波浪作用下的新型消浪板結(jié)構(gòu)

陳大明，雷振國，孫洋波，翁友法

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200032；2.上海建惠建設(shè)咨詢有限公司，上海 200002）

作為防波堤、護岸工程的一個重要組成部分，護面塊體的設(shè)計、選擇等是防波堤、護岸工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，護面塊體的水力性能將直接關(guān)系到防波堤、護岸等結(jié)構(gòu)物的安全、堤身斷面大小、堤頂高低等。因此，研究穩(wěn)定性好、反射小、爬高低、經(jīng)濟且易施工的護面塊體是一個重要的技術(shù)課題[1-2]。目前，用于斜坡式防波堤的護面消浪塊體已有100余種[3]。然而，前人研究的多種護面塊體的形式已逐漸不能適應(yīng)某些復(fù)雜的地質(zhì)及氣候環(huán)境[4]。而新型消浪板結(jié)構(gòu)正是在這種情況下進行的研究，提出新的結(jié)構(gòu)體系來解決斜坡式防波堤表面的消能和受力問題，該結(jié)構(gòu)主要包括上層開孔板和下層實心板兩部分，通過波浪與開孔以及雙層板之間的相互作用來消能，根據(jù)之前的分析研究，該消浪板結(jié)構(gòu)具有較好的消能效果[5]，因此本文主要研究在波浪作用下結(jié)構(gòu)的水動力特性。

1 試驗方法

本次模型試驗在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程試驗室的波浪水槽中進行。點壓強和波高的量測均采用水利部北京水利水電研究院的DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)及其配套的傳感器、浪高儀。其中點壓強傳感器的量程為10 kPa。試驗遵循《波浪模型試驗規(guī)程》[6]的相關(guān)規(guī)定進行。

進行波浪模擬試驗時，在模型斷面的中心軸線處放置浪高儀，調(diào)整水槽中的水位至所設(shè)定的值后進行造波試驗，測定原始波高。由計算機完成選定分析和采樣工作。規(guī)則波試驗的實測波高、周期和目標平均波高、周期的偏差控制在士5%以內(nèi)。

根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》[8]，在試驗中規(guī)則波采樣每秒30次，采集20 s。

每組試驗重復(fù)3次，取其平均值作為最終試驗結(jié)果。

在每組模型試驗中，需要進行以下三方面的實測：入射波高與反射波高、波浪爬高與回落深度以及堤身點壓強。其中入射波高與反射波高是在造波機和堤前設(shè)定的距離各擺放一臺浪高儀。波浪爬高與回落深度的測量是在開孔板兩端設(shè)置標尺，試驗過程進行錄像，然后通過計算機分析出讀數(shù)。堤身的點壓強是在堤身的設(shè)定部位開孔，將點壓強傳感器置于其中測得。

測點壓強的模型共安裝8個點壓強傳感器（每種試驗?zāi)Ｐ偷狞c壓強的測試個數(shù)、位置相同）。傳感器的位置如圖1～4所示。在上層板上，安放4個點壓強傳感器（1～4號）；在底層板上安放了4個點壓強傳感器（5～8號），這4個傳感器的位置正好與上層板的開孔位置對應(yīng)，以便測得底板受到的波浪力。

圖1 開孔直徑為5 cm的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖2 開孔直徑為10 cm的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖3 開孔為橢圓孔的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖4 底板傳感器布置圖（單位：cm）

2 試驗?zāi)Ｐ图安贾?/h2>

模型試驗幾何比尺λl取為1∶10，模型采用有機玻璃制成，寬度為80 cm（略小于水槽寬度），縱向長90 cm，板厚度為3 cm，兩層板間距取10 cm，坡度為1∶1.5，試驗水深為33 cm，開孔板開孔分別取5 cm和10 cm的圓孔以及橢圓孔。橢圓開孔形式結(jié)構(gòu)模型立體圖如圖5所示。

圖5 模型立體圖

為了盡量減小波浪反射對試驗的影響，除堤后設(shè)有消波裝置（消能網(wǎng)）外，試驗時將模型放置在水槽中后部，距離造波板足夠遠的地方，保證模型處不會受二次反射波浪的影響。距離造波機10 m處放置1號浪高儀，距離堤前2 m處放置2號浪高儀，模型在水槽中的布置如圖6。

