自由水面式半圓體開孔海洋結構物水動力性能實驗研究

翟 鋼 軍， 馬 哲， Teh Hee－min， Vengatesan Venugopal

（1.大連理工大學 深海工程研究中心，遼寧 大連 116024；2.愛丁堡大學 能源系統研究所，英國 愛丁堡 EH9 3JL）

0 引 言

近年來，相對傳統的海洋工程結構物型式，建造對自然影響更小的“軟性結構”已成為國外研究熱點.“軟性結構”指的是為了維護海岸結構的天然性，允許海洋工程結構物后方水域有一定能量的波浪存在.自由水面式海洋工程結構物就是這種“軟性結構”的代表，通常也被叫做開敞式結構物，因其不阻斷海水流域，近些年越來越受到海岸及海洋工程從業者的關注.這種結構型式對解決結構物后方水體污染問題、近海魚類正常遷徙以及結構物周圍泥沙淤積等問題都有重要意義.

由于波浪的能量隨著水深的增加逐漸減小，波浪能量的有效作用深度一般遠遠小于其海域的海水深度.從功能上說，以消除波浪為目標的傳統海洋工程結構物的本質就是將來浪反射回去，使其遠離港口碼頭岸線，但是不可避免地會對海上小型船舶的航行造成影響.

Teh等[1]將自由水面式海洋工程結構物按照不同結構型式分為4類，包括堆砌式結構、板式結構、沉箱式結構以及多體式結構.

（1）堆砌式結構：堆砌式海洋工程結構物具有相對簡單的外觀設計，典型的包括箱型、圓柱型、帶前趾型以及梯型等結構型式.Koutandos等[2]進行了箱型自由水面式海洋工程結構物的物理模型試驗.該類型的結構物在浸入水深較大時具有很高的堤前反射，當結構浸水深度與水深之比在0.2～0.3，相對入射波長寬度在0.3時，反射波的能量約占入射波能量的80%.

對于曲面型式的自由水面海洋工程結構物，Li等[3]應用Tsay等的近似法[4]進行了長圓柱型結構波浪透射性能的數值模擬.結果顯示隨著結構物幾何尺寸以及浸水深度的增大，波浪的透射效應減小.Sundar等[5]建立了一種組合式海洋工程結構物，它被設計成前端為1/4曲面、后端為常規方箱的結構，這種設計方式有利于消除波浪的反射能量.試驗結果表明在不規則海況下該種結構的波浪反射率最大值為65%.

（2）板式結構：板式結構的海洋工程結構物通常由單層或多層水平/豎直板所組成，目前已經報道過的類型有水平板、雙重板、T形板、⊥形板以及H形板等.對于單層水平放置的板式海洋工程結構物，Hu等[6]發現其波浪透射率隨著結構物浸入水深的增加而增大.對于雙層板式海洋工程結構物，Neelamani等[7]注意到板間距為水深的0.4倍時，波浪反射系數最小.

Neelamani等[8，9]對 T 形和⊥形海洋工程結構物進行了實驗對比，發現T形比⊥形結構物在消波性能方面更加有效，有效率約高出25%.Neelamani等[10]又研究了H形海洋工程結構物的幾何形式對波浪的影響.結果表明在減小波浪能量方面，H形結構物后方的擋板浸水深度比前方擋板的更加重要.

（3）沉箱式結構：沉箱式自由水面海洋工程結構物在水體與結構接觸處筑有不透水的墻體，最常見的結構型式有U形結構，以及將其上下倒置的П形結構.為了增加對波浪能的耗散，往往在墻體上開有數量不等的孔.Brossard等[11]對迎浪面開孔的U形海洋工程結構物進行了相關的研究，發現該種類型結構物的消波性能隨著結構浸水深度的增加而增強.在結構安放型式方面，Günaydln等[12]通過對比實驗結果，總結出了П形海洋工程結構物的消波性能要優于U形.

（4）多體式結構：典型的多體結構式海洋工程結構物由一定數量的水平板構成，布置在水下一定深度的區域.這樣的結構型式有助于減小波浪反射以及水平方向的波浪力.Wang等[13]設計了一種格柵式海洋工程結構物，由一系列的水平板構成，這些水平板可以有效約束流體粒子的豎向運動.當水平板間距約是波長的1/4時，結構物可以最有效地減低入射波高.波浪的透射系數隨著水平板間距的增加呈增大的趨勢，但板間距對反射系數的影響不大.

