呂 行，程永舟, 2，胡有川，黃筱云, 2

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

透空板式防波堤主要由上部消浪結(jié)構(gòu)與下部樁基組成。該類(lèi)防波堤結(jié)構(gòu)在發(fā)揮消浪性能的同時(shí)，可以有效保證防波堤前后的水體交換。不僅如此，該類(lèi)防波堤自重輕、材料省，尤其適用于海床條件較差地區(qū)。因此，透空板式防波堤引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

20世紀(jì)60年代，Wiegel[1]首先提出了一種由多排小間距剛性樁組成的透空式防波堤。Jarlan[2]提出了在豎直板上開(kāi)孔的透空式防波堤，這種結(jié)構(gòu)能夠顯著減小防波堤前的反射。Siew和Hurley[3]研究了潛式水平板防波堤的消浪特性，潛式水平板上波浪變淺破碎，從而達(dá)到消波目的。Patarapanich[4]運(yùn)用物理試驗(yàn)分析了單層潛式水平板防波堤的消浪特性，當(dāng)防波堤頂面高度設(shè)置在0.05～0.15倍水深，寬度為波長(zhǎng)的0.5～0.7倍時(shí)，防波堤透射系數(shù)最小。邱大洪和王學(xué)庚[5]在國(guó)內(nèi)較早提出板式防波堤的概念，并對(duì)單層板防波堤的消浪特性進(jìn)行了研究。這些早期研究表明，在防波堤上設(shè)置孔洞、平板形成消浪結(jié)構(gòu)是比較可行的設(shè)計(jì)方案。

Patarapanich[4]運(yùn)用勢(shì)流理論計(jì)算波浪繞射在實(shí)體薄板上的波浪力，潛式水平板防波堤所受波浪荷載，隨淹沒(méi)深度和相對(duì)水深的增加而降低。Isaacson等[6-7]在進(jìn)行防波堤改造工程中，在開(kāi)孔式防波堤消浪室中充填塊石，有效減小堤潛所受波浪力。Yip和Chwang[8]改進(jìn)開(kāi)孔式防波堤，在消浪室內(nèi)設(shè)置平板，提高了防波堤的整體穩(wěn)定性。嚴(yán)以新等[9]、王國(guó)玉等[10]、唐琰林[11]對(duì)設(shè)有雙層、多層平板的透空式防波堤消浪特性進(jìn)行研究，分析了透空板式防波堤結(jié)構(gòu)的受力特性。Rey和Touboul[12]基于Patarapanich[4]的工作，對(duì)水流作用下潛式水平板防波堤的水動(dòng)力荷載進(jìn)行了研究，進(jìn)一步確定了復(fù)雜波流荷載下該型防波堤的受力特性。劉勇和李玉成[13]提出在傳統(tǒng)開(kāi)孔防波堤前開(kāi)孔板與后實(shí)體板間設(shè)置不同改良結(jié)構(gòu)的方案，基于線(xiàn)性勢(shì)流理論，對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了比較研究。Cho等[14-15]運(yùn)用黏性達(dá)西流滲透理論評(píng)價(jià)了水平開(kāi)孔板式防波堤的消浪效果。Liu和Li[16]采用規(guī)則波與不規(guī)則波入射潛式雙層開(kāi)孔板防波堤，建議上層板開(kāi)孔率小于下層板開(kāi)孔率，以獲得良好的消浪效果。這些學(xué)者的研究成果表明，板式防波堤的消浪結(jié)構(gòu)正在不斷進(jìn)行優(yōu)化，板式防波堤消浪室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這些優(yōu)化的核心。

開(kāi)孔透空、雙層多層的消浪結(jié)構(gòu)使得波浪-結(jié)構(gòu)相互作用變得十分復(fù)雜。王晶等[17]提出了一種雙層開(kāi)孔板防波堤結(jié)構(gòu)，其物理試驗(yàn)結(jié)果表明，該型結(jié)構(gòu)對(duì)短波具有良好的消波效果，然而后部設(shè)置的實(shí)體板對(duì)水平荷載不利。汪林等[18]為了研究T型透空式防波堤的水動(dòng)力特性，采用匹配特征函數(shù)展開(kāi)法求解流場(chǎng)，并進(jìn)一步得出波浪荷載及反、透射系數(shù)。這些工作，為分析透空板類(lèi)防波堤的波浪荷載與受力特性，提供了理論指導(dǎo)與借鑒。李昌良和藍(lán)曉俊[19]通過(guò)改進(jìn)已有的防波堤模型，建立了一種新型水平斜板透空式防波堤模型，經(jīng)數(shù)值模擬研究了該新型水平斜板防波堤結(jié)構(gòu)對(duì)波浪透射系數(shù)的影響。隨著計(jì)算能力的提升，數(shù)值模擬方法適用于分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性，這為精確求解該類(lèi)防波堤結(jié)構(gòu)受力提供了方向。

