波陡對雙排可調節(jié)浮箱式防波堤消能效果的影響

常箏 保利長大工程有限公司

李怡 重慶交通大學

徐曉黎 天津大學

1.研究背景

浮式防波堤以其獨特的優(yōu)越性在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖、人工海水浴場、游艇碼頭及施工現(xiàn)場等水域的掩護中受到越來越多的應用。關于浮式防波堤的形狀和適應性是非常值得研究的課題。近幾十年以來，國內外學者對浮式防波堤進行了各種相關物理模型試驗及數(shù)值模型計算，旨在找到影響浮式防波堤消浪性能的參數(shù)，并對結構形式進行優(yōu)化，為實際工程提供設計依據(jù)。目前的浮式防波堤多為單排浮體式，其中尤以透空箱體浮式研究性較強，但在深海區(qū)域消能效果并不理想。李怡等基于Floating city理念提出可用于相對長波條件下消浪的可調式浮箱防波堤結構，該結構是由兩個浮箱組成的雙箱式結構，通過錨鏈與水底相連以增強消浪效果。

本文基于徐曉黎等對雙排可調節(jié)浮箱式防波堤進行了物理模型和試驗研究，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，分析波陡對結構消浪特性的影響。

2.物理模型試驗說明

本文采用徐曉黎等中的物模試驗，簡要說明其物理模型試驗。

2.1 模型尺寸

物理模型試驗采用重力相似準則（Froude準則）設計模型。原型與模型要滿足幾何相似、重量相似、重心相似、質量慣性矩相似和自振周期相似，考慮到試驗室內波浪水槽尺度、浮式防波堤平面尺寸、水深、波浪要素和試驗儀器量測精度等因素，根據(jù)相似原理設計波浪要素，波高、波長與水深的比尺相同，周期的比尺為幾何比尺的均方根，在參考《波浪模型試驗規(guī)程》（JTJ/T 234-2001）中的規(guī)定，模型選用幾何比尺λ1=40，水深比尺λH=40，時間比尺λT=，力比尺λF=403。

試驗模型主體為有機玻璃制成的密封性矩形方箱，并保證模型達到實驗設計的吃水深度及中心相似。矩形方箱的外觀尺寸為長×寬×高等于0.3m×0.15m×0.06m。

2.2 物理模型試驗說明

該物理模型由前后兩個尺寸相同、水位不同的兩個浮箱組成。試驗中使波浪依次通過前方浮箱與后方浮箱，在前后浮箱兩次抵抗作用下波能得到大幅度衰減，提高了結構的消浪能力。同時，前后浮箱可相互輔助消浪，前方浮箱透過的波浪由后方的浮箱以反射和運動的方式二次衰減，同時后方已反射的波浪可輔助前方浮箱共同抵抗新傳來的波浪。試驗整體布置圖見圖1。

圖1 試驗整體布置圖

雙排浮箱式防波堤模型寬150mm，高60mm，長300mm，壁厚8mm，標準吃水42mm。整個浮式防波堤分兩排布置，實驗需測定不同的兩浮箱間前后距離l下的堤后波高，得到前后距離l與堤后波高的關系，以得到最佳距離l和達到最好的消能效果。試驗中錨鏈直接與池底連接，前后排浮箱通過改變錨鏈長度調整吃水深度。前方浮箱結構本身吃水最小，更大程度增加浮箱與波浪接觸面積，以提升波浪反射效率。后方浮箱，通過改變錨鏈長度和適當增減砂石材料，使浮箱下沉至設計吃水t2，在增大后方浮箱定傾半徑的同時使浮箱更好地抵抗水下方傳來的潛浪能量。試驗需測定在不同水深t2下堤后波高以得到最佳水深。

2.3 實驗內容說明

在徐曉黎等的物理試驗中進行了對照試驗和透射系數(shù)試驗，本文針對該試驗進行以下說明：

（1）對照組——單排：記錄了不同水深條件下堤前堤后波高。

（2）試驗組——雙排：記錄了每種波浪傳播條件下，改變兩箱間距離l、后排箱吃水深度t2，并測得不同位置時的堤前堤后波高，從而計算出相同波浪條件下不同位置時的透射系數(shù)（堤后透射波高與堤前波高的比值）。按照控制變量法改變傳播條件，重復實驗，得到不同傳播條件下波浪在透過前、后排浮箱之后的波高。

（3）本文只考慮入射波波陡這一變量對結構消浪特性的影響，其他因素暫時不考慮。

3.實驗數(shù)據(jù)的分析

透射系數(shù)是指波浪經過防波堤時堤后有效波高與堤前有效波高的比值，即：

3.1 初步分析

基于徐曉黎等中物模試驗所得數(shù)據(jù)，在水深不變的情況下通過控制變量，只改變波坦（波陡的倒數(shù)），用EXCEL進行粗略的分析可以得出：波坦對透射系數(shù)的影響顯著，隨著波坦的不斷增加，透射系數(shù)出現(xiàn)了一定的波動性，但整體上有明顯增加的趨勢。

同時，有些情況下出現(xiàn)了透射系數(shù)Kt＞1.0（下文稱之為異常點）的情況，現(xiàn)給出定性解釋。一部分異常點出現(xiàn)在一些極端的入射波情況，即波長特別長。當波長較長時可能出現(xiàn)入射、輻射、繞射波相互干擾，從而造成不穩(wěn)定的波動。有些異常點出現(xiàn)在雙箱距離較遠且后箱吃水相對較大的情況，當距離較遠時由于兩箱幾乎不會同步簡諧振動，降低浮箱的消浪效果。通過對比原始記錄數(shù)據(jù)，在異常點的條件下，在浮箱中間的波高儀記錄的波高遠比入射波高大，對于后箱來說，增大了其入射波高，且當后箱吃水下沉時，此種增大的波直接透過后箱，從而使透過兩箱的波高大于入射波高。

由于本文主要著眼于波陡對于透射系數(shù)的影響，此種異常情況不在此深入討論。

3.2 精確擬合

鑒于以上粗略分析呈現(xiàn)出的顯著規(guī)律性，通過MATLAB編程進行精確擬合，在水深不變的情況下改變頻率，得到不同的波高H及波長L，由此可得波陡H/L，用MATLAB編輯程序計算得出不同波陡對應的透射系數(shù)Kt。將數(shù)據(jù)分析擬合得到圖2曲線。

圖2 波陡與透射系數(shù)關系曲線

由曲線呈現(xiàn)形態(tài)可以看出，最終得知隨著波陡的變大，透射系數(shù)逐漸遞減。根據(jù)波浪的傳播規(guī)律可以得知，透射系數(shù)越小，波浪的傳播能力越弱，波能也就越小。

4.結束語

本文基于徐曉黎等的物理模型試驗數(shù)據(jù)，探討該形式的防波堤在不同波浪傳播條件下入射波為相對長波條件下的消浪特性，在水深不變的情況下改變頻率，得到不同的波高H及波長L，由此可得波陡H/L，先對整體趨勢進行初略分析，后通過MATLAB編輯程序擬合波陡與透射系數(shù)Kt的關系，隨著波陡的變大，透射系數(shù)逐漸遞減。根據(jù)波浪的傳播規(guī)律可以得知，透射系數(shù)越小，波浪的傳播能力越弱，波能也就越小。