汪 宏，徐洪彬，宣 剛，2

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.中國(guó)建設(shè)銀行鎮(zhèn)江市分行，江蘇鎮(zhèn)江212003)

21世紀(jì)是人類全面進(jìn)軍海洋的時(shí)代，海洋資源開(kāi)發(fā)利用的防護(hù)設(shè)施將面臨一個(gè)突飛猛進(jìn)、空前繁榮的新時(shí)期.工程中會(huì)修建防波堤結(jié)構(gòu)物來(lái)防止深水結(jié)構(gòu)受到較大波浪的影響.傳統(tǒng)的固定式防波堤隨著工程水域深度的增加，工程造價(jià)劇增;并且固定型式的防波堤在材料的使用和波能的分布規(guī)律完全不相適應(yīng)［1］.因此以環(huán)保、節(jié)能為基調(diào)的新型浮式防波堤才是未來(lái)的發(fā)展方向.近幾十年，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者相繼提出了多種性能優(yōu)良的浮式防波堤.如:文獻(xiàn)［2-3］設(shè)計(jì)了一種“籠式”浮堤，并在浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的研究方面有所收獲;文獻(xiàn)［4］提出了一種帶阻尼結(jié)構(gòu)的浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式;文獻(xiàn)［5］模仿水生植物“浮飄”的結(jié)構(gòu)型式構(gòu)思了一種飄浮式防波堤;文獻(xiàn)［6］等對(duì)板-網(wǎng)結(jié)構(gòu)浮式防波堤的消浪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究等.

本項(xiàng)目所研究的柔性浮式防波堤主體結(jié)構(gòu)為中間的阻尼結(jié)構(gòu)，即用繩索柔性相連的鏤空式排列的消能塊.上部結(jié)構(gòu)分為兩種:無(wú)水平浮板(繩索網(wǎng)格)和水平浮板，吃水均很小.阻尼結(jié)構(gòu)最下端連接在同浮板大小的鋼架上，以防止纏繞.本研究目的是設(shè)計(jì)出對(duì)長(zhǎng)波和短波均有良好消浪效果的結(jié)構(gòu)形式.

1 物理模型試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)是在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的港航波浪水槽中進(jìn)行的，水槽前端裝有一套造波機(jī)可產(chǎn)生單向規(guī)則波、不規(guī)則波.水槽的尾端安裝有直立式消能網(wǎng)，用以吸收波浪能量以減小反射波帶來(lái)的影響.主要測(cè)試儀器為浪高測(cè)試儀和DLY-Ⅱ型浪高儀，波高測(cè)量范圍不小于30mm，絕對(duì)誤差小于1mm.試驗(yàn)前對(duì)所有儀器進(jìn)行標(biāo)定，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

1.2 物理模型

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖虏拷Y(jié)構(gòu)塊體采用聚氯乙烯材料(雪弗板)通過(guò)機(jī)床加工后粘合而成，塊體外徑為9 cm，高6 cm的六棱柱.用吊床繩將消浪塊體豎向交錯(cuò)連接5層，然后縱橫向各布置7排，3排;組成一個(gè)阻尼結(jié)構(gòu)單元體，如圖1.模型整體長(zhǎng)70 cm，寬30 cm，有浮板模型高38 cm，無(wú)浮板模型高35 cm;物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸卟捎?∶25.浮板由泡沫制作而成，有浮板單元體模型上部通過(guò)浮板間的粘彈性接頭連接而成;無(wú)浮板單元體模型上部仍然用吊床繩串聯(lián)起來(lái).模型單元體下部都連接到鋼架上，在鋼架四角布置重物，沉于水底以此來(lái)固定模型.防波堤模型CAD如圖1，2.

圖1 有浮板防波堤結(jié)構(gòu)Fig.1 Flexible floating breakwaters with float plate

圖2 無(wú)浮板防波堤結(jié)構(gòu)Fig.2 Flexible floating breakwaters without float plate

1.3 模型布置安裝

為了得到較為穩(wěn)定的波浪并且減少反射波浪對(duì)模型的影響，將防波堤安置在水槽中后部，如圖3.

圖3 堤寬對(duì)波浪透射系數(shù)的影響Fig.3 Effect of breakwater width on wave dissipation coefficient

2種形式防波堤的固定方式均采用直徑為4mm的尼龍繩和鐵塊組成的錨鏈系統(tǒng).錨系方式如圖3.在迎浪側(cè)與背浪側(cè)各對(duì)稱布置2根錨鏈，并可在每個(gè)鋼架下寬度方向上中心位置對(duì)稱布置2個(gè)豎直錨.

在模型前后中心軸線上分別放置波高儀，為了測(cè)得準(zhǔn)確的堤前入射波高，設(shè)置1號(hào)波高儀;2號(hào)波高儀用以測(cè)得堤后波高.從而得到不同波浪條件下柔性浮堤的波浪透射系數(shù).

1.4 物理試驗(yàn)過(guò)程

1)試驗(yàn)波要素

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸邽?∶25，試驗(yàn)水深(d)為0.65 m，相當(dāng)于實(shí)際水深 16.25 m.考慮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件，本試驗(yàn)采用規(guī)則波形態(tài).波高采用0.10，0.15，0.20 m;波周期為1.0，1.5，2s.波長(zhǎng)(L)由規(guī)則波理論計(jì)算得到.波浪參數(shù)如表1.

表1 試驗(yàn)規(guī)則波波浪參數(shù)Table 1 Wave parameters of test regular waves

2)試驗(yàn)過(guò)程

①在一個(gè)特定的波浪條件下(T=1.5s，H=0.15 m)，改變2種柔性浮式防波堤的堤身寬度進(jìn)行試驗(yàn)，以此來(lái)研究堤身寬度(W)對(duì)防波堤消浪效果的影響.從而得到柔性浮式防波堤整體的消浪性能并比較分析.