圖6 試驗水槽及模型布置圖

3 點壓強

各個點壓強測點的具體位置（如圖1～4所示）。本次對點壓強進行測量時，無論是不同開孔形式還是不同波要素情況下，其測點的相對位置不變。本文以規(guī)則波為例，對消浪板結(jié)構(gòu)的點壓強進行分析比較。

消浪板結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下的點壓強值如表1，圖7列出了部分測點上的點壓強過程線。從以上圖表中可以看出，規(guī)則波作用時各種條件下結(jié)構(gòu)上的點壓強有以下的特點。

表1 規(guī)則波作用下各種結(jié)構(gòu)形式點壓強的比較 kPa

續(xù)表1 kPa

續(xù)表1 kPa

1）無論哪種開孔形式，上層板各測點上的壓強最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測點（為3號測點）。向下隨著入水深度的增加，點壓強有規(guī)律地減小；靜水面以上的點壓強也隨著離靜水面的距離增加而減小。

2）壓強具有尖陡的峰值和短暫的作用時間，體現(xiàn)了近破波的性質(zhì)。除個別情況，壓強時間過程線相對平穩(wěn)，不同時刻采集的壓強最大值相差不是很大，有些情況下甚至很接近。

圖7 消浪板結(jié)構(gòu)上部分測點點壓強時間過程線（橢圓形開孔結(jié)構(gòu)，波高H=0.15 m，周期T=1.00 s）

3）上層板上的1號測點，在一些小波（波高較小的波浪）作用下未能作用到該測點，并且還有少量大波（波高較大的波浪）在周期較大時也未能作用到該測點。而對于相同波高和周期情況下，相對開孔較小時，上層板上的1號測點有點壓強存在，這說明相對開孔較小時波浪爬高較大，能作用到該測點，從而可得出相對開孔較小時結(jié)構(gòu)的消能效果相對較差。

4）在相同波高和周期情況下，相對開孔較小時板上的點壓強值要比相對開孔較大時板上的點壓強值大，尤其是1號和2號測點，不同開孔狀態(tài)下，點壓強相差較大。測試結(jié)果證明，橢圓形開孔的消浪板結(jié)構(gòu)不僅具有較好的消能效果，而且其上層板表面受到的波壓力也較小。

5）對于底板，與上層板開孔相對應(yīng)的位置上布置了5號、6號、7號和8號測點，從上層板開孔射入箱室的水體直接作用于與開孔相對應(yīng)的底板測點上，加上進入箱室的波能擴散受阻，從而導(dǎo)致底板測點壓強較大。從表1中可以看出，底層板上的點壓強值一般都比與之相對應(yīng)的上層板上的點壓強值大。

此外，對于相同波高和周期情況下，不同開孔形式的消浪板結(jié)構(gòu)的底層板上的點壓強值相差較大，以橢圓形開孔結(jié)構(gòu)底層板上的點壓強值最大（7號和8號測點），而且其點壓強作用范圍也最大，這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對較大。

根據(jù)研究，相對開孔是影響消浪板結(jié)構(gòu)消能效果的最主要因素，消能系數(shù)隨相對開孔的增大而明顯增大，即相對開孔越大，結(jié)構(gòu)的消能效果越好[7]；然而，從波浪作用下結(jié)構(gòu)承載能力角度看，應(yīng)該盡量減小底層板上受到的波壓力，這就限制了對結(jié)構(gòu)開孔的設(shè)計，并非相對開孔尺寸越大越好，因此綜合考慮消能和受力兩方面因素，確定采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式，既有好的消能效果，也能夠滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。

4 壓強包絡(luò)圖

將各個測點的壓強峰值取平均值后，繪制出不同波要素情況下的壓強包絡(luò)圖。部分壓強包絡(luò)圖如圖8所示。表2列出了不同波要素以及不同開孔條件下，1～4號測點的點壓強值。從包絡(luò)圖可以看出，無論何種波要素情況下，點壓強的最大值都出現(xiàn)在靜水面附近，隨著水深的增加，其壓強值隨之減小，靜水面以上的點壓強也隨著離靜水面的距離增加而減小。但是就靜水面附近的點壓強值而言，不同開孔形式的結(jié)構(gòu)，在波要素一致的情況下，其點壓強值相差不大，比較接近。隨著波高的增大，靜水面附近的點壓強值明顯變大。

