多層廢舊輪胎半潛式防波堤消浪性能研究

祁隆，上官子昌，汪學強，吳湛輝，蹇勇

（1.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學遼寧省海岸工程重點實驗室，遼寧 大連 116023；3.錦州水務（集團）錦凌水庫經營管理公司，遼寧 錦州 121000）

0 引言

隨著新建防波堤的位置向深水區推進，波浪強度越來越大，傳統的防波堤工程結構因其造價昂貴、技術復雜、施工困難等因素遠不能滿足深水港口建設的需求，因此發展新形式的防波堤勢在必行[1]。半潛式防波堤作為其中的一種形式，相對于傳統形式的防波堤，最大的特點在于，防波堤整體潛入水面以下一定深度。其優點主要體現在：能更好地適應深水海況；在擁有更佳消浪性能的前提下，其造價大大降低，日常維護工作簡化；可在不破壞環境的前提下，最大限度地利用廢舊材料，提高廢舊用品利用率，真正做到“變廢為寶”。

國外在20世紀60年代末就開始進行廢舊輪胎浮式防波堤的研究，大部分研究工作基于現場和原型試驗，如：1968年美國陸軍工程水道實驗站在Vicksburg做了Wave-maze型廢舊輪胎浮式防波堤現場實驗[2]；1978年Giles等進行了全相似的Goodyear型廢舊輪胎浮式防波堤試驗研究。國外工程實例，如：英國格拉斯哥大學在福斯灣埃德加港海面上，安裝了一道廢舊輪胎浮式防波堤。

國內在2010年由大連理工大學研究生張余[3]進行了廢舊輪胎浮式防波堤模型試驗，作者依據水彈性相似理論設計小比尺的廢舊輪胎浮式防波堤模型試驗，通過與Harms等在美國陸軍海岸工程研究中心做的原型試驗對比，驗證了廢舊輪胎浮式防波堤等柔性防波堤結構模型試驗技術的可行性。進行了廢舊輪胎浮式防波堤結構相對堤寬、錨鏈拖地長度、彈性系數等對其消浪性能影響的試驗研究，為實際工程應用提供參考。

中國海洋大學研究生姚卓琳[4]在2013年進行了新型半潛式開孔防波堤水動力特性研究，以理論分析和實驗相結合的方式進行。結果顯示，隨著潛入深度的增加，透射系數呈增大趨勢，消浪效果逐漸變差。但是相比于同類型的浮式防波堤而言，消浪效果明顯增強。由此可知，半潛式具有很大的優勢。

本文在前人研究的基礎上，提出了一種新型半潛式防波堤-多層廢舊輪胎半潛式防波堤，并以物理模型試驗的方式研究了其消浪性能及影響因素，可為實際工程提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設備及儀器

試驗在大連海洋大學遼寧省海岸工程重點實驗室波浪水槽中進行。水槽總長40 m，寬0.7 m，高0.9 m，一端安裝有交流伺服電機驅動推板造波機，可以產生規則波與不規則波；另一端裝有多孔介質消波裝置，可以有效減小波浪的反射；水槽兩側為鋼化玻璃，可實時觀測實驗情況。采用DS30型64通道浪高儀采集波浪情況，同時配備天津水運工程科學研究所研制的2000型波浪測量和采集系統進行采集，量程在2 m以內，誤差低于0.5%。實驗前后均對所有測量儀器進行了標定和校準，從而保證了數據的準確性和有效性。

1.2 試驗模型

試驗模型設計滿足重力相似準則，比例尺為1∶30。模型單元均采用直徑0.07 m的模具小輪胎。模型至少由2層輪胎組成，最多為4層。每層長度為2.8 m，寬度為0.63 m，層間距為0.05 m。每層輪胎包括水平方向排列的輪胎單元體和至少2層垂直方向排列的層間距控制器單元體，模型輪胎之間用扎帶綁扎，上下相鄰2層輪胎單元體錯距分布。每層廢舊輪胎單元體底部設有鋼筋骨架。最底層的鋼筋骨架通過錨鏈連接錨固鉛塊，整個模型潛入水下一定深度。

試驗布置示意圖如圖1所示：模型布置在水槽中央位置，距離造波機20 m，不會發生二次反射。模型前端（1號、2號）和后端（3號、4號）各布置2個浪高儀，1號與2號及3號與4號的間距均為0.3 m，B距模型前端2 m，C距模型后端為1.5 m。

