雙層開孔斜擋板透空式防波堤消浪性能研究*

范玉平,李金宣,柳淑學,劉 元,隋俊克

(1.大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連116023)

防波堤作為港口水工建筑物的重要組成部分，它能夠抵御波浪的沖擊，減少泥沙和波浪進港，保證港內具有足夠的水深和平穩的水面，滿足船舶在港內停泊、裝卸作業和出入航行的安全要求。斜坡堤和直立堤等傳統形式的防波堤使得港內水體的循環受到限制，容易造成港內水質下降。近年來隨著海洋生態文明建設加強，港口工程結構形式正在向透空式、消能式和多功能等方向發展。透空式防波堤作為一種新形式的防波堤結構，其透空結構施工便利、造價較低和利于港內外水體交換的特點使其越來越受到重視。

透空式防波堤結構最早由Weigel[1]提出，此后越來越多的學者對這種結構進行了研究[2-5]。孫路等[6]基于線性勢流理論和匹配特征函數展開法，建立斜向波與內部帶水平多孔板開孔沉箱防波堤相互作用的解析解，研究表明在開孔沉箱內設置水平多孔板，可以有效降低結構的反射系數。隨著研究的繼續進行，許多學者對雙層以及多層水平擋板防波堤展開研究[7-13]。

以上研究中透空式防波堤多采用樁基結構，能夠很好地解決港內水質交換的問題，但在一些情況下會帶來港內泥沙淤積以及波高透射過大的問題。本文在開孔沉箱基礎上，提出一種新型雙層開孔斜擋板透空式防波堤。與開孔沉箱不同之處在于，除前壁外，后壁板也開孔，實現了透水功能。同時為減小透浪，在消能室內設置兩層開孔的斜擋板。該結構不僅具備開孔沉箱防波堤的優勢，如可降低波浪反射、波浪力、波浪爬高以及防泥沙淤積等，同時兼顧一定的透水性，提高港內水質交換能力。

本文對所提出的新型防波堤的消浪性能進行物理模型試驗研究。通過分析斜擋板在不同開孔率條件下的反射和透射系數、透射波浪頻譜特征、波能分布等，探討斜擋板的開孔率對防波堤消浪性能的影響；同時，比較相同開孔率斜擋板和平擋板的透射系數，分析開孔斜擋板透空式防波堤的性能優勢，為此種透空式防波堤的實際應用和進一步研究提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設備與儀器

試驗在大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室溢油水槽中進行。該水槽長22 m、寬0.8 m、深0.8 m，最大工作水深0.6 m，配有實驗室自主研發的吸收式不規則波造波機、微機控制與數據采集系統。為減小波浪反射對試驗產生的影響，造波機后側水槽末端設有直立式消能網，水槽后端配備消浪設備。

本次試驗中波高采集采用DS30型64通道浪高儀，其精度為±0.001 m，在試驗之前對浪高儀進行標定，標定線性度大于0.999。

1.2 模型參數及試驗條件

模型如圖1所示。模型高0.70 m，寬度B為0.29 m，前后壁開孔高0.07 m，開孔下邊緣距沉箱底0.35 m。兩個消能室中每個內設兩層開孔擋板，針對開孔擋板設置4個不同的試驗方案：方案1設置開孔率為10.71%的斜擋板；方案2設置開孔率為32.79%的斜擋板；方案3設置開孔率為50.27%的斜擋板；方案4設置開孔率為32.79%的平擋板。

需要指出的是：方案1～4除防波堤模型結構的斜擋板(與水平方向夾角為32°)或平擋板除開孔率不同外，模型的其他參數均相同，以確保試驗結果的可比性。

圖1 防波堤模型(單位：m)

試驗設置水深d分別為0.35、0.42和0.52 m；試驗采用規則波，其周期T為1.00、1.10、1.25、1.75、2.00 s，波高H為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12 m。

1.3 模型試驗布置

試驗中共布置6個浪高儀對波高進行測量，1#～4#浪高儀測量堤前波高，5#～6#浪高儀測量堤后波高，如圖2所示。試驗數據全部由計算機自動采集和處理，采樣間隔為20 ms，采集點為2 048個，采樣時間為40.96 s。每次試驗當波浪穩定后進行采集，每種工況重復試驗3次，取3次試驗結果的平均值作為試驗結果。

圖2 模型試驗布置(單位：m)

2 試驗結果分析

根據防波堤前浪高儀測得的波面過程線，由Goda等[14]提出的兩點法分離出反射波高與入射波高，再根據堤后浪高儀測得的波面過程線，由計算分析處理得到透射波高，進而求出反射系數和透射系數。

反射系數指反射波高與入射波高的比值，即:

Kr=Hr/Hi

(1)

式中：Hr為反射波高；Hi為入射波高。

透射系數是指波浪透過防波堤后的波高與入射波高的比值，即：

Kt=Ht/Hi

(2)