圖8 橢圓開孔結(jié)構(gòu)上層板點壓強包絡(luò)圖（單位：kPa）

表2 規(guī)則波作用下橢圓開孔結(jié)構(gòu)各測點的點壓強值kPa

5 總力

本文所討論的總力是指在不同波要素下，消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的總力大小，由點壓強積分所得（根據(jù)壓強包絡(luò)圖），其最大值和平均值如表3所示。雖然通過這種方式得到的總力和結(jié)構(gòu)所受的實際總力存在一定的誤差，但是用來表示不同開孔形式的結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受總力的不同，具有相對的合理性。

綜合考慮消能和受力兩方面原因，最終確定開孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式[5]。因此，表3中列出的是橢圓形開孔結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受的總力。

表3 規(guī)則波作用下結(jié)構(gòu)受到的總力

由表3可知，結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小隨著波高的增加而增大，同時，在波高相同時，總力值的大小還受波長、相對板寬和波陡等因素的影響。在相同波要素情況下，除個別情況（總壓力值的最大值和平均值相差達35.85%），總壓力值的最大值和平均值相差不是很大，最大可達到18.31%，而最小僅有4.88%。最大值和平均值相差不大，這說明在波浪沖擊消浪板結(jié)構(gòu)時，雖然由于波浪的破碎而造成沖擊，但不會經(jīng)常出現(xiàn)過大的瞬時壓力，這樣對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和承載力的計算提供了很多方便。

需要說明的是這里分析的總力，是指開孔消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的波壓力，而不包括波浪通過開孔進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部后到達底層板，同時引起的能量集中，產(chǎn)生較大的瞬時壓強。這是因為所研究的在波浪沖擊作用下，結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足要求，主要是針對上層板而言。雙層開孔消浪板結(jié)構(gòu)是一個整體，上層板受到的波壓力的總和遠大于底層板，因此需要計算結(jié)構(gòu)的上層板在最大波壓力作用下承載力是否滿足，而對于穩(wěn)定性的計算，則需要整體結(jié)構(gòu)都能夠滿足穩(wěn)定性的要求。

6 結(jié)語

本文重點對消浪板結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下的點壓強和總力的大小以及分布規(guī)律進行了研究，并且將不同開孔形式下結(jié)構(gòu)的點壓強和總力進行比較，得出以下規(guī)律：

1）在點壓強方面，由于波浪的波要素和結(jié)構(gòu)形式的不同，導(dǎo)致了各個測點點壓強值和分布規(guī)律有所不同。但是無論哪種開孔形式以及波要素下，上層板各測點上的壓強最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測點（為3號測點）。向下隨著入水深度的增加，點壓強也有規(guī)律地減小；靜水面以上的點壓強也隨著離靜水面的距離增加而減小。

2）由于波浪通過上層板的開孔進入到消浪板結(jié)構(gòu)的箱室內(nèi)之后，在與上層板開孔位置相對應(yīng)的底板上產(chǎn)生了較大的壓強峰值。對于相同波高和周期情況下，以橢圓形開孔結(jié)構(gòu)底層板上的點壓強值最大，而且其點壓強作用范圍也最大，這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對很大。這樣，在考慮增大結(jié)構(gòu)開孔率以便提高結(jié)構(gòu)消能效果的同時也要考慮底層板的受力，在保證具有好的消能效果的同時，也要兼顧結(jié)構(gòu)的受力要求。本文綜合考慮消能和受力兩方面因素，認為開孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式較好。

3）通過對各個測點的點壓強進行同步積分得到結(jié)構(gòu)上層板受到的總力。經(jīng)過分析研究，結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小受到波高、波周期、波陡、相對板寬、開孔率、上層板與底板間距離等要素的影響。作為一種新型消浪結(jié)構(gòu)，用于工程實踐應(yīng)需進行進一步試驗研究。

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[6]JTJ/T 234-2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].