②對(duì)性能優(yōu)越的防波堤進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，確定柔性浮堤的堤身寬度，改變波浪條件，以此來(lái)研究波浪參數(shù)對(duì)柔性浮堤波浪透射系數(shù)的影響.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理，波浪試驗(yàn)過(guò)程采樣間隔為應(yīng)小于平均周期的1/20，且在波浪平穩(wěn)條件下，規(guī)則波連續(xù)采集的波浪個(gè)數(shù)不應(yīng)少于10.改變波要素后，待水池水面平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)后方可繼續(xù)造波并采集處理.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)研究波浪透射系數(shù)Kt來(lái)評(píng)估柔性浮式防波堤的消浪特性，即通過(guò)堤前堤后波高的比值來(lái)反映出新型柔性浮堤的消浪性能，其公式為:Kt=Ht/Hi(其中，Hi為堤前入射波高;Ht為堤后波高).

2.1 堤寬對(duì)波浪透射系數(shù)的影響

試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定波要素:周期為1.5s，波高為0.15 m.首先放置一個(gè)柔性浮堤的單元體，然后逐個(gè)增加柔性浮堤單元體.最后防波堤總寬度為0.9 m.表2，3分別為2種形式防波堤試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果.

表2 無(wú)浮板防波堤試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of breakwater without floating plate

表3 有浮板防波堤試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data of breakwater with floating plate

圖4反映了堤身寬度對(duì)透射系數(shù)的影響.從圖表可以看出:2種型式的柔性浮堤透射系數(shù)Kt隨著堤身總寬的增大而逐漸減小.可以得到隨著堤寬的不斷增大，波浪透射系數(shù)減幅越來(lái)越大，消波效果越來(lái)越明顯.并且柔性浮堤的總體透射系數(shù)在0.4～0.7 之間.

2.2 波浪周期、波高對(duì)透射系數(shù)的影響

由以上結(jié)論可得，有浮防波堤其消浪性能優(yōu)于無(wú)浮板防波堤.試驗(yàn)過(guò)程中，在水槽中安置3個(gè)有浮板柔性浮堤單元體，柔性浮堤總長(zhǎng)度為0.9 m，然后按照設(shè)定的波浪條件依次對(duì)柔性浮堤進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4.

圖4 堤寬對(duì)波浪透射系數(shù)的影響Fig.4 Effect of breakwater width on wave dissipation cofficient

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)(堤寬W=0.9 m)Table 4 Test data(breakwater width W=0.9 m)

圖5為不同波浪條件對(duì)有浮板柔性浮式防波堤波浪透射系數(shù)的影響.

圖5 不同波浪條件下波浪透射系數(shù)Fig.5 Wave dissipation coefficient of different wave conditions

從圖表可以看出:有浮板柔性浮式防波堤在波浪周期相同時(shí)，透射系數(shù)隨著波高的增大而增大;在波高相同時(shí)，圖表基本呈現(xiàn)出周期越大透射系數(shù)越大的規(guī)律.在波高增大的過(guò)程中，有浮板柔性浮堤的透射系數(shù)，變化范圍在0.2之間，最大時(shí)約為0.6，消浪效果仍然明顯，可以得到柔性浮堤適合于波高變化較大的環(huán)境中.在周期增大的過(guò)程中，波高較小時(shí)，有浮板柔性浮堤的透射系數(shù)增大亦不明顯，可以得到有浮板柔性浮堤對(duì)長(zhǎng)波和短波均有良好的消浪效果;但當(dāng)且波高較大時(shí)柔性浮堤的波浪透射系數(shù)變化較大，即柔性浮堤的消浪效果不再穩(wěn)定，試驗(yàn)過(guò)程中防波堤橫搖較為嚴(yán)重，在極端波浪條件下，防波堤消浪性能影響因素更為復(fù)雜.

3 結(jié)論

文中通過(guò)在波浪水槽中進(jìn)行的物理模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了有浮板柔性浮式防波堤在不同波浪條件下透射系數(shù)的變化規(guī)律.通過(guò)分析透射系數(shù)和波高、周期、堤身寬度之間的相互關(guān)系，得出柔性浮式防波堤結(jié)構(gòu)的消波性能.結(jié)論如下:

1)有浮板柔性浮式防波堤是一種新型消浪結(jié)構(gòu).由粘彈性橡膠接頭連接組成的浮板帶能有效的破壞水質(zhì)點(diǎn)豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到消能的作用;同時(shí)反射水體表面的波浪從而達(dá)到掩護(hù)堤后港池的目的.單元體水下部分的阻尼結(jié)構(gòu)逐級(jí)消能以消減波浪，同時(shí)消浪塊能使波浪破碎并將水流導(dǎo)向不同的方向，使之撞擊產(chǎn)生紊流，并且阻尼結(jié)構(gòu)可以接受波浪的能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生部分柔性運(yùn)動(dòng)，從而大大促進(jìn)波浪在防波堤內(nèi)部的能量消減.

2)在所設(shè)定的波浪條件下，2種形式的柔性浮式防波堤波浪透射系數(shù)在0.35～0.65之間，說(shuō)明該新型柔性浮堤結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)波和短波均有較好的消浪效果.具有實(shí)際的研究和應(yīng)用價(jià)值.

本試驗(yàn)限于規(guī)則波情形，下一步擬針對(duì)不規(guī)則波和波流共同作用下的柔性浮式防波堤消浪性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.深入探究結(jié)構(gòu)透空率對(duì)波浪透射系數(shù)的影響.同時(shí)參考諸多關(guān)于對(duì)海洋浮式結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力數(shù)值分析［7］，展開(kāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元分析.

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