本文采用水槽物理模型試驗(yàn)，針對(duì)新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤在波浪荷載下的受力特性進(jìn)行了研究。物模試驗(yàn)測(cè)量了新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤結(jié)構(gòu)的總力特征，分析了相對(duì)波高、相對(duì)波長(zhǎng)對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)總力的影響。

1 新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤

在波浪傳播過(guò)程中，大量的能量由水體自由面上的水質(zhì)點(diǎn)攜帶，當(dāng)自由表面水質(zhì)點(diǎn)能量不足以維持波浪表面時(shí)，液面形狀改變發(fā)生破碎與耗散。結(jié)合大量前人的研究工作，作者提出了開(kāi)孔工字板組合式防波堤結(jié)構(gòu)[20]，如圖1所示。

圖1 新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤模型結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Sketch of the porous I-type plate composition breakwater

該型防波堤結(jié)構(gòu)結(jié)合了水平板與豎直板式防波堤的優(yōu)點(diǎn)。工字預(yù)制板按照一定間隙進(jìn)行排列組合，通過(guò)擋板與孔隙的綜合作用進(jìn)行消浪。每?jī)蓚€(gè)工字預(yù)制板組成一個(gè)消浪單元，整個(gè)消浪結(jié)構(gòu)由多個(gè)消浪單元形成多室多層消浪結(jié)構(gòu)。工字預(yù)制板間適當(dāng)?shù)拈g隙布置，不僅減小了防波堤前的波浪反射，而且極大地減小法向波浪上舉力，在降低自重的同時(shí)，有效保證結(jié)構(gòu)安全。通過(guò)這種多層結(jié)構(gòu)，防波堤能夠更高效地應(yīng)對(duì)中長(zhǎng)周期波，有效降低波浪透射與反射，為船舶泊穩(wěn)創(chuàng)造有利條件。

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2.1 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤波浪力試驗(yàn)在波浪水槽內(nèi)進(jìn)行。該水槽全長(zhǎng)40 m、寬0.5 m、高0.8 m。波浪水槽前端安裝有液壓式造波機(jī)。水槽兩端均安裝消浪設(shè)施。波浪采集采用浪高儀，精度0.4%，探測(cè)高度0.1～0.2 m。防波堤結(jié)構(gòu)總力采用6分量應(yīng)變式測(cè)力天平來(lái)測(cè)量，測(cè)力天平各分量測(cè)量范圍為-100～100 N，準(zhǔn)確度可以達(dá)到±0.5N以?xún)?nèi)。采用應(yīng)變儀來(lái)采集總力數(shù)據(jù)。點(diǎn)壓力采用高精度智能數(shù)字壓力傳感器來(lái)完成。其測(cè)量精度為0.1%，量程為-20～20 kPa。

2.1.2 模型參數(shù)與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)參數(shù)按重力相似準(zhǔn)則確定，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制推波板在水槽入口生成穩(wěn)定的規(guī)則波。試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 物理模型試驗(yàn)參數(shù)

2.1.3 模型試驗(yàn)布置

考慮到波浪水槽的尺寸、造波機(jī)工作能力以及試驗(yàn)儀器測(cè)量精確度，在試驗(yàn)前，將試驗(yàn)所用防波堤模型放置在波浪水槽前端造波機(jī)推板約22 m處。防波堤模型布置方式為堤頂齊平水面布置。如圖2所示，試驗(yàn)一共布置6個(gè)浪高儀，每次試驗(yàn)等水面平靜后開(kāi)始造波，當(dāng)波浪平穩(wěn)后開(kāi)始采集，浪高采集頻率為51.2 Hz。試驗(yàn)?zāi)Ｐ退膫€(gè)頂角均布置了測(cè)力天平監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)波浪總力。波浪總力數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.02 s。

