多孔結(jié)構(gòu)防波堤消浪特性實(shí)驗(yàn)研究

倪道俊，魏宇墨，齊 欣

（1.三峽新能源陽江發(fā)電有限公司，廣東陽江 529500；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

引言

浮式防波堤比傳統(tǒng)防波堤重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，并且可自由放置，對(duì)基礎(chǔ)要求低。但浮式防波堤只能在波能較低的地區(qū)使用，不適合波能較高的地方。結(jié)構(gòu)形式對(duì)于浮式防波堤的消浪能力具有重要的決定作用，防波堤類型不同，消浪原理也會(huì)有差別。雖然浮式防波堤的研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多，各國(guó)學(xué)者也相繼提出了不同的結(jié)構(gòu)形式，但到目前為止，大規(guī)模應(yīng)用的地區(qū)很少。浮式防波堤尚處于研究、發(fā)展階段，消浪能力還不夠完善，只能用于臨時(shí)防浪。

國(guó)內(nèi)外對(duì)浮式防波堤消浪性能的研究中，Zhen-hua Huang 等對(duì)浮式防波堤加槽式浮式防波堤和不加槽式浮式防波堤進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在浮箱式防波堤底部設(shè)置開槽障礙物，在不增加波浪起伏響應(yīng)的情況下，能有效的提高防波堤的消浪性能[1]；Xiao-song Zhang 等提出粘性效應(yīng)是影響防波堤消浪性能的重要因素之一，通過對(duì)矩形倒“Π”形固定式浮式防波堤進(jìn)行粘性流場(chǎng)模擬，提出了一種新型L 形浮式防波堤，得出結(jié)論，在相同的防浪性能下，L 形防波堤具有更好的經(jīng)濟(jì)性能[2]；李松喆 等通過對(duì)“開”型與矩形浮箱式防波堤消浪特性進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論：相對(duì)寬度會(huì)影響“開”型浮式防波堤的透射系數(shù)，相對(duì)寬度越大，投射系數(shù)越小，除此之外，“開”型浮式防波堤不僅通過反射波能進(jìn)行消波，下懸臂和形成的空腔也能對(duì)波能產(chǎn)生消散作用[3]；房卓等通過FLUENT 求解器，采用源函數(shù)造波法生成線性波、不規(guī)則波等，研究了透空式梳式防波堤對(duì)波能的消散作用，從而得出相對(duì)寬度是影響投射系數(shù)的重要因素之一[4]；楊浩提出了一種將阻尼結(jié)構(gòu)與浮板結(jié)合起來的新型柔性浮式防波堤，研究了相對(duì)寬度、波陡以及浮板對(duì)消浪特性的影響，最后得出相對(duì)寬度、波陡對(duì)投射系數(shù)都有較為明顯的影響[5]。

目前應(yīng)用中的浮式防波堤的結(jié)構(gòu)形式對(duì)短波的消浪效果比較明顯，但在長(zhǎng)波的實(shí)驗(yàn)研究中仍有較高的透射率。對(duì)于一般的浮式防波堤，透射系數(shù)通常來講應(yīng)小于0.5，相對(duì)寬度（B/L，浮堤自身的寬度與波長(zhǎng)的比值）要在0.3 以上，這樣就對(duì)浮式防波堤本身要求很高。當(dāng)遇到周期較長(zhǎng)的災(zāi)害性波浪時(shí)，普通的浮式防波堤基本起不到消浪作用，反而自身會(huì)受到較大的錨鏈張力，存在安全性的威脅。若要對(duì)浮式防波堤加以安全性的改進(jìn)，必將增加整體造價(jià)，同時(shí)也增加了防波堤的安裝以及維護(hù)的難度。

因此，影響浮式防波堤在工程中廣泛應(yīng)用的原因主要有以下兩點(diǎn)：

1）面對(duì)周期較長(zhǎng)的災(zāi)害性波浪時(shí)，浮式防波堤不僅不能起到消浪作用，反而自身存在危險(xiǎn)；

2）面對(duì)波高較大的波浪時(shí)，波浪會(huì)直接越過浮式防波堤，防波堤起不到消浪的作用。

本文針對(duì)以上問題，提出兩種結(jié)構(gòu)形式的浮式防波堤，兩種防波堤的構(gòu)造與浮筏式防波堤類似，通過設(shè)置多孔結(jié)構(gòu)，來打亂波浪中水質(zhì)點(diǎn)的有序運(yùn)動(dòng)，讓水質(zhì)點(diǎn)相互摻混碰撞，進(jìn)而消耗能量，并通過物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠韺?duì)比了兩種形式防波堤的消浪效果，可對(duì)浮式防波堤在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 物理模型實(shí)驗(yàn)

1.1 模型制作

1）金屬網(wǎng)式浮式防波堤

金屬網(wǎng)式浮式防波堤擬用1 mm 細(xì)孔曬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（比例尺1：49），四周用木板進(jìn)行固定。消波機(jī)理：讓波浪流過網(wǎng)眼來達(dá)到耗能的目的進(jìn)而消波。如圖1，模型尺寸與實(shí)際尺寸見表1。

