“十”形防波堤消波性能試驗研究

陶佳偉 吳靜萍 鄭曉偉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學高性能艦船技術教育部重點實驗室2) 武漢 430063)

0 引 言

防波堤能阻斷波浪沖擊，維持港內水面平穩.近年來受到廣泛關注的透空式防波堤，在具備上述功能的同時，其非沉底式的結構特點可以保證海水的交換功能，滿足了綠色環保和可持續發展的要求，又因為擺脫了水深的限制，使得此種消浪結構物能夠從近岸走向深海，為遠洋作業的船只和平臺提供消浪支持.

Hattori[1]通過物理模型試驗，比較了同一水平板，分別位于自由表面、1/4水深、1/2水深處的透射和反射系數，得出了水平板位于自由表面時有最佳消浪效果的結論.Dattatri等[2]對水平板模型進行了系統的試驗研究，結果表明，透射系數隨著平板浸入水深的減小而減小，反射系數的變化則正相反.Patarapanich等[3]針對潛式水平板在規則和不規則波作用下的透射和反射特性進行了試驗研究.試驗結果顯示，相對板寬B/L(B為水平板板寬，L為波長)在0.5～0.71，相對浸深d/h(d為模型浸入水下深度，h為水深)在0.05～0.15之間時，模型的透射系數最小.Neelamani等[4-5]提出了較為合理的T形和⊥形防波堤結構，且對其開展了系統的試驗研究，結果發現兩種結構都具有一定的消浪效果，但兩者的消浪機理和擅長消減的波浪類型有所不同，并據此提出了優化和組合兩種模型消浪優勢的構想.

何軍等[6]通過構建數值波浪水槽，對T形防波堤與波浪的相互作用進行了數值模擬.王國玉等[7]對T形防波堤的消波性能進行了基于特征函數展開法的計算研究.目前國內外學者在透空式防波堤的消浪性能方面取得了一定的研究成果，在已有的基礎上設計和優化出新式的防波堤結構是值得研究的.本文在前人的研究成果基礎上，以結合T形和⊥形防波堤結構為出發點，設計出“十”形防波堤，通過物理模型試驗，對該模型的消波性能進行研究.

1 試驗布置與方法

試驗在武漢理工大學流體力學實驗室的波浪水槽(長×寬×高為18 m×0.6 m×0.8 m)中進行.試驗水深0.5 m，使用推板造波機造波，水槽尾端則采用U形消波段消波.圖1為水槽示意圖和安裝試驗模型后的水槽照片.

圖1 試驗水槽

在模型前后各放置兩具SDA1000型浪高儀記錄波高數據，其量程為40 cm，誤差在0.5%以內.浪高儀的放置應滿足下列要求：堤前浪高儀與造波板至少距離1倍最大波長，使水波與模型作用前能充分發展，堤后浪高儀應盡量靠近防波堤，以減小水槽尾部反射波的影響.

通過將堤后的波高數據進行傅里葉變換，得到相應的透射波頻域圖，見圖2.讀取主要頻率下的透射波高Hi與入射波高H相比求出透射系數Kt.

圖2 透射波高頻域圖

“十”形防波堤模型由有機玻璃板拼接而成，板厚6 mm，水槽寬度方向0.595 m，水平板板寬0.3 m，豎直板板高0.15 m.通過金屬細桿與水槽上方的金屬支架相連接，支架可根據試驗的需要調整豎直方向高度.模型試驗參數見表1.

表1 “十”形防波堤試驗參數

2 試驗結果與分析

通過改變模型浸水深度、水波波陡，以及波長等參數，進行系列試驗.分析相對浸深、波陡、相對板寬等無因次化參量對透射系數的影響.圖3為在浸深d分別為0和0.05 m時，透射系數Kt隨相對板寬的變化.

圖3 相對板寬對透射系數Kt的影響

由圖3可知，在不同波陡條件下，“十”形防波堤的透射系數隨水平板相對板寬B/L的增大而減小.這一趨勢和文獻[4]的T形防波堤試驗結果以及文獻[7]的解析解結果相同.由圖3b)可知，當浸水深度d=0.05 m時，模型的整體透射系數均處于較低值，相對板寬B/L>0.2時，模型透射系數已降至0.2以下，取得了較好的消浪效果.而當相對板寬B/L>0.25之后，透射系數的下降趨勢變緩，此時若進一步增加水平板寬度，收效將不會明顯.

圖4為在浸深d分別為0和0.05 m時，透射系數Kt隨波陡的變化.