圖2 波浪水槽及防波堤模型布置示意Fig. 2 Sketch of experiment layout

試驗(yàn)共安裝了20個(gè)壓力傳感器。1#～4#為上層翼板上表面從防波堤前端至后端的測(cè)點(diǎn)，5#～8#為上層翼板下表面從防波堤前端至后端的測(cè)點(diǎn)，9#～12#為下層翼板上表面從防波堤前端至后端的測(cè)點(diǎn)，13#～16#為下層翼板下表面從防波堤前端至后端的測(cè)點(diǎn)，17#～20#為擋板迎浪面從防波堤前端至后端的測(cè)點(diǎn)。測(cè)量新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤各位置在不同波要素條件下的波壓力分布規(guī)律。

2.2 物理模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 相對(duì)波高對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)點(diǎn)壓力的影響

取試驗(yàn)水深d=0.40 m，入射波波高H=0.08、0.10、0.12及0.14 m，波周期T=1.2 s，分析相對(duì)波高H/d對(duì)各測(cè)點(diǎn)波壓力的影響。如圖3所示，隨著相對(duì)波高H/d的增大(試驗(yàn)水深d保持不變)，即入射波高H的增大，入射波波浪能量增大，波浪對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)的沖擊作用越強(qiáng)烈，防波堤結(jié)構(gòu)表面各測(cè)點(diǎn)波壓力急劇增大。

圖3 點(diǎn)壓力隨著相對(duì)波高H/d的變化情況Fig. 3 Point pressure variation with relative wave height H/d

2.2.2 相對(duì)波長(zhǎng)對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)點(diǎn)壓力的影響

取試驗(yàn)水深d=0.40 m，入射波波高H=0.08 m，入射波周期T=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5及1.6 s，此時(shí)入射波波長(zhǎng)L=1.46、1.70、1.94、2.17、2.39、2.62及2.84 m，如圖4所示。圖中表明各測(cè)點(diǎn)波壓力隨著相對(duì)波長(zhǎng)L/B的增大而增大。這是由于波浪能量與入射波波長(zhǎng)L成正比，入射波波長(zhǎng)越大，波浪與防波堤結(jié)構(gòu)的相互作用越劇烈，波浪對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)的沖擊力就越明顯，防波堤結(jié)構(gòu)表面各測(cè)點(diǎn)的波壓力也就越大。

圖4 點(diǎn)壓力隨相對(duì)波長(zhǎng)L/B的變化情況Fig. 4 Point pressure variation with relative wavelength L/B

2.2.3 相對(duì)波高對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)總力的影響

圖5 相對(duì)波高H/d對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)豎向總力的影響Fig. 5 Influence of relative wave height H/d on vertical total force of breakwater structure

圖6 相對(duì)波高H/d對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)水平總力的影響Fig. 6 Influence of relative wave height H/d on horizonal total force of breakwater structure

2.2.4 相對(duì)波長(zhǎng)對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)總力的影響

圖7和圖8為4種不同相對(duì)波高H/d條件下，防波堤結(jié)構(gòu)無(wú)因次化水平總力和無(wú)因次化豎直總力隨著相對(duì)波長(zhǎng)L/B的變化情況。

圖7 相對(duì)波長(zhǎng)L/B對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)豎向總力的影響Fig. 7 Influence of relative wave height L/Bon vertical total force of breakwater structure

圖8 相對(duì)波長(zhǎng)L/B對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)水平總力的影響Fig. 8 Influence of relative wave height L/B on horizonal total force of breakwater structure

3 結(jié) 語(yǔ)

采用物理模型試驗(yàn)，針對(duì)新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤在波浪荷載下的受力特性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1)新型開(kāi)孔工字板組合式防波堤結(jié)構(gòu)波浪力荷載以垂直方向受力為主。相對(duì)波高H/d對(duì)防波堤總垂向波浪力的影響較大，防波堤受到的無(wú)因次化豎向總力遠(yuǎn)大于無(wú)因次化水平總力，最大可達(dá)到15倍。

2)相對(duì)波長(zhǎng)L/B對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)無(wú)因次化總力的影響較小，隨著相對(duì)波長(zhǎng)L/B的增大呈增大趨勢(shì)，但變化幅度不大。相對(duì)波長(zhǎng)L/B=3.617是防波堤結(jié)構(gòu)水平總力變化幅度的分界點(diǎn)。