倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤的消浪性能研究

2022-06-27梁丙臣

海岸工程 2022年2期

王强，刘睿，梁丙臣

（1. 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心, 山东东营 257000；2. 青岛国实科技集团有限公司青岛超级计算与大数据中心, 山东青岛 266061；3.中国海洋大学工程学院,山东青岛 266061）

防波堤是沿海港口工程中的重要组成部分，用于防御波浪对港口的侵袭，不同型式的防波堤具有不同的适用范围[1]。桩基透空式防波堤主要由上部消浪结构和下部桩基组成，具有自重轻、材料省的优点，适用于水深较大、土质较软的海域[2]。该类防波堤不仅能满足抵御削减波浪的基本功能要求，又可以有效保证港内外的水体交换，能最大程度地减轻防波堤对海洋自然及生态环境的负面影响[3-5]，受到国内外学者与工程技术人员的广泛关注。

20世纪中叶，Wiegel[6]首先提出了一种由多排小间距刚性桩组成的透空式防波堤，并推算出有限水深和无越浪情况下的透射系数近似解析解。此后越来越多的学者对此类结构展开讨论，研究不同型式的桩基透空式防波堤所引起的海岸环境变化。Neelamani和Vedagiri[7]提出了一种部分淹没的双层垂直挡板式桩基防波堤，通过物理模型试验对比研究其在深水区和浅水区的消浪效果，Laju等[8]指出此类防波堤的透射系数会随着相对淹没深度的增加而减小，随后Neelamani和Rajendran还提出了类似的“T”形[9]和“⊥”形[10]桩基防波堤。其后，Rageh等[11]又提出了一种安装在多排桩柱上的箱体式桩基防波堤，并指出影响此类防波堤消浪性能的主要因素是箱体的相对淹没深度和相对宽度。

为了进一步减小波浪反射，提升港内外的水体交换，防波堤的上部消浪结构也被设计为透空型式。Bennett[12]提出了水平板式桩基防波堤，Wang等[13]指出水平板的相对间隙对透射系数的影响大于反射系数，且垂直方向受力大于水平方向。Rageh和Koraim[14]提出了一种具有透空结构的垂直挡浪墙式桩基防波堤，研究表明这种防波堤的透射系数随着相对水深、相对淹没深度和开孔率的减小而减小，Koraim等[15]将试验研究从单层挡浪墙扩展到双层，指出增加一层挡浪墙可以将透射系数减小10%～20%，随后Koraim等[16]又在此基础上提出了C型挡浪条式桩基防波堤和L型挡浪条式桩基防波堤。Nakamura等[17]提出了倾斜挡板式桩基防波堤，证明倾斜挡板可以增加波浪的耗散。

本文则提出了一种倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤，该类防波堤的桩基采用方桩，下部结构采用桩连板的形式，上部结构为垂直型挡浪墙，这种新型的桩基透空型防波堤的示意图见图1。通过物理模型试验研究，讨论在规则波入射条件下此种桩基透空型防波堤的反射系数、透射系数、能量耗散系数和波能分布特征，分析影响其消浪性能的主要因素，以期对此种桩基透空型防波堤的实际应用和进一步研究提供参考。

图1 倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤Fig. 1 Sketch map of the pile-supported breakwater with perforated inclined wave screen

1 模型设计

防波堤试验模型（图2）选用铝合金材质，内部采用铅块配重，各组成部分使用螺丝固定，可改变挡浪板的开孔率ε和布置形式B。防波堤模型共有7种结构形式，本研究对7种结构形式均进行研究，分别设为工况1～工况7，对应的挡浪板形式依次命名为B1～B31。挡浪板的开孔率有3种情况，分别为10%、20%和30%（图3），挡浪板的开孔中心位置、开孔数量和开孔排布形式等要素均相同。挡浪板的布置形式可分为单层挡浪板和双层挡浪板，当挡浪板为单层时，将其安装在第一排斜桩上；当挡浪板为双层时，可分别安装在第一排和第三排斜桩上，且双层挡浪板的开孔率具有多种组合方式（图4）。试验模型的具体参数如表1所示。

表1 倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤模型参数Table 1 Parameters of pile-supported breakwater model with perforated inclined wave screen

