關于浮式防波堤透射系數與波浪特征要素關系的研究

房 欣 徐 鑫 王鋅鑫 羅玉來 吳含笑

（重慶交通大學河海學院， 重慶 南岸 400074）

本文通過實驗研究得出：某特定浮式防波堤在規則波作用下的透射系數魚堤前波陡、堤前波高、堤前波能、堤前波能流等波浪特征要素的關系并擬合出了其對應合理的透射系數的方程。為同比例放大的浮式防波堤在實際工程中的應用以及其他防波堤透射系數的研究提供一定參考。

1 浮式防波堤實驗條件和方法

1.1 實驗設備和儀器

本次物理模型實驗在重慶交通大學港工廳內的30m×50cm×1m (長×寬×深) 波浪水槽中進行。水槽的一端配有機械式規則波造波機，另一端配有消能緩坡，由計算機控制產生所要求的特定波浪要素的波浪。波浪要素測量需用的3 支電容式波高傳感器，通過自動采集系統采集波高，經過計算機處理形成所需的數據文件。實驗所用的浮式防波堤是按照1：40 比例縮小的浮式防波堤75cm×50cm×25cm（長×寬×高），是由PVC 工程塑料骨架拼接而成的多層豎向分布結構，每一豎層均由覆蓋有孔隙率為0.5 無仿土工布的鋼絲網組成，各豎層間距約為12.5cm。骨架兩端上方各固定有一排直徑300mm 的塑料浮筒為整個消能裝置提供浮力。錨固裝置由兩塊固定在水槽底部的T 型鐵塊和四根尼龍繩組成。

1.2 實驗設備布置

浮堤模型布置在試驗水槽中部，端部用尼龍繩連接在水槽底部的T 型鐵塊上。在模型前布置2 根波高傳感器測量堤前波高，測量點位置與模型的距離應大于一倍波長。在模型后布置1 根波高傳感器測量堤后波高，根據這3 根波高儀測量的數據進行分析進而進行后續的數據處理。模型在水槽中總體布置如下圖所示：

實驗水槽內斷面圖

1.3 實驗步驟

1） 打開輸水閥門待浮式防波堤升至適宜高度；2） 通過控制轉數為350 轉/分，通過調整造波等級，調整造波高度；3） 開始造波并待波浪傳播穩定后進行測量；4） 停機改變波高，重復造波、測量7 組；5） 停機改變轉數為300 轉/分，造波等級設定為4；6） 重復（3） -（5），停機轉數增加50轉/分，重復造波、直至測量7 組。

2 透射系數與波浪特征要素關系的分析

采用防波堤后的波高與堤前波高的比值作為透射系數，依次分析堤前波陡、堤前波高、堤前波能、堤前波能流的關系并擬合出其對應合理的透射系數的方程。

1） 只改變波高（波陡范圍0.033＜x＜0.148，波長范圍2.209 米＜L＜2.248 米）

①堤前波陡對應的最優透射系數方程為：y=0.4361ê (-6.533x)；②堤前波高對應的最優透射系數方程為：y=-0.0002x3+0.0105x2-0.1938x+1.2296；③堤前波能對應的最優透射系數方程為：y = -4E-06x3+0.0009x2-0.0461x+0.8；④堤前波能流對應的最優透射系數方程為：y =-9E-07x3+ 0.0003x2-0.0277x+0.8019

2） 同時改變周期和波高(波陡的范圍0.043＜x＜0.778，波長范圍：1.151 米＜L＜2.675 米)

①波陡對應的最優透射系數方程為：y = 0.4065ê (-2.375x)；②堤前波高對應的最優透射系數方程為：y =-3E-06x3+ 0.0007x2- 0.0451x + 1.1008；③堤前波能對應的最優透射系數方程為：y=-5E-09x3+8E-06x2-0.0038x + 0.6394；④堤前波能流對應的最優透射系數方程為：y= 6E-07x2-0.0011x + 0.5403

3 結論和建議

1） 因為各種浮式防波堤具體結構形式以及錨固方式的不同，所以其透射系數很難有統一的計算公式。在本次物理實驗中，我們可以推出特定實驗條件下（防波堤高度/水深=0.61，波陡范圍0.033m～0.778m，波長范圍：1.151m～2.675m）兩種實驗波陡對應的在工程適用性較大的無量綱透射系數方程分別為：

y=0.4361ê（-6.533x） 和y= 0.4065ê (-2.375x)。

2） 目前，我們的等比例縮小40 倍模型使用的是PVC工程塑料以及無紡土工布，而在實際工程中浮式防波堤所需要的材料應該是結構強度高的鋼材和有紡土工布，這也導致浮式防波堤的工程造價較高，有待尋找工程替代材料進而降低造價。