潘春昌，王國玉，任 冰，王永學(xué)

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

隨著社會的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，船舶趨向大型化，港口碼頭的泊位也在向深水發(fā)展，而斜坡堤和直立堤等傳統(tǒng)防波堤造價隨著水深迅速增加，并且由于技術(shù)比較復(fù)雜、施工期較長，不適于在水深浪大的區(qū)域建造。另外，傳統(tǒng)的防波堤不透流，阻礙了港內(nèi)外的水體交換，導(dǎo)致口門處流速增大，不利于船舶的通行，對港內(nèi)的水質(zhì)保持和生態(tài)環(huán)境也造成了不利的影響。由于表層水體集中了波浪的大部分能量，浮式防波堤和透空式防波堤等新型防波堤得到了重視和發(fā)展。這些新型的防波堤能夠很好地適應(yīng)深水和地基軟弱的情況，并且造價低廉，對環(huán)境友好。雖然新型防波堤相對于傳統(tǒng)防波堤有諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在實(shí)際工程中也有應(yīng)用，但由于結(jié)構(gòu)的透空，尤其是在長周期波浪作用下，較多的透過能量會使港內(nèi)波高增大，影響港內(nèi)的泊穩(wěn)條件，所以目前仍難以廣泛的作為永久性的防浪設(shè)施利用。另外，透空式防波堤的下部結(jié)構(gòu)承擔(dān)了結(jié)構(gòu)所受的大部分波浪力，在惡劣的海況下，其自身的安全性與穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的威脅。

透空式防波堤是一類下部透空、上部為連續(xù)的擋浪結(jié)構(gòu)，使堤前波浪的能量大部分不能向堤后傳播的防波堤。透空式防波堤結(jié)構(gòu)是由Weigel［1］于1961年所提出，近年來逐漸被重視，并有國內(nèi)外許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。Jarlan［2］提出過一種迎浪面擋板開孔，中間是消能氣室，而背側(cè)擋板不可滲的防波堤。Mani和Jayakumar［3］通過試驗(yàn)方法研究了由圓筒組成的透空結(jié)構(gòu)的消浪效果。Brossard等［4］和王科［5］分別對水平潛式板防波堤的消浪性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為潛式水平板消浪的作用機(jī)理是淺水效應(yīng)。Neelamani等［6-7］提出一種“T”型和“⊥”型半潛式防波堤，并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究。嚴(yán)以新等［8］通過物模試驗(yàn)探討了多層擋板透空式防波堤的消浪特性，指出了此種防波堤消浪效果的主要影響因素是擋板的透空率及設(shè)置方式。Gunaydin等［9］通過物理模型試驗(yàn)研究了“U”型的透空式結(jié)構(gòu)的消波性能，并考察了結(jié)構(gòu)開孔率對消波效果的影響。王國玉等［10］提出了一種多層水平板透空式防波堤，并通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。陳旭達(dá)等［11］通過物理模型試驗(yàn)討論了相對板間距、相對潛深對雙層水平板型防波堤的消浪性能及結(jié)構(gòu)受力的影響。

目前，我國已經(jīng)有數(shù)個采用了新型結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目，其中大連港大窯灣新港區(qū)的島堤建設(shè)是中國內(nèi)首次采用了透空式沉箱結(jié)構(gòu)——梳式防波堤，已于2001年建成。該結(jié)構(gòu)集造價低廉、消浪、透流、降低地基應(yīng)力和環(huán)保等諸多優(yōu)勢于一體，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了良好的效果，是我國具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的一種新型水工結(jié)構(gòu)［12］。另外，福建的黃岐灣漁港［13］，上海的金山客貨輪渡碼頭［14］，吳淞口炮臺灣船舶基地工程［15］等都有過透空式結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。

在1994年“深水防波堤”國際專題討論會［16］上，較早的介紹了半圓形防波堤的結(jié)構(gòu)型式。謝世楞［17］結(jié)合數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和工程應(yīng)用詳細(xì)介紹了半圓形防波堤的設(shè)計和研究進(jìn)展。袁德奎［18］通過理論分析和物理模型試驗(yàn)研究了非線性水波與半圓型防波堤相互作用的力學(xué)機(jī)制，并提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。劉長根等［19］利用時變雷諾方程模型模擬了孤立波與半圓型防波堤的相互作用。吳進(jìn)等［20］對半圓型防波堤就行了改進(jìn)，提出了弧面格型結(jié)構(gòu)防波堤。