图2 防波堤模型尺寸（mm）与照片Fig. 2 Dimensions (mm) and photo of the breakwater model

图3 不同开孔率的挡浪板模型尺寸(mm)Fig. 3 Dimensions of the model of perforated inclined wave screen with different open-pore rate (mm)

图4 单层挡浪板和双层挡浪板的桩基透空型防波堤Fig. 4 The pile-supported perforated breakwater with single inclined wave screen and double included wave screens

2 物理模型试验

2.1 设备和布置

物理模型试验开展于山东交通学院港航水动力学实验室的波浪水槽，该水槽长50 m，宽1.2 m，深1.4 m。水槽前端的造波机采用低惯性伺服电机推板形式结构，可造出波形稳定、重复性良好的波列，造波周期为0.6～5.0 s、模拟波高为0.03～0.25 m。水槽末端装有消浪网，可有效减少波浪反射。为最大程度地减小波浪的二次反射，在水槽中部的试验区域安装薄壁隔板，将水槽一分为二，2个通道的宽度均为0.6 m。

倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤模型放置于距水槽造波端29 m位置处，试验中共布置10支浪高仪对波高进行测量，具体模型布置如图5所示。以第一排浪高仪1#和1′#为例，两者在水槽中等间距并列布设，同时记录波浪过程，测量结果取二者平均值。模型迎浪侧，浪高仪1#～3#和1′#～3′#的布设位置符合Goda两点法[18]的要求，L12=L23（L1′2′=L2′3′）,L12随工况而调整，调整范围为0.39～1.71 m，浪高仪3#（3′#）与模型的间距约6 m。模型向岸侧，模型与浪高仪4#（4′#）间距约4 m，浪高仪4#～5#和4′#～5′#的间距固定不变，L45=L4′5′=0.3 m。

图5 倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤模型试验的布置Fig. 5 Schematic diagram of model experimental layout for pile-supported breakwater model with perforated inclined wave screen

2.2 试验条件和组次

综合考虑实际工程中的典型工况和实验室水槽尺寸及造波能力，确定模型试验所采用的波高、周期组合。试验水深D=0.95 m，仅研究规则波条件下防波堤的消浪特征，波浪周期T为1.25～2.50 s，波高H为0.06～0.22 m。试验采用 11 种试验组次和7种结构形式的组合，共计77种工况，具体的试验组次见表2。

表2 倾斜挡浪板式桩基透空型防波堤模型波浪参数Table 2 Parameters of pile-supported breakwater model with perforated inclined wave screen

2.3 试验现象

图6为工况1结构形式的防波堤模型消浪性能试验现象，试验工况为波高较大的情况，相对波高H/D为0.23，相对堤宽W/L为0.33。在消浪过程中波浪对上部结构挡浪墙产生强烈的冲击作用，波浪沿挡浪墙爬升至最高点后，在重力作用下迅速跌落，产生猛烈冲击，同时有大量气泡卷入，水体紊动剧烈，波浪破碎。同时，挡浪板在波浪的传播过程中与水质点相互阻碍、发生震荡，可增强波能的耗散。

图6 防波堤的消浪过程Fig. 6 Wave-dissipating process of the breakwater

2.4 试验数据采集与处理

试验前率定浪高仪，确保测量仪器正常使用且精准测量。试验过程中，同时记录10个测点的波面过程，模型前的6支浪高仪的测量数据可通过 Goda 两点法[18]分离得出入射波高和反射波高，模型后的4支浪高仪的数据可由上跨零点法统计得出透射波高，每组试验重复3遍，取其平均值作为最终结果。

反射系数、透射系数和波能耗散系数是表征防波堤消浪性能的重要指标。反射系数（Kr）指反射波高与入射波高的比值，透射系数（Kt）指透射波高与入射波高的比值，其计算公式为：

