透空箱体浮式防波堤消浪特性实验研究

第２８卷第１期　２　０　１　２年３月　交通科学与工程　

Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ｏＦ　ＴＲＡＮＳＰ０ＲＴ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．２８　Ｎ０．ｉ　

Ｍａｒ．２Ｏｌ２　

文章编号：１６７４—５９９Ｘ（２０１２）Ｏ１—０ｏ５６一Ｏ６　透空箱体浮式防波堤消浪特性实验研究　

蒋昌波　一，袁盛良　刘　躁。，邓　斌　一，王　刚　，伍志元　（１．长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙４１０００４；２．水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，　湖南长沙４１０００４；３．中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津３００４６１）　

摘要：通过对４种不同结构形式的浮式防波堤进行实验研究，分析了浮式防波堤在规则波作用下防　波堤透射系数与模型顶板相对入水深度ｑ／ｄ、相对板间距ｓ／ｄ、相对板长Ｂ／Ｌ以及顶板开孔的关系．研　究结果表明，相对板长是影响防波堤消浪性能的最重要因素．在加大锚链拉力的同时，增加防波堤长度　是提高防波堤消浪性能的有效方法．　关键词：浮式防波堤；透射系数；规则波；模型实验　中图分类号：Ｕ６５６．２　４　文献标识码：Ａ　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｎｔｏｏｎ。ｐｌａｔｅ　ｔｙｐｅ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ　ＪＩＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ—ｂｏ　“，ＹＵＡＮ　Ｓｈｅｎｇ—ｌｉａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｊｉｎｇ。，　ＤＥＮＧ　Ｂｉｎ　，ＷＡＮＧ　Ｇａｎｇ　，ＷＵ　Ｚｈｉ—ｙｕａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ，Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｆｌｏｏｄ　Ｈａｚａｒｄ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＣＣＣＣ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｏｎ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ＣＯ．，ＬＴＤ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４６１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒｍｓ　ｏｆ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｂｒｅａｋｗａｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒ—　ｗａｒｄ．Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｆｉｎｅｄ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｓｕｂｍｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｌａｔｅ—ｓｐａｃｉｎｇｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｉｔｈ　ｏｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｈｏｌｅｓ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｒｏｏｆ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｌａｔｅｓ—ｌｅｎｇｔｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｒｅｇｕｌａｒ　ｗａｖｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｔｓ　ｂｏｄｙｌｅｎｇｔｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｏｒ　ｄｕｒｉｎｇ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｒｅｇｕｌａｒ　ｗａｖｅ；ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　

人口过剩和环境污染已经越来越多地威胁着　人类的生存和繁衍．近年来，使用海洋空间代替土　地空间已经成为了一个相当有吸引力、同时也是　一个生态友好的选择．浮式防波堤是对港口内部　

结构或海岸起掩护作用的防浪构筑物．与传统的　座底形式相比，具有经济、轻便、机动性好以及适　应于软土地基等特点．浮式防波堤相比较于固定　式防波堤具有改善海港水域水质和更经济等优　