結(jié)合透空式防波堤和圓弧面式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種由多層圓弧板組成的新型透空式的防波堤，并在物理水槽內(nèi)，對其在二維規(guī)則波浪作用下的消波性能開展了試驗(yàn)研究工作，以深入了解該結(jié)構(gòu)的消波原理和特性，并對影響結(jié)構(gòu)消波效果的因素，如圓弧板的間距和層數(shù)等，進(jìn)行了初步探討。

1 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)在波流水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為22 m×0.45 m×0.6 m(長×寬×高)。水槽前端裝有電機(jī)式造波機(jī)，可產(chǎn)生平穩(wěn)、重復(fù)性好的規(guī)則波，水槽末端安裝有消能網(wǎng)，用于吸收波浪能量，減少波浪反射。

試驗(yàn)水槽中模型及儀器的布置如圖1所示。模型放置于水槽中間偏后的位置，模型前布置1號和2號兩個浪高儀，間距Δl1是0.200 m，模型后布置3號和4號兩個浪高儀，間距Δl2是0.320 m，分別同時記錄4點(diǎn)的波面過程線。對1號、2號和3號、4號浪高儀數(shù)據(jù)分別通過Goda兩點(diǎn)法［21］，可得出模型對波浪的的反射系數(shù)和透射系數(shù)。

圖1 模型布置示意Fig.1 Details of wave flume and experimental setup

圓弧板透空式防波堤結(jié)構(gòu)的模型平面圖和斷面圖如圖2(a)所示。為比較圓弧板透空式防波堤結(jié)構(gòu)的消波效果，作為對比試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用了與圓弧板寬度一致的水平板透空式結(jié)構(gòu)，該模型的平面圖和斷面圖如圖2(b)所示。圓弧板和水平板材料均采用寬度為0.45 m、厚度為0.01 m的有機(jī)玻璃。在板材的四角開孔，四根螺紋桿分別由四角的空中通過，上下由螺母固定，螺紋桿焊接在底部鐵板上，這樣就構(gòu)成了圓弧板或水平板透空式防波堤結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中，將模型固定在水槽底部，同時通過上方的支架將模型固定。圖3(a)和(b)分別是制作好的圓弧板和水平板透空式防波堤模型照片。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫婧蛿嗝媸疽釬ig.2 Floor plans and profiles of models

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.3 Photo view of models

物理模型試驗(yàn)采用規(guī)則波浪，波要素如表1所示。試驗(yàn)水深為0.4 m，波浪周期分別0.73、0.91、1.10、1.28和1.46 s，對應(yīng)的波長分別為0.83、1.25、1.70、2.12和2.53 m。如按模型試驗(yàn)比尺1∶30考慮，則分別對應(yīng)實(shí)際波浪周期為4、5、6、7 和8 s。

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Wave parameters for model test

試驗(yàn)中的主要物理參數(shù)如表2所示，其中水深為h，波浪參數(shù)波高為H、周期為T、波長為L，模型入水深度為d1(頂層板固定處頂面入水深度)，模型參數(shù)寬度為W、弧形板高度為d2，反射系數(shù)為Kr，透射系數(shù)為Kt，相鄰板之間距離為S。

表2 試驗(yàn)主要物理參數(shù)Tab.2 Symbol description for experimental setup parameters

模型試驗(yàn)分別對圓弧板和水平板透空式防波堤模型進(jìn)行了不同層數(shù)和不同的布置方式條件下波面進(jìn)行了觀測。按表1所示波要素進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)組次見表3，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為最后試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中采用的采樣間隔為0.02 s，采樣個數(shù)1 024。

表3 模型試驗(yàn)組次表Tab.3 Model test cases

圖4 圓弧板透空式防波堤試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Photos for the arc-plate type breakwater

圖5 水平板透空式防波堤試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Photos for the horizontal plate type breakwater