式（1）～（2）中，Hi为入射波高，Hr为反射波高，Ht为透射波高。根据能量守恒定律，波能耗散系数（Kd）满足：

因此，Kd可通过Kr和Kt求得，如下式：

3 试验结果分析

3.1 单层挡浪板开孔率对消浪性能的影响

为研究挡浪板的开孔率对此种防波堤消浪性能的影响，选取防波堤模型工况1、工况2和工况3作为试验研究对象（图7、图8和图9）。单层挡浪板开孔率的减小，增大了防波堤模型的反射系数和波能耗散系数，有效降低了防波堤模型的透射系数。反射系数随着相对波高的增大而减小，随相对堤宽的增大而增大，但单层挡浪板开孔率对反射系数的影响较小。透射系数随着相对波高的增大而增大，随相对堤宽增大而减小。当单层挡浪板开孔率分别为10%、20%和30%时，透射系数的范围分别是0.07～0.58、0.07～0.65和0.08～0.70，平均透射系数分别是0.35、0.39和0.43。波能耗散系数在整体上与相对波高和相对堤宽呈正相关关系，当堤宽为波长的0.25倍时，耗散系数相对较大。单层挡浪板开孔率为10%时，防波堤模型的耗散系数的增长幅度最小。当单层挡浪板开孔率分别为10%、20%和30%时，耗散系数的范围分别是0.50～0.73、0.48～0.73和0.42～0.71，平均耗散系数分别是0.64、0.63和0.57。

图7 挡浪板开孔率对反射系数的影响Fig. 7 The influence of wave screen open-pore rate ε on reflection coefficient Kr

图8 挡浪板开孔率对透射系数的影响Fig. 8 The influence of wave screen open-pore rate ε on transmission coefficient Kt

图9 挡浪板开孔率对波能耗散系数的影响Fig. 9 The influence of wave screen open-pore rate ε on wave-dissipating coefficient Kd

由此可知，当防波堤采用单层挡浪板时，挡浪板的开孔率自30%降低至10%，平均透射系数可减小约24.3%，平均耗散系数可增长约12.8%，挡浪板开孔率的减小可提高防波堤的消浪能力。

3.2 双层挡浪板布置形式对消浪性能的影响

为研究挡浪板的布置形式对此种防波堤消浪性能的影响，选取防波堤模型工况1、工况4、工况5、工况6和工况7作为试验研究对象（图10～图12）。对比可知，挡浪板由单层板变为双层板，降低了防波堤模型的透射系数，增大了波能耗散系数，但对反射系数的影响并不显著。在试验范围内，此种防波堤对不同波高的波浪（相对波高为0.06～0.34）均具有良好的消浪效果，但对长周期波浪（相对堤宽＜0.25）的消浪效果有限。

图10 挡浪板布置形式对反射系数的影响Fig. 10 The influence of wave screen combination B on reflection coefficient Kr

图11 挡浪板布置形式对透射系数的影响Fig. 11 The influence of wave screen combination B on transmission coefficient Kt

图12 挡浪板布置形式对波能耗散系数的影响Fig. 12 The influence of wave screen combination B on dissipation coefficient Kd

透射系数Kt随相对波高无明显变化，随相对堤宽的增大整体上呈现减小的趋势。挡浪板的布置形式分别为B1、B11、B22、B13和B31时，其透射系数的范围分别为0.07～0.58、0.03～0.49、0.06～0.58、0.07～0.58和0.06～0.59，平均透射系数分别为0.35、0.25、0.39、0.30和0.32。透射系数自小到大，挡浪板的布置形式依次为B11、B13、B31、B1、B22。可知，此种防波堤的透射效果取决于挡浪板组合中的最小开孔率，例如开孔率为10%的单层挡浪板（B1）模型的消浪效果优于开孔率均为20%的双层挡浪板（B22）模型；当挡浪板组合中的最小开孔率相同时，双层挡浪板模型的消浪效果优于单层挡浪板模型，例如开孔率均为10%的双层挡浪板（B11）模型的平均透射系数Kt较开孔率为10%的单层挡浪板（B1）模型降低了12.9%；当防波堤模型均为双层挡浪板且最小开孔率相同时，消浪效果则取决于另一块挡浪板的开孔率。

波能耗散系数在整体上与相对波高、相对堤宽均呈正相关关系。挡浪板的布置形式分别为B1、B11、B22、B13和B31时，耗散系数的范围分别是0.50～0.73、0.55～0.78、0.55～0.75、0.49～0.74和0.54～0.76，平均耗散系数分别为0.64、0.70、0.67、0.64和0.69。双层挡浪板提高了此种防波堤模型对波能的耗散，挡浪板的布置形式由单层挡浪板B1变为双层挡浪板B11时，防波堤模型的平均耗散系数增加了约9.4%。需特别指出的是，若此种防波堤模型为双层挡浪板且2个挡浪板的开孔率不同时，将开孔率大的挡浪板安装在前排桩基可获得更好的消浪效果，例如挡浪板布置形式为B31的防波堤模型与挡浪板布置形式为B13的防波堤模型相比，其平均耗散系数增长了约7.8%，这可能是由于前排挡浪板的开孔率较大，更多的波浪透过前排挡浪板后，波浪在两层挡浪板之间来回震荡，导致波能耗散加剧。