本次試驗均采用規則波，每組試驗需要重復3次，取其平均值作為最終結果，最后應用兩點法進行計算。試驗采樣間隔為0.02 s，每次采集1 024個。

圖1 試驗布置示意圖Fig.1 Test layout diagram

1.3 試驗設計

模型共有3種：2層輪胎、3層輪胎、4層輪胎。模型的長度均為2.8 m，寬度為0.63 m，層間距均為0.05 m。每種模型均設置3個下潛深度：0.08 m、0.12 m、0.15 m；4個水深：0.56 m、0.59 m、0.62 m、0.65 m；4個波高：0.10 m、0.12 m、0.15 m、0.18 m；4個周期：1.2 s、1.5 s、1.8 s、2.0 s。

2 結果分析

由波浪理論可知：透射系數Kt是評估防波堤消浪性能的一個重要指標，其表達式定義為[5]：Kt=Ht/Hi式中：Ht為堤前入射波高；Hi為堤后透射波高。

根據數據采集系統記錄的波浪時間過程曲線數據，通過Matlab小程序進行入反射波分離，進而求得相應工況下的透射系數Kt。

2.1 模型層數對透射系數K t的影響

圖2 模型層數對防波堤透射系數的影響Fig.2 Effect of model layer on thetransmission coefficient of breakwater

圖2 給出了多層廢舊輪胎半潛式防波堤的透射系數隨模型層數的變化規律。從圖中可以看出，在波高H=0.1 m，潛水深度d=0.08 m的條件下，當水深D分別為0.56 m、0.59 m時，透射系數Kt隨著層數的增加都是逐漸增大的趨勢。但是不同層數透射系數的大小關系為：Kt3＞Kt2＞Kt4，即：3層的消浪效果最佳，2層的次之，4層的靠后，這充分說明了對于多層廢舊輪胎半潛式防波堤而言，并非層數越多越好。這也符合能量的分布規律，即：海水中波浪的能量大部分集中在水體的表層，在表層2倍到3倍波高的水層厚度內分別集中了90%到98%的波能[6-7]，此時波高H為0.1 m，在實際海況中，3層模型的最下面一層在水面以下8.1 m＞6.0 m，超過了波浪能量分布規律的下限，故3層的消浪效果已經達到最佳，最好時達到了0.42。當周期加大時，4層的效果之所以變差，是因為模型和波浪發生了共振現象，在實驗過程中可明顯觀察到模型和波浪幾乎同步運動。

2.2 相對潛水深度D r對透射系數K t的影響

圖3 相對潛水深度D r對透射系數的影響Fig.3 Effect of relative depth of diving D r on transmission coefficient

圖3 給出了防波堤模型透射系數隨相對潛水深度Dr（下潛深度與水深的比值）的變化趨勢，圖3（a）、（b）表示的是相對潛水深度 Dr分別對 2層、3層防波堤模型透射系數的影響。綜合來看，在相同條件下，透射系數Kt均隨相對潛水深度的增加而增大，且對3層模型的透射系數影響較為顯著。當相對潛水深度Dr為0.14時最小，3層模型最小達到了0.44。當相對潛水深度Dr在0.21時，透射系數Kt基本穩定在0.65左右，消浪效果較為理想；當相對潛水深度Dr為0.27時，透射系數Kt最大已經達到了0.87，消浪效果急劇變差。

2.3 波高H對透射系數K t的影響

圖4給出了2層廢舊輪胎半潛式防波堤在不同水深D和周期T的條件下，透射系數隨波高H的實驗結果。從圖4（a）中可知，當水深為0.56 m時，透射系數隨著波高的增加呈減小趨勢，最小為0.46。從圖4（b）可知，在水深由0.59 m增加到0.65 m的過程中，透射系數的變化規律是不盡相同的。水深D=0.59 m，周期T=1.2 s的條件下，透射系數隨著波高H的變化，先增大后減小；周期逐漸變大時，透射系數隨著波高的增大而減小。由此可見，多層廢舊輪胎防波堤的消浪性能，不完全取決于波高H，而是多種因素共同影響的結果，要分不同的條件去研究，不可一概而論。

圖4 波高H對透射系數的影響Fig.4 Effect of waveheight H on transmission coefficient

結合國內外研究現狀可知[8-10]，雙層和多層防波堤的消浪效果要優于單層防波堤，但由于此類防波堤的結構所限，其水平層將承受較大的波浪上拖力，容易造成疲勞破壞及結構失穩，發生側翻，從而影響防波堤的消浪效果。在這節討論中，波高對防波堤透射系數的影響不是很規律，從實驗現象來看，此種條件下，防波堤運動較為劇烈，與以上所述現象基本吻合，由此可斷定，實驗結果在一定程度上受到了防波堤運動劇烈的影響。