綜上所述，大多數的自由水面式海洋工程結構物，可以有效地減小結構物后方水域的波高，但結構物前方的波浪反射效應較大，對小型船舶的航行仍有一定的潛在風險.本文結合以上工作，提出半圓體開孔式自由水面海洋工程結構物這一結構型式，并對其進行模型實驗研究，評估其在不同水深下的波浪透射、反射以及能量耗散現象.

1 實驗設置

1.1 實驗模型

作者結合實際已經建造的傳統式半圓體海洋工程結構物大小確定了實驗模型尺寸，并對開孔率（6%、9%和12%）、孔洞尺寸（1cm×6cm 和3 cm×6cm）等參數進行了實驗比較，經過多次比對實驗，最終確定了如下的模型結構型式、材料和實驗方案.

實驗模型（SCB模型）采用聚氯乙烯材料制作，模型比尺為1∶20，模型壁厚為10mm，開孔率為9%，見圖1.迎浪方向模型布置有6排4列矩形孔洞，每個孔洞的尺寸為1cm×6cm.在波浪作用下，水體可以通過這些孔洞，從而起到耗散波浪能量的作用.模型背面布置有2排4列的矩形孔洞，孔洞尺寸為3cm×6cm.這些孔洞被設計用來減少波浪的躍浪現象以及波浪對模型后部的上托力.模型的直徑為0.500m，模型寬度為0.395m.模型兩側安裝2塊半圓形透明的有機玻璃板，用來防止波浪沖擊作用下模型產生較大變形，并且不影響模型腔室內波浪響應的觀測.

圖1 SCB模型Fig.1 SCB model

1.2 儀器設備

實驗在愛丁堡大學能源系統研究所水槽中進行，水槽長22m、寬0.4m、工作水深0.7m，見圖2.在水槽首端安裝有搖板造波機，能對規則波及不規則波進行模擬，本實驗對不規則波采用Jonswap譜.在水槽尾端安置有海綿消波層，可以有效地減小波浪傳播到尾端的反射效果.模型安放在距離造波機12m處.在模型的前方、內部、后方安插了6個浪高儀（WP1～WP6），用以記錄水槽內不同位置處的波面變化.浪高儀 WP1、WP2和WP3被安置在模型前2m處，獲取結構物前方的入射與反射波高.WP1、WP2和WP3之間的距離隨著波浪周期的改變而變化.WP4被放置在模型前0.05m處，用以量測模型前端的波高變化.WP5順著模型頂端的矩形開孔位置插入，用以量測模型腔室內部的水位波動.WP6用來量測透射波高，布置在模型背面2m處.

圖2 實驗設備示意圖Fig.2 Sketch map of experimental set－up

1.3 實驗組次

本文針對3種不同的水深條件（d＝0.7、0.5和0.3m），對半圓體海洋工程結構物消波性能進行了系統的實驗研究.每組波浪參數均進行3次不同模型浸入水深的實驗，模型浸水深度D＝0.05、0.10 和 0.15m.因此相對水 深D/d＝0.071、0.100、0.143、0.167、0.200、0.214、0.300、0.333和0.500.

在規則波條件下，實驗模型選擇了10個波浪周期T，范圍從0.8～1.8s，間隔為0.1s.波高H選取0.05、0.10和0.15m.在Jonswap譜條件下，譜峰周期Tp的選擇與規則波相同，有義波高H1/3范圍從0.04～0.14m，根據波浪周期不同，選取3或4個波高值進行實驗.波陡H1/3/Lp范圍在0.01～0.12（Lp是由線性微幅波理論公式算出的代表波長）.

1.4 實驗過程

本文選取T＝1.3s，Hi＝0.10m，d＝0.5m不同模型浸水深度下的實驗圖片（見圖3）進行說明.

圖3 波浪與結構物的相互作用Fig.3 Wave－structure interactions

2 實驗結果

2.1 Ct、Cr、Cl 的計算方法

為了系統真實地反映出結構物的工作性能，選取波浪的透射系數Ct、反射系數Cr以及能量耗散系數Cl作為主要的研究對象.

式中：Hm0是有義入射波高，Hm0，t和Hm0，r分別是是有義透射及反射波高.由于能量的耗散很難被準確測量，結構物的能量耗散系數根據能量守恒特性得出，見式（3）.