收稿日期：２Ｏ１２一Ｏ３一Ｏ１　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７９００８，５０９０９００９）；教育部博士点基金资助项目（２ＯＯ９４３１６ｌ１００Ｏ２）　作者简介：蒋昌波（１９７Ｏ一），男，长沙理工大学教授，博士生导师．　第１期　蒋昌波，等：透空箱体浮式防波堤消浪特性实验研究　５７　点，此外，还拥有能够减少因地震等自然灾害所带　来的损失、建造和拆迁方便且快捷以及适宜于软　土地基的特点．因而浮式防波堤的应用越来越引　起人们的重视．　许多学者对浮式防波堤开展了大量研究．Ｍａ—　ｎｉＬ１．提出了一种在倒梯形浮箱底部，安装一排圆柱　形的Ｙ字形浮式防波堤结构；这种浮式防波堤通　过下部的一排圆柱体干扰其附近的水体运动，使　得波浪的能量衰减．Ｎｅｅｌａｍａｎｉ［　等人提出了一　种‘Ｔ’型和‘上’型半潜式防波堤，并通过物理模型　实验，研究了波浪的反射、透射以及能量衰减特　性，发现透射系数随着波陡和相对水深的增大而　减小；且在相同条件下，‘Ｔ’型防波堤的掩护性能　要优于‘上’型防波堤．Ｔｗｕ　等人提出了一种多　层开孔防波堤，通过特征函数法，分析了防波堤的　反射、透射以及波能衰减特性，认为这种多层结构　的防波堤既可以降低反射系数也可以降低透射系　数，并通过实验进行了验证．Ｋｕｍａｒ／　和Ｇａｙａｔｈ—　ｒｉＬ６　等人通过实验，得到了相对水深对反射系数和　透射系数的影响．Ｐａｔａｒａｐａｎｉｃｈ［７　等人通过实验，　得出双层板式防波堤结构比单一水平板式防波堤　结构消浪效果更佳的结论，并指出了在相对板宽　一定的条件下，相对水深与透射系数之间的关系．　吴静萍［８　等人构思并设计了一种浮漂式防波堤结　构，由同一尺寸的圆形木板排成４排７列平铺于　水面，模型整体尺寸为１１８　Ｉｎ×１１０　ＩＴ１．实验结果　表明，该结构具有较好的消浪性能，并且系泊于水　下比系泊于岸边的消浪效果好．王科［ｇ　通过数值　模拟和物理模型实验，对潜式水平板型防波堤的　消波性能和水动力特征进行了研究，认为：其主要　消波机理是水平板的浅水效应；波高与水平板潜　深的比值及波长与板长的比值是影响其消浪效果　的两个重要因素．严以新［１　Ｄ］等人通过断面模型实　验，认为：影响多层挡板透空式防波堤消浪性能的　主要因素是挡板的透空率及其设置方式．　在研究浮式防波堤的过程中，采用的水平板　结构形式都比较简单．在综合考虑前人的研究前　提下，参考了姚国权［１妇等人的浮箱式防波堤试验　模型，本实验对浮式防波堤的结构形式进行了改　良，在浮式防波堤内部设左、右对称的配重箱，配　重箱迎水面及背水面均采用圆弧形导流结构，防　波堤整体则是由上部的水平顶板、下部的水平底　板以及左、右两边对称的配重箱构成的特殊透空　结构形式．透空箱体浮式防波堤这种特殊结构形　式兼具双层水平板式防波堤和浮箱式防波堤的特　点，能够调节防波堤的入水深度，并有效地节约材　料．由于采用了水流方向的透空结构，也有利于减　小波浪对防波堤的正向冲击压强，从而避免了锚　链瞬间受到较大的拉力．本研究基于波浪水槽实　验，对透空箱体浮箱式防波堤开展实验研究，对其　消浪性能进行分析和探讨．　