圖4和圖5分別給出了圓弧板透空式防波堤和水平板透空式防波堤模型的試驗(yàn)照片。在入射波高H=0.04 m和0.08 m時，各種組合的圓弧板式結(jié)構(gòu)均使波浪發(fā)生破碎，其中在入射波高H=0.04 m時，各組次均無越浪;在入射波高H=0.08 m時，入水深度d1=-0.03 m時無越浪，其他情況均有越浪。試驗(yàn)時，可以明顯的觀察到堤后波高小于堤前的入射波高。由于結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用，波浪形態(tài)發(fā)生改變，甚至破碎，波能衰減，從而起到消波的作用。在不同周期的入射波作用下，能量衰減的程度不同，消波效果有明顯差異。波浪周期較短時，波浪破碎現(xiàn)象明顯，消波效果顯著。在入射波高H=0.04 m和0.08 m時，各種組合的水平板式結(jié)構(gòu)同樣均使波浪發(fā)生破碎，波高H=0.04 m和入水深度d1=-0.03 m時，無越浪，其他情況均有越浪。試驗(yàn)時，消波效果亦比較明顯，與同樣波要素作用下參數(shù)相同的圓弧板式結(jié)構(gòu)的情況相比，堤后波高稍大。

2 數(shù)據(jù)分析

物理模型試驗(yàn)主要分析了圓弧板透空式防波堤與水平板式透空式防波堤消波性能的對比，并探討了圓弧板的層數(shù)和板間距等因素對其消波效果的影響。

2.1 圓弧板和水平板透空式防波堤消波性能對比

物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行了層數(shù)N=2，頂層板置于水面時圓弧板(d2=0.05 m)透空式防波堤和水平板(d2=0 m)透空式防波堤的消波性能觀測。圖6給出了圓弧板和水平板透空式防波堤模型在不同入射波高條件下對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由以上結(jié)果可以看出，圓弧板透空式結(jié)構(gòu)的消波性能較水平板透空式結(jié)構(gòu)具有明顯的提升。圓弧板透空式防波堤結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)Kr與透射系數(shù)Kt均較小，尤其在較小波高即H=0.04 m的情況下，圓弧板式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)相對寬度W/L在0.25～0.55時(短周期波浪)，圓弧板透空式防波堤的透射系數(shù)與水平板透空式防波堤的透射系數(shù)相比，降低幅度約為50%;當(dāng)相對寬度W/L=0.18時(長周期波浪)，相應(yīng)的降低幅度約為16%。

圖6 圓弧板和水平板透空式防波堤消波效果對比(N=2，S=0.05 m，d1=0 m)Fig.6 Comparison of Kt＆ Krbetween the arc-plate and horizontal plate breakwaters(N=2，S=0.05 m，d1=0 m)

物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行了層數(shù)N=3，頂層板置于水面時圓弧板(d2=0.05 m)透空式防波堤和水平板(d2=0 m)透空式防波堤的消波性能觀測。圖7給出了圓弧板和水平板透空式防波堤模型在不同入射波高條件下對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。三層板時，當(dāng)水位變動為在第一、二層板中間位置時，兩種結(jié)構(gòu)的消波效果都有變好的趨勢，同時圓弧板的優(yōu)勢仍能明顯保持。在相對寬度W/L=0.18時，在兩種波高情況下透射系數(shù)Kt的減小幅度均最小，都減小了約15%，其他情況下效果更加明顯，減小幅度都在20%以上，甚至在某些情況下達(dá)到60%以上，消波效果顯著。

圖7 圓弧板和水平板透空式防波堤消波效果對比(N=3，S=0.05 m，d1=-0.03 m)Fig.7 Comparison of Kt＆ Krbetween the arc-plate and horizontal plate breakwaters(N=3，S=0.05 m，d1=-0.03 m)