圖1 金屬網(wǎng)式浮式防波堤

表1 金屬網(wǎng)式防波堤尺寸

2）盲溝式浮式防波堤

為進(jìn)一步研究多層多孔材料的消浪性能，采用實(shí)驗(yàn)室塑料盲溝進(jìn)行制作盲溝式浮式防波堤（比例尺1：49），如圖2，模型尺寸與實(shí)際尺寸見表2。

圖2 盲溝式防波堤

表2 盲溝式防波堤尺寸

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

該物理實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)港口與海岸工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型不規(guī)則隨機(jī)波浪水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)度為90 m，寬為2 m，最大水深為2 m。水槽通過低慣性交流電伺服推板造波機(jī)來模擬規(guī)則波，JONSWAP 譜等不規(guī)則波，并通過末端的消波裝置來消波。在造波機(jī)前布置浪高儀#20，用來采集入射波波高，在防波堤模型迎浪面前布置浪高儀#18，用來記錄模型前的波面時(shí)間歷程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Goda 兩點(diǎn)法[10]進(jìn)行處理，求出反射系數(shù)，在模型背浪面一側(cè)布置浪高儀#23，用來記錄透射波波面時(shí)間歷程，同樣用Goda 兩點(diǎn)法對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而計(jì)算出透射系數(shù)。布置形式如圖3，水池實(shí)景如圖4。該實(shí)驗(yàn)用到的儀器還有測(cè)量浮式防波堤六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的陀螺儀傳感器，測(cè)量系泊纜張力的拉力傳感器。每根系泊纜下方掛有相應(yīng)的配重砝碼，系泊纜布置形式如圖5。

圖3 波高儀布置形式

圖4 水池實(shí)景圖

圖5 系泊纜布置形式

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

本研究針對(duì)臨時(shí)維護(hù)施工廠做出設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)采用規(guī)則波，金屬網(wǎng)式防波堤與盲溝式防波堤選取實(shí)驗(yàn)工況如表3，折疊式盲溝防波堤選取工況如表4。

表3 金屬網(wǎng)式、盲溝式防波堤工況（水深0.5 m）

表4 折疊式防波堤工況（水深1 m）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金屬網(wǎng)式防波堤

每種工況采樣頻率為50 Hz，采樣時(shí)間60 s。由#20、#18、#23 波高儀測(cè)得波面高程如圖6～10。

圖6 工況1

圖7 工況2

圖8 工況3

圖9 工況4

圖10 工況5

分別以波浪周期、相對(duì)寬度（B/L）為變量，求得金屬網(wǎng)式防波堤的透射系數(shù)如表5。

表5 金屬網(wǎng)防波堤透射系數(shù)

通過以上波面高程圖，可以看出金屬網(wǎng)浮式防波堤有一定的消浪作用，但是隨著周期的變長(zhǎng)，透射系數(shù)逐漸接近與1，消浪效果減弱，另外，隨著波長(zhǎng)的增加，透射系數(shù)也明顯增大。

2.2 盲溝式防波堤

每種工況采樣頻率為50 Hz，采樣時(shí)間60 s。由#20、#18、#23 波高儀測(cè)得波面高程如圖11～15。

圖11 工況1

圖12 工況2

圖13 工況3

圖14 工況4

圖15 工況5

分別以波浪周期、相對(duì)寬度（B/L）為變量，求得盲溝式浮式防波堤的透射系數(shù)如表6。

表6 盲溝式防波堤透射系數(shù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在周期比較小的時(shí)候，消波效果還是比較明顯的，尤其是周期最小的0.7 s的情況下波浪基本上完全消減，而且水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)完全被打亂。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別以周期、相對(duì)寬度為變量，對(duì)金屬網(wǎng)式防波堤、盲溝式防波堤的透射系數(shù)進(jìn)行比較，如圖16至圖17。

圖16 周期下的透射系數(shù)比較

圖17 相對(duì)寬度下的透射系數(shù)比較

通過以上兩圖的明顯對(duì)比，對(duì)于金屬網(wǎng)浮式防波堤來說，盲溝式浮式防波堤的效果在短周期波浪條件下還是有明顯的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)周期波浪條件下效果也稍微有一些提高，特別是盲溝式浮式防波堤，在寬度僅是波長(zhǎng)0.4 倍的情況下，依然能夠消掉20 %左右的波浪。但是，面對(duì)長(zhǎng)周期的波浪，消浪效果還不夠理想，但是總的來說隨著結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，多孔結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，消浪效果也是越來越好。

鑒于盲溝式浮式防波堤在短周期波浪下消浪效果明顯，加以改進(jìn)，可以用于掩護(hù)水產(chǎn)增養(yǎng)殖設(shè)施，人工海水浴場(chǎng)等水域以取得節(jié)省投資和保持良好水質(zhì)交換的雙重效果，海上工程的施工現(xiàn)場(chǎng)也可以用盲溝式浮式防波堤來進(jìn)行臨時(shí)性掩護(hù)，以增加施工作業(yè)天數(shù)，縮短工期提高效益。