2.4 周期T對透射系數K t的影響

圖5給出了不同層數的相對條件下，透射系數隨周期的變化規律。由圖5可知，透射系數總體是隨著周期T的增大而增大，當周期在1.2～1.5 s時，透射系數從0.54增加到0.63，變化速度較緩慢，說明此種防波堤對小周期波浪的消浪效果較好。當周期由1.5～2.0 s時，透射系數變化較快，最高點為0.90，消浪效果急劇變差，說明防波堤對大周期波浪消浪效果較差。綜合來看，3層的曲線大體位于2層和4層的下面，進一步說明了3層的消浪效果最佳，即：3層防波堤模型對周期的變化較2層和4層不敏感。4層模型的消浪效果雖然沒有明顯的提升，但是從圖中可以看出，對于大周期波浪，4層與2層和3層相比，透射系數相對較小，說明4層模型對于大周期波浪有較好的效果。

圖5 周期T對透射系數的影響Fig.5 Effect of periodic T on the transmission coefficient

3 結語

本文通過物理模型試驗，對一種多層廢舊輪胎半潛式防波堤的透射系數及其影響因素進行了研究。本次試驗共設置3種模型（2層、3層、4層），主要研究了透射系數隨模型層數、相對潛水深度、波高、周期4個參數變化的規律，得出以下主要結論：

1）模型層數對透射系數的影響效果有限，并非層數越多效果越好。3層模型的消浪效果最好，2層的次之，4層靠后，即：Kt3＞Kt2＞Kt4。

2）相對潛水深度Dr、波高H和周期T對透射系數的影響較為顯著。從試驗結果分析來看，相對潛水深度為0.14，即：模型的潛水深度為0.08 m時的效果最好，可消去70%左右的波浪。波高H對透射系數的影響機理較復雜，應該結合其他因素綜合分析，才能得出較為準確的結論。通過分析周期T對透射系數的影響可知：此種防波堤對較小周期波浪效果較好，而對大周期波浪，效果不理想。

3）在試驗中可以觀察到，當波浪透過該結構時，這種特殊的多（層）孔輪胎陣結構可以破壞波浪水質點豎向運動軌跡，輪胎本身可以破壞波浪水質點的水平運動軌跡，從而起到衰減波能的作用。這一結論正好驗證了文獻[9]中得出的結論。

[1]唐琰林.雙層水平板型透空式防波堤消波性能研究[D].大連：大連理工大學，2006.TANG Yan-lin.Study on wave-eliminating performance of double-layer horizontal plate-type open-air breakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology,2006.

[2]NELSONWL.An investigation into thescalingconfidenceof floating tire breakwater model tests[D].Washington:University of Washington,1978.

[3]張余.廢舊輪胎式浮防波堤模型試驗設計與性能研究[D].大連：大連理工大學，2009.ZHANG Yu.Study on design and performance of waste tire-type floating breakwater model[D].Dalian:Dalian University of Technology,2009.

[4]姚卓琳.新型半潛式開孔防波堤水動力特性的研究[D].青島：中國海洋大學，2014.YAOZhuo-lin.Study on hydrodynamic characteristics of a new semi-submerged open-cut breakwater[D].Qingdao:Ocean University of China,2014.

[5]趙軍.新型透空式防波堤消浪性能研究[J].中國水運月刊，2017，17（2）：191-193.ZHAO Jun.Study on the anti-wave performance of a new type of open-air breakwater[J].China Water Transport,2017,17(2)：191-193.

[6] 徐曉黎，李怡，孫曉莉，等.雙排可調節浮箱式防波堤消浪特性試驗研究[J].港工技術，2017，54（2）：28-33.XUXiao-li,LIYi,SUN Xiao-li,et al.Experimental study on wave dissipation characteristic of a double-box floating breakwater with regulating function[J].Port Engineering Technology,2017,54(2):28-33.

[7] 仇正中，吳啟和，劉建波，等.柔性浮式防波堤消浪特性研究[J].人民長江，2017（10）：59-64.QIU Zheng-zhong,WU Qi-he,LIU Jian-bo,et al.Study on wave dissipation characteristicsof flexiblefloatingbreakwater[J].Yangtze River,2017(10):59-64.

[8] 王志勇，朱浩，劉國寶.雙層水平板式防波堤結構箱型水平板研究[J].水運工程，2012（11）：51-56.WANG Zhi-yong,ZHU Hao,LIU Guo-bao.Box-type horizontal plateof twin-platebreakwater structure[J].Port&Waterway Engineering,2012(11):51-56.

[9] 何軍.特種板式防波堤消浪及波壓力特性研究[D].長沙：長沙理工大學，2009.HEJun.Study on waveand wavepressurecharacteristics of special plate breakwater[D].Changsha:Changsha University of Science and Technology,2009.

[10]張志強.組合板式防波堤水動力特性研究[D].大連：大連理工大學，2010.ZHANGZhi-qiang.Study on hydrodynamic characteristics of combined platebreakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology,2010.