黃健鈞，于 倩，陳國(guó)平，嚴(yán)士常

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

防波堤的主要作用是阻擋海外波浪的傳播以減小港內(nèi)波高，讓港內(nèi)船舶達(dá)到泊穩(wěn)要求進(jìn)行裝卸作業(yè)。隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，實(shí)心式防波堤的使用受到了限制。透空式防波堤由于較小的結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)具有節(jié)省材料又利于港內(nèi)外水沙在下部空間的自由交換，可以有效防止港內(nèi)淤積的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)成為更多港口工程的首選。較為常見的透空堤形式包括：排樁式透空堤、樁基擋板式透空堤、多層擋板式透空堤和梳式透空堤等[1]。隨著近些年防波堤施工技術(shù)的進(jìn)步和波浪理論的愈發(fā)成熟，透空堤具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

透浪系數(shù)是防波堤最為關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)，其物理含義系堤后透射波高與堤前入射波高之比，反映了防波堤的消浪能力。關(guān)于實(shí)心堤、潛堤等結(jié)構(gòu)形式的透浪系數(shù)，前人已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究[2-6]。而在透空堤方面，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者主要用理論推導(dǎo)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬三種手段進(jìn)行分析研究。對(duì)于排樁式透空堤，1961年Wiegel首次分析了波浪與小間距樁基透空堤的相互作用，認(rèn)為波浪的透射系數(shù)僅與樁間距有關(guān)，并提出了相關(guān)計(jì)算式[7]。在Wiegel的基礎(chǔ)上，1969年Hartmalm和1976年Massel分別考慮了入射波浪的能量和入射波浪的散射，給出了另外兩個(gè)理論解[8-9]。但是上述的理論推導(dǎo)都假定波浪的透射系數(shù)僅與樁間距有關(guān)，為了綜合考慮樁間距和波要素等對(duì)透射系數(shù)的影響，一系列學(xué)者進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。1966年Hayashi進(jìn)行了二維水槽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)波浪的透射系數(shù)與樁間距有明顯的關(guān)系，受堤前水深的影響較小[10]。同年Nagai通過物理試驗(yàn)，提出了樁頂高程對(duì)樁式防波堤的消浪性能有顯著的影響，樁頂?shù)脑嚼藭?huì)明顯增大透空堤的透射系數(shù)[11]?；趩闻艠锻缚盏痰难芯?，1988年Herbihc和Douglas進(jìn)一步研究了雙排樁透空堤的消浪特性，得出透浪系數(shù)隨波高增大而減小，隨周期增大而增大的結(jié)論[12]。2006年Huang通過一排和雙排小間距矩型樁結(jié)構(gòu)的波浪試驗(yàn)，同樣得出了透浪系數(shù)隨波高增大而減小的規(guī)律特性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了前后排樁的間距對(duì)透浪系數(shù)影響不大[13]。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，更大尺寸的樁結(jié)構(gòu)也得到使用，2015年劉晨通過物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了大直徑圓筒結(jié)構(gòu)的透浪系數(shù)主要受到樁間距、波陡和結(jié)構(gòu)超高的影響，并在Hartmalm公式基礎(chǔ)上擬合出大直徑圓筒透射系數(shù)的計(jì)算公式[14]。

基于前人的分析研究，排樁式透空堤在國(guó)內(nèi)上海[15]和國(guó)外西非[16]等地方也得到了實(shí)際應(yīng)用。然而，目前來(lái)說(shuō)對(duì)于排樁式透空堤的分析研究還不夠透徹，特別是在三維波浪環(huán)境下排樁式透空堤的消浪效應(yīng)。為此，本文基于浙江省某實(shí)際防波堤工程，進(jìn)行了波浪整體物理模型試驗(yàn)，針對(duì)樁間不帶肋板和帶肋板的兩種不同結(jié)構(gòu)形式，研究了排樁式透空堤在不同波向不規(guī)則波作用下的消浪效應(yīng)。

1-a 排樁式透空堤正面示意圖1-b 排樁式透空堤物理模型正面圖圖1 排樁式透空堤正面圖(單位：mm)Fig.1 Front view of pile breakwater

