势，长周期波浪条件下效果也稍微有一些提高，特别是盲沟式浮式防波堤，在宽度仅是波长0.4 倍的情况下，依然能够消掉20 %左右的波浪。但是，面对长周期的波浪，消浪效果还不够理想，但是总的来说随着结构的改进，多孔结构层数的增加，消浪效果也是越来越好。

鉴于盲沟式浮式防波堤在短周期波浪下消浪效果明显，加以改进，可以用于掩护水产增养殖设施，人工海水浴场等水域以取得节省投资和保持良好水质交换的双重效果，海上工程的施工现场也可以用盲沟式浮式防波堤来进行临时性掩护，以增加施工作业天数，缩短工期提高效益。