式中：Ht為透射波高；Hi為入射波高。

2.1 開孔率對防波堤消浪性能的影響

不同水深時，方案1～3不同開孔率時防波堤模型反射系數隨相對入射波高H/d(H為波高，d為水深)的變化見圖3。對于較長周期波(T=2.0 s)，反射系數較大，開孔率對反射系數影響不大；而對于較短周期波(T=1.0 s)，反射系數變小，開孔率對反射系數有一定的影響，開孔率越大，反射越小。另外，中間水位(水位位于開孔沉箱中部)時，反射系數最小。

圖3 防波堤模型反射系數隨相對波高的變化

相應透射系數隨相對入射波高的變化見圖4。可以看出，開孔率對透射系數有明顯的影響，開孔率越大，透射系數也越大；較短周期時比較長周期略大，兩者差別沒有反射系數大。另外堤前水深對透射系數也有明顯影響，中間水位d=0.42 m時透射系數最大，此時，對于開孔率最大的方案3(開孔率50.27%)，透射系數可接近0.5。

圖4 防波堤模型透射系數隨相對波高的變化

周期變化主要體現在相對寬度B/L(B為模型寬度，L為波長)的變化，為進一步比較不同波浪周期時斜擋板開孔率對該型防波堤消浪性能的影響，波高H=0.12 m時其透射系數隨相對寬度的變化見圖5。可以看出，不同開孔率下，透射系數隨相對寬度增大有小幅增大，也就是說該類型防波堤對長周期波浪的消浪效果比短周期波浪好。

圖5 防波堤模型透射系數隨相對寬度的變化

開孔位置(中心高度)h對透射系數影響體現在h/d變化時該型防波堤透射系數的變化。波高H為0.06、0.08 m時其透射系數Kt隨相對高度h/d的變化見圖6(僅列出T=2.0 s時每種方案的2組數據)。可以看出，不同開孔率下，透射系數隨相對高度增大逐漸減小，分析其原因為水深d=0.52 m時，消能室被淹沒，消能性能較弱，也就是說該類型防波堤在非淹沒狀態時具有更好的消能性能。

圖6 防波堤模型透射系數隨相對高度的變化

2.2 波能分布分析

入射波能與防波堤模型相互作用后轉化為3部分，分別為反射波能Er、透射波能Et及防波堤消耗波能Ed，其計算方法為：

(3)

(4)

(5)

波高H=0.08 m時，不同水深和波浪周期條件下，波浪與方案1～3防波堤模型相互作用下的波能占比見表1。可以看出，對于各種工況，波浪的透射能量并不大，最大不超過20%，說明該類型透空式防波堤具有較好的消能性。對于較長周期波，經過防波堤后，大部分能量反射回外海，20%～30%的能量被消耗在消能室中。而對于較短周期波浪，防波堤的消能更為明顯，對于水深d為0.35和0.42 m時，50%～70%的波能是消耗在消能室中，小部分反射回外海；對于水深d=0.52 m時，消能室被淹沒，消能性能減弱，此時波浪以反射為主。另外可以注意到，不同方案開孔率對消能室的消浪性能影響不大。

表1 3種波能占比

2.3 堤后波幅頻譜特征

試驗中取堤后浪高儀所測波面數據進行頻譜分析，得出方案1～3防波堤模型在不同水深和波浪要素條件下，透過防波堤的波浪成分。方案1～3防波堤模型堤后波幅頻譜見圖7。

從頻譜分析結果中可以看出，方案1～3的防波堤模型堤后波幅頻譜具有相同的特征：開孔率越大，堤后波幅越大。水深d=0.35 m條件下，由于水位接近開孔下緣，水位振蕩在堤后產生明顯的高階成分；但隨著波高增大，高階幅值比例逐漸下降；水深d為0.42和0.52 m時堤后波幅頻譜成分較單一，除一階線性幅值外可見較小的二階、三階幅值。

圖7 堤后波幅頻譜分析

2.4 擋板角度對防波堤消浪性能的影響

方案2、4分別通過設置斜擋板、平擋板研究開孔斜擋板傾斜角度對防波堤消浪性能的影響，這兩種方案的透射系數隨相對波高變化見圖8。可以看出，水深和周期一定時，方案2的防波堤模型在不同波高條件下的透射系數均比方案4的透射系數小，最小時前者僅為后者的39%，說明開孔斜擋板較開孔平擋板具有更好的消浪性能，減少波浪透射，堤后波面更加平穩，更能滿足船舶在港內停泊、裝卸作業和出入航行的安全要求。

圖8 防波堤模型透射系數隨相對波高的變化

3 結論

1)該防波堤模型的斜擋板開孔率越大，透射系數也越大。但透射系數均小于0.5，水深d=0.35 m時甚至小于0.2。

2)較長周期波比較短周期波反射明顯，但較短周期波在消能室能量損失較大，總體上，較長周期波的透射系數比較短周期波的略小，說明該類型防波堤對較長周期波的消波作用較好。

3)開孔斜擋板和開孔平擋板防波堤模型在相同水深和波浪要素時，前者的透射系數均比后者小，且較長周期波時的透射系數更小，說明開孔斜擋板較開孔平擋板具有更好的消浪性能。