這兩種結(jié)構(gòu)的消波原理都是破壞水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，其中水平板的作用機(jī)理是破壞水質(zhì)點(diǎn)的豎向運(yùn)動軌跡，使波浪發(fā)生淺水效應(yīng)，在波浪通過該結(jié)構(gòu)時，使其發(fā)生破碎，達(dá)到衰減波能的效果，減小透射波高。與此類似，圓弧板式結(jié)構(gòu)能同時破壞水質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動軌跡和豎向運(yùn)動軌跡，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動較水平板式結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，淺水效應(yīng)更加明顯，波能的衰減程度更大，同時其板間波浪破碎更明顯，大波高時有越浪的現(xiàn)象，且其迎浪面積較大，對波浪的阻擋效果也增強(qiáng)。另外，波浪經(jīng)過圓弧板結(jié)構(gòu)傳播時，弧形板之間的水體表現(xiàn)為水平方向的壓力流狀態(tài)，由于圓弧板的存在，使得圓弧板之間的水體在水平方向上的流動變得困難，這也從宏觀上增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)對波浪的衰減作用。因而圓弧板結(jié)構(gòu)的消波效果比水平板式結(jié)構(gòu)有了較大改善。

2.2 圓弧板透空式防波堤消波效果的影響因素

對于圓弧板透空式防波堤結(jié)構(gòu)，物理模型試驗(yàn)中探討了相鄰圓弧板的間距和圓弧板層數(shù)對其消波效果的影響。本次試驗(yàn)主要討論了圓弧板高度d2=0.05 m時，板間距和板的層數(shù)對該結(jié)構(gòu)消波效果的影響，其中板間距采用了S=0.05 m、0.10 m和0.15 m三種情況，且三種情況的入水深度均為d1=0.05 m;討論板的層數(shù)影響時，入水深度均為d1=0.05 m，板間距均為S=0.05 m，共有N=2、4、6三種情況。

圖8給出了不同板間距條件下，兩層圓弧板透空式防波堤模型在不同入射波高條件下對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)入射波高H=0.04 m時，板間距S=0.05 m的情況消波效果明顯優(yōu)于其他兩種情況，在不同的相對寬度時Kt均明顯小于其他兩種情況。相對寬度W/L=0.18時，透射系數(shù)Kt的減小幅度最小，達(dá)到15%，在相對寬度W/L＞0.30時，透射系數(shù)Kt＜0.20，比板間距S=0.10 m和0.15 m時小50%以上。當(dāng)H=0.08 m時，板間距S=0.05 m的情況的透射系數(shù)Kt較板間距S=0.15 m時小，相對寬度W/L＞0.30時，板間距S=0.05 m的情況的Kt減小幅度在30%以上。而對于板間距S=0.10 m的情況，當(dāng)相對寬度W/L較小時，其透射系數(shù)Kt介于其他兩種情況之間;當(dāng)相對寬度W/L＜0.22時，其透射系數(shù)Kt較板間距S=0.05 m稍小，但減小幅度不大，在5%以下。

分析其原因，在波高較小時，波浪的影響深度也較小，板間距增大時，下層板的作用效果不明顯;當(dāng)波高較大時，波浪的影響深度變大，所以在板間距增大時其消波效果較小波高時提高明顯，甚至在較大的相對寬度W/L時S=0.10 m的透射系數(shù)Kt比板間距S=0.05 m的情況還要少，但鑒于其減小的幅度不大，且板間距S=0.05 m的情況可以通過增加板的層數(shù)來彌補(bǔ)，所以總體來說，板間距較小時，圓弧板式結(jié)構(gòu)的消波效果較佳。

圖8 不同板間距時圓弧板透空式防波堤對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果(N=2，d1=0 m)Fig.8 Comparison of Kt＆ Krfor different arc plate spacings(N=2，S=0.05 m，d1=0 m)

圖9給出了不同板數(shù)的圓弧板透空式防波堤模型在不同入射波高條件下對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，在波高H=0.04 m的情況下，透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr都比較接近，差別并不明顯;在波高H=0.08 m情況下，當(dāng)N=2增加到N=4時，透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr均有一定程度的減小，且比較明顯，而N=4增加到N=6時，透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr比較接近，變化幅度很小。