圖4 波陡對透射系數Kt的影響

由圖4可知，當kh一定時，波陡越大，“十”形防波堤的透射系數越小.觀察圖4b)，模型透射系數的變化較為平緩，最小波陡0.02與最大波陡0.08之間的透射系數相差不超過0.1，由此可見波陡對防波堤透射系數的影響較小.

圖5為在波陡分別為0.02和0.06時，透射系數Kt隨相對浸水深度的變化.

圖5 相對浸深對透射系數Kt的影響

由圖5可知，在不同波長條件下，模型透射系數隨浸深的變化趨勢是一致的：相對浸深d/h<0.1時，透射系數隨浸水深度的增加而減小，在d/h=0.1時，達到最小值，此時的透射系數可以控制在0.2左右.而當相對浸深d/h超過0.1之后，透射系數隨浸深的增加而增加.當相對浸深增加到0.15時，模型的透射系數回升到d/h=0.05時的水平.

3 試驗結果比較

為了充分評價“十”形防波堤的消浪性能，將試驗數據與文獻[4]中的T形防波堤試驗結果進行了比較.

由于試驗水深不同，選用浸深板高比d/D來代替相對浸深d/h作為無因次化參量進行比較. 選取T形防波堤工況d/D=0.4，相對板寬B/L分別為0.217、0.32.“十”形防波堤的試驗結果取，浸深板高比d/D=0.333，相對板寬B/L分別為0.214、0.3.比較結果見圖6.

圖6 相對浸深對透射系數Kt的影響

由圖6可知，當防波堤進入水中一定深度的情況下，“十”形防波堤的透射系數遠低于T形防波堤，其透射系數可控制在0.4左右.兩模型的透射系數隨波陡的變化基本一致，隨著波陡的增加而降低.

圖7以d/D為變量，探究兩模型透射系數的變化.

圖7 相對浸深對透射系數Kt的影響

由圖7可知，當d/D=0時(即水平板處于靜水面位置時)T形防波堤的消浪性能是略優于“十”形防波堤的.文獻[6]能很好的作出解釋：當“T”形防波堤的水平板位于靜水面時，黏性波能損耗為防波堤消浪的主要形式，而此時“十”形防波堤的迎浪面水平板寬度只有T形防波堤的一半，因此消浪效果減弱.

不過，隨著相對潛深的增加，“十”形防波堤的透射系數快速減小，在d/D=0.667時出現極小值，這時其透射系數可降至0.3以下，消浪性能遠優于“T”形防波堤.當d/D=1時(豎直板完全浸入水下時)透射系數雖有所回升，但任在0.5以下.由圖7可知，“十”形防波堤的透射系數較T形防波堤要小，消浪性能更優.

4 結 論

1) 相對板寬對防波堤的消浪性能有較大影響，相對板寬越大，消浪效果越好.當B/L>0.25時，板寬對透射系數的影響不再明顯.

2) 波陡越大，“十”形防波堤的透射系數越小，但變化趨勢并不顯著.

3) “十”形防波堤在相對浸深為0.1時，透射系數最小，對于不同波長的水波，透射系數均能控制在0.2左右，取得了較好的消浪效果.

4) 當水平板位于自由表面時，“十”形防波堤的消浪效果略遜于T形防波堤.不過在其他條件下，“十”形防波堤的消浪性能更優.

[1] HATTORI M. Wave transmission from horizontal perforated plates[C]. Proceedings of the 22ndConference on Coastal Engineering, Japan,1975.

[2] DATTATRI J, SHANKAR N J, RAMAN H. Laboratory investigations of submerged platform breakwaters[C]. Proceedings of the 17th Congress of the IAHR, Baden, Germany,1977.

[3] PATARAPANICH M, CHEONG H F. Reflection and transmission characteristics of regular and random waves from a submerged horizontal plate[J]. Journal of Coastal Engineering,1989(8):161-182.

[4] NEELAMANI S, RAJENDRAN R. Wave interaction with T-type breakwaters[J]. Ocean Engineering,2000,29(2):151-175.

[5] NEELAMANI S, RAJENDRAN R. Wave interaction with ‘⊥’-type breakwaters[J]. Ocean Engineering,2002,29: 561-589.

[6] 何軍,蔣昌波,李冬,等.T形防波堤與波浪相互作用數值研究[J].海洋工程,2010,28(1):50-58.

[7] 王國玉,黃璐.T形透空式防波堤消波性能的理論分析[J].水利水電科技進展,2014,34(2):1-5.