3.3 波能分布特征及消浪机理分析

波浪能量分布的角度进一步分析此种桩基透空型防波堤的消浪性能，结果如图13所示。入射波浪与防波堤模型相互作用后，波浪能量被转化为3个部分：①反射波浪能量Er，主要是由波浪与上部挡浪墙、下部透空挡浪板以及桩基的相互作用而产生，以反射波的形式向入射波相反的方向传输；②透射波浪能量Et，由波浪传播通过防波堤而产生，以透射波的形式继续向前传输；③耗散波浪能量Ed，主要包括因波浪与防波堤的摩擦作用和水体紊动所损失的能量。防波堤的消浪性能主要源于对波浪的反射作用和波浪的能量损耗。

图13 不同防波堤模型情况下的波能分布Fig. 13 The wave energy distributions under different cases of breakwater model

利用图13a和图13b对比分析了入射波的波高对波能分布的影响，相对波高分别为0.11和0.23，其他参数固定不变。对比分析发现，当入射波浪的波高增大时，波能骤增，水体与防波堤间发生强烈的相互冲击，波形急剧变化，波浪运动的非线性增强，波浪破碎的程度加剧，水体紊动强烈，局部能量损耗增高，各防波堤模型的耗散波能占比增加，反射波能占比减小，透射波能占比减小，其中透射波能占比的变化幅度较小。对比分析入射波的波长对波能分布的影响（图13a和图13c）可知，相对堤宽分别为0.33和0.16，其他参数固定不变。当入射波浪的波长增大时，在试验范围内，波浪运动的非线性减弱，水体紊动减缓，波能沿程损失减小，防波堤对于长周期波浪的波能耗散能力降低，各防波堤模型的耗散波能占比大幅度下降，透射波能占比显著增加，反射波能占比的改变相对较小。可知，此种防波堤对于波高较大的波浪仍然具有良好的消浪效果，但对于周期较大的波浪，其消浪效果受到局限。

对比分析单层挡浪板的开孔率对波能分布影响的结果表明，挡浪板的开孔结构改变了防波堤与入射波浪的接触面积，同时在波浪的传播过程中，开孔区域内的水质点会发生震荡与相互阻碍。当挡浪板的开孔率减小时，防波堤与入射波浪的接触面积增大，有更少的水体从开孔中穿过，同时开孔内的水质点碰撞、冲击、相互挤压的程度加剧，进而波浪运动的非线性增强，波浪破碎加剧，水体紊动强烈，波能损耗程度增大。挡浪板开孔率的减小，使得透射波能占比减小，耗散波能占比增大，反射波能占比增大，防波堤的消浪效果增强。

再对比分析双层挡浪板的布置形式对波能分布的影响可知，当防波堤采用双层挡浪板时，前后排挡浪板上波浪力存在相位差，波浪在多层挡浪板之间来回震荡，水质点运动方向多次发生改变，水质点间相互碰撞，水体紊动加剧且产生涡旋，波能损耗增强。相较于单层挡浪板，双层挡浪板使得耗散波能占比显著增大，透射波能占比减小，反射波能占比无明显改变。当双层挡浪板的前后开孔率不同时，反射波能占比取决于前排挡浪板的开孔率，例如前排挡浪板开孔率为30%的防波堤模型工况7的反射波能占比最小，这是由于前排挡浪板的开孔率较大时，防波堤与入射波浪的接触面积减小，更多的水体穿过第一层挡浪板继续传播，减弱了波浪的反射效应。然而，透射波能占比则取决于挡浪板组合中的最小开孔率，例如透射波能占比最高的是最小开孔率为20%的防波堤模型工况5，这是由于挡浪板的最小开孔率限制了可以最终穿过防波堤的水体。当双层板中前后挡浪板的开孔率不同时，将开孔率较大的挡浪板安装在迎浪侧时，增强波浪在两层挡浪板之间的震荡，导致波能耗散加剧，可提高耗散波能的占比。