兩種波高情況下，板間距S均為0.05 m。當(dāng)波高H=0.04 m時，H＜S，此時波浪的影響深度較小，下層板的作用甚微，因而板層數(shù)的增加對消波效果并無明顯的提升。當(dāng)波高H=0.08 m時，S＜H＜2S，此時波浪的影響深度較大，所以當(dāng)板層數(shù)增加到4時，靠下部的兩層板仍能起到一定作用，改善消浪性能;而當(dāng)板的層數(shù)增加到6時，波浪對下部的兩層板的影響十分有限，所以消浪效果并無提升。這表明，適當(dāng)增加圓弧板的層數(shù)能夠提高此種結(jié)構(gòu)的消波效果，特別是在大波高、長周期的情況下效果提升比較明顯。

圖9 不同層數(shù)的圓弧板透空式防波堤對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果(S=0.05 m，d1=0 m)Fig.9 Comparison of Kt＆ Krfor different numbers of arc plates(S=0.05 m，d1=0 m)

3 結(jié)語

通過二維水槽中的規(guī)則波浪模型試驗(yàn)，對一種由圓弧板組成的新型透空式防波堤結(jié)構(gòu)的消波效果進(jìn)行了比較和分析，研究結(jié)果表明:

1)與水平板透空式防波堤結(jié)構(gòu)相比，圓弧板透空式防波堤消波性能有較大提升，其對波浪的反射系數(shù)和透射系數(shù)均較小。在相對寬度較大W/L＞0.25時，透射系數(shù)較水平板結(jié)構(gòu)可減小50%左右，對短周期波浪尤為明顯，透射系數(shù)減小可達(dá)80%。當(dāng)結(jié)構(gòu)出水時，多層圓弧板透空式防波堤的消波效果較入水深度d1=0時提高，可以滿足對實(shí)際工程的應(yīng)用，且對水平板式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢仍能保持。

2)相對寬度W/L是影響圓弧板透空式防波堤消波效果的主要因素。當(dāng)相對寬度W/L=0.2時，圓弧板結(jié)構(gòu)可使透射系數(shù)降低到0.5，特別是當(dāng)相對寬度W/L=0.30時，透射系數(shù)甚至可達(dá)0.2以下。同時結(jié)構(gòu)對波浪的反射系數(shù)Kr較小，可以控制在0.50以下。

3)圓弧板的間距對圓弧板透空式防波堤的消波性能影響較大，板間距較小時，消波效果較好。

4)適當(dāng)增加圓弧板的層數(shù)能夠提高圓弧板透空式防波堤的消波性能。

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［16］謝世楞.深水防波堤技術(shù)的最新進(jìn)展—94深水防波堤國際會議報導(dǎo)［J］.港工技術(shù)，1994(2):1-10.(XIE Shi-leng.Recent progress of deepwater breakwater technology—A report on the international workshop on wave barriers in deepwaters［J］.Port Engineering Technology，1994(2):1-10.(in Chinese))

［17］謝世楞.半圓形防波堤的設(shè)計和研究進(jìn)展［J］.中國工程科學(xué)，2000，2(11):35-39.(XIE Shi-leng.Progress in design and study of semi-circular breakwaters［J］.Engineering Science，2000，2(11):35-39.(in Chinese))

［18］袁德奎.半圓型防波堤水動力學(xué)特性數(shù)值模擬的理論、方法和應(yīng)用［D］.天津:天津大學(xué)，2004.(YUAN De-kui.Studying on hydrodynamic characteristics of semi-circular breakwaters with numerical model［D］.Tianjin:Tianjin University，2004.(in Chinese))

［19］劉長根，陶建華.用時變雷諾方程模型模擬孤立波與半圓型防波堤的相互作用［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2004，25(10):1023-1032.(LIU Chang-gen，TAO Jian-hua.Modeling the interaction of solitary waves and semi-circular breakwaters by using unsteady Reynolds equations［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2004，25(10):1023-1032.(in Chinese))

［20］吳 進(jìn)，謝善文.弧面格型結(jié)構(gòu)防波堤［J］.港工技術(shù)，2006(3):26-28.(WU Jin，XIE Shan-wen.Curve face celluar structure breakwater［J］.Port Engineering Technology，2006(3):26-28.(in Chinese))

［21］俞聿修.隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2000.(YU Yu-xiu.Random Wave and Its Applications for Engineering［M］.Dalian:Dalian University of Techology Press，2000.(in Chinese))