2.2 波浪透射

圖4給出了規則波及不規則波作用下結構物透射系數Ct與相對板寬的關系.從圖中可以看出，無論是規則波作用或者是不規則波作用下，結構物透射系數Ct在所有的Hi/L以及Hm0/Lp區塊中，隨著相對板寬在0.1～0.6內的增加而呈降低趨勢.分析中將相同水深下的工況組合到一起，并用相同的顏色來表示，可以有效地發現水深變化對波浪衰減效果的影響.總的來看，在不同深度條件下，波浪衰減差異最大值達10%.

另一方面，波浪的透射系數Ct受模型相對水深的影響較大.在一個給定的B/d的條件下，很明顯地可以看出Ct隨著D/d的增加而減小.當評估相對水深D/d對Ct影響與B/d的關系時，Ct的變化并不與D/d成比例關系，因此對每一組B/d工況組合下，Ct和D/d的關系應該被分別獨立對待.從圖4中還可看出透射系數Ct一個細微的變化，對于規則波來說，隨著Hi/L的增加，透射系數Ct呈略微減小的趨勢.而在不規則波作用下，這種變化并不明顯.

2.3 波浪反射

與不規則波作用相比，波浪的反射行為在規則波作用下更加復雜.反射系數Cr相對各自的D/d隨著B/L的增加而發生波動.首先Cr逐漸增加，在0.20＜B/L＜0.25達到第一個峰值.之后，Cr開始下降，當0.35＜B/L＜0.40時，Cr跌至谷底，見圖5（a）.然而，在不規則波作用下，上述的反射現象并不明顯，Cr幾乎線性地隨著B/Lp的增加而緩慢地增加（見圖5（b））.不論規則波作用或是不規則波作用，反射系數Cr與相對板寬的關系，整體上來看并不因水深的變化而發生較大變化.并且在一定的水深條件下，反射系數Cr變化不大，因此，水深對波浪反射效應的影響基本上可以忽略.但是，模型浸水深度對Cr的影響相比之下卻很強烈，隨著浸水深度的增加，反射系數Cr隨之明顯增大.規則波與不規則波作用下Cr的變化趨勢不同，是由于規則波為單色頻率作用波，可以更好地發現不同波浪周期、頻率下的結構物水動力性能變化，而不規則波的波譜在一定程度上掩蓋了一些細小的變化.由此可見規則波實驗對于海洋工程結構物實驗的重要性.

2.4 波浪的能量耗散

如圖6所示，波浪能量的耗散性與如下四點有關：（i）模型的浸水深度.較大的模型浸水深度，增加了波浪與結構物的作用面積，從而引發更大的能量耗散.（ii）波浪周期.長周期波浪具有更強的透射性能，可以更加容易地繞過消能裝置，因此結構物對高頻波浪的消能效果更加理想.（iii）實驗水深.隨著實驗水深的減小，水槽底部對波浪運動產生的阻尼加劇，從而引發能量耗散的增加.（iv）波陡.

圖4 SCB9模型在規則波及不規則波作用下的結構物透射系數Ct與相對板寬的關系Fig.4 Ctfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

圖5 SCB9模型在規則波及不規則波作用下的結構物反射系數Cr與相對板寬的關系Fig.5 Crfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

圖6 SCB9模型在規則波及不規則波作用下的結構物消能系數Cl與相對板寬的關系Fig.6 Clfor the SCB9model with respect to relative plate width in regular and irregular waves

3 結 論

（1）波浪的透射系數Ct，隨著相對板寬的增加而降低，而反射系數Cr與耗散系數Cl則呈增加趨勢.同時Ct、Cr、Cl均受到模型浸水深度的影響，雖然較大的模型浸水深度可以有效增加波浪能量的耗散并降低波浪的透射系數，但反射系數卻隨之增加.因此在實際工程中結構物的設計水位，要兼顧到波浪的反射以及越浪的影響.

（2）實驗表明，在6～14m的水深范圍內，自由水面式半圓體結構物均表現了良好的水動力性能.在相對板寬大于0.2的條件下，波浪的能量耗散率可維持在50%以上，同時反射系數維持在0.2～0.4的較低范圍內.因此該種結構型式很適合在海岸基礎設施中推廣建造.

（3）為了進一步增強結構物的消浪性能，可在結構物迎浪向底部加裝格柵板（相當于增加了模型浸水深度），在保持自由水面式結構物特性的同時，兼顧了控制波浪的反射作用，并額外提高波浪的能量耗散率，以達到降低波浪透射率的目的.

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