１物理模型实验　１．１实验设备及仪器　实验在长沙理工大学水利工程学院的大波浪　水槽内进行，所用水槽长６０　ｒｆｔ，宽１．５　ｍ，深　１．８　ｒｌｌ，波浪水槽两侧为透明玻璃，水槽配有造波　系统，两端有良好的消波设施．波高数据采用天津　水运工程科学研究所研制开发的２００８型数据采　集处理系统，仪器设备均能满足实验要求．　１．２实验条件　实验入射波采用规则波，按照重力相似准则　（Ｆｒｏｕｄｅ准则）进行，再综合考虑波浪水槽尺度、浮　式防波堤平面布置尺寸、水深、波浪要素和实验仪　器测量精度等因素，模型选用几何比尺１：４，实验　水深为０．５　ｍ，采用波高为０．１　ｍ和０．１５　ｍ，周期　采用１．０　Ｓ和１．２５　ｓ，模型宽度为水槽宽度　０．５　ｍ．为了探讨水平板间距、防波堤顶板开孔以　及板长对浮式防波堤消浪效果的影响，本研究分　别提出了４种浮式防波堤方案：方案１的尺寸为　０．７５　ｍ×０．５　ｍ×０．３　ｍ（长ｘ宽×高）；方案２的　尺寸为０．７５　ｍ×０．５　ｍ×０．２　ｍ；方案３的尺寸为　０．７５　ｍ×０．５　ｍ×０．３　ｍ（过水道顶板上均布有　１２个直径为０．０３　ｍ的圆孔）；方案４的尺寸为　１．０　ｍ×０．５　ｍ×０．３　ｍ．其中：方案２相比于方案　１，只改变了箱体高度（即改变了水平板间距）；方　案３相比于方案１，则只在过水道顶板上均布了两　排直径为０．０３　ｍ的圆孔；而方案４是在方案１的　基础上加大了箱体长度（即改变了浮式防波堤板　长）．本实验所采用弹簧刚度Ｋ一１８．５４　Ｎ／ｃｍ．　５８　交通科学与　工程　第２８卷　（ａ）方案Ｉ　（ｂ）方案２　（ｃ）方案３　（ｄ）方秉４　图Ｉ实验模型　Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｅｌ　

１．３实验布置　为了尽量减小波浪反射的影响，除了在堤后　设有消波装置外，实验时将模型放置在水槽中后　部，距离造波板足够远的地方，保证模型不受二次　反射波浪的影响．防波堤采用锚链系统固定在水　槽底部，在防波堤的迎浪侧和背浪侧对称布置４　根斜拉式锚链，其中防波堤底部通过螺母和螺杆　连接，锚链的弹性相似采用螺旋弹簧来满足，即在　刚性链条的底部加上一段弹簧来模拟锚链的弹　性．锚链系统则将防波堤的运动限制在一定的范　围之内，模型在波浪作用下有３个运动自由度：横　摇、垂荡和横荡．在模型前端布置３根浪高仪，在　模型后端布置两根浪高仪．实验布置如图２所示．　从图２中可以看出，１　浪高仪距离模型前端　５．４　ｍ，用来采集入射波高．模型前端布置两根浪　高仪２　和３　，记录模型前的波浪过程线，通过　ＧＯＤＡ两点法计算模型的反射系数，将２　和３　浪高仪间的距离设为０．２５Ｌ（Ｌ为波长），２　与３　浪高仪之间的距离以及３　浪高仪与模型前端之　间的距离均见表１．模型后端布置４　和５　浪高　仪，为获得稳定的透射波高，４　浪高仪布置在距离　模型后端２．５　ｍ处（一倍波长以外）；５　浪高仪布　置在模型后端３．３　ｍ处．　图２　实验布置示意　Ｆｉｇ．２　Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　表１浪高仪的布置　Ｔａｂｌｅ　１　Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗａｖｅ　ｐｒｏｂｅ　实验数据全部由计算机自动采集和处理，采　样间隔为０．０２　ｓ，每组实验采样时间取４０．８　Ｓ，每　次实验当波浪稳定后才开始采集，每组实验至少　重复３遍，取其平均值．　２透射系数的实验结果分析　根据实验观测及分析，影响浮式防波堤消浪　效果的因素有：浮式结构入水深度ｑ、防波堤长度　Ｂ、箱体高度Ｓ和结构型式等．则透射系数与各影　响关系之间的关系可以表示为：　Ｋ　＝Ｈ　／Ｈｉ＝厂ｌ（　，Ｈ，Ｂ，ｑ，Ｓ，Ｌ）．　（１）　将这些函数中的变量表示为无因次形式，则　函数厂　可以写成函数，ｚ：　Ｋ　一瓦Ｈｔ一厂。（言，詈，吾，导）．　ｃ２　式中：Ｋ　为透射系数；Ｈｔ为堤前入射波高；Ｈ　为　堤后透射波高；ｄ为水深；Ｈ为波高．