1 物理模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

本模型試驗(yàn)在河海大學(xué)江寧校區(qū)海岸實(shí)驗(yàn)廳的大型波浪港池中進(jìn)行。港池尺寸為60 m×40 m×1.5 m，池中裝有可移動(dòng)式不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)，能夠按照要求模擬規(guī)則波和各種譜型的不規(guī)則波，同時(shí)港池四周裝有消浪設(shè)施以減小波浪的二次反射。

2-a 樁間不帶肋板2-b 樁間帶肋板圖2 兩種不同的排樁結(jié)構(gòu)形式(單位：mm)Fig.2 Two different structure forms of piles

排樁式透空堤的物理模型用有機(jī)玻璃制作，分為防波堤和引橋兩部分。防波堤面板厚3.4 m，樁徑為2 m，樁間距離長(zhǎng)0.30 m，分為樁間不帶肋板和帶肋板兩種不同結(jié)構(gòu)形式，排樁式透空堤以及樁間肋板的具體形式如圖1和圖2所示。模型比尺根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺度，港池的大小以及最大的波高，綜合考慮以上因素后決定采用1∶60的試驗(yàn)比尺。根據(jù)試驗(yàn)要求，堤后沿著堤身方向分4處布置浪高儀，每處布置3根浪高儀(第一根浪高儀距離堤后0.1 m，之后每?jī)筛g隔1 m)用以測(cè)量堤后波高。波高采用DJ-800型多功能數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行采集，每處3根浪高儀處理的數(shù)據(jù)最終取平均值作為該處波高的代表值(即#1-1，#1-2，#1-3三處浪高儀波高數(shù)據(jù)取平均值最終作為該處波高的代表值#1)，模型平面布置及浪高儀的擺放位置如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)根據(jù)要求采用不規(guī)則波進(jìn)行，不規(guī)則波頻譜為JONSWAP譜，譜峰升高因子γ= 3.3，波要素的率定均滿足《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ /T234-2001)的相關(guān)要求[17]。試驗(yàn)波向分為左側(cè)來(lái)浪，前方來(lái)浪和右側(cè)來(lái)浪三個(gè)方向，入射角以波浪正向垂直作用于防波堤為0，則三個(gè)入射方向的波浪入射角分別為58°、10°、55°，如圖3-a所示。影響防波堤透浪系數(shù)的因素很多，在本次試驗(yàn)中，主要考慮相對(duì)入射波高Hs/△h、相對(duì)波長(zhǎng)L/d、相對(duì)堤寬B/L、不同波向和樁間肋板對(duì)排樁式透空堤消浪能力的影響，關(guān)于試驗(yàn)的波浪要素詳見表1。本次試驗(yàn)每個(gè)組次進(jìn)行三次取平均值以避免偶然因素造成的誤差，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。排樁式透空堤的斷面形式及上述各物理參數(shù)的定義如圖4所示。

3-a 物理模型試驗(yàn)布置示意圖 3-b 物理模型試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖圖3 物理模型試驗(yàn)平面布置圖Fig.3 Overall layout of the model test

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Wave design elements

圖4 排樁式透空堤斷面形式及各物理參數(shù)示意圖Fig.4 Sketch of the permeable breakwater section and definitions of the physical parameters

2 透浪系數(shù)影響因素分析

透浪系數(shù)Kt是防波堤最為關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)，其物理含義系堤后透射波高與堤前入射波高之比，反映了防波堤的消浪能力[18]。

2.1 相對(duì)入射波高的影響

圖5是前方來(lái)浪作用下(入射角為10°)樁間不帶肋板透空堤各測(cè)量位置下的Kt隨相對(duì)入射波高Hs/△h變化而變化的情況。由圖所見，透空堤堤后各測(cè)量位置的Kt均隨相對(duì)入射波高的增大先減小后增大。造成這種情況的原因是：(1)當(dāng)相對(duì)入射波高逐漸增大但仍小于1.0時(shí)，更多的水體會(huì)與透空堤的樁體相互作用，從而產(chǎn)生更大的波能損耗，使堤后波能總量減小得更為明顯，波高值更小；(2)當(dāng)相對(duì)入射波高繼續(xù)增大到大于1.0時(shí)，波浪的波峰面高程就會(huì)高于透空堤頂面高程，從而會(huì)產(chǎn)生越浪，一部分水體不通過與透空堤接觸直接越過堤頂面到達(dá)堤后，從而使波能損耗減小，對(duì)波高的消減作用降低。此外，假如入射波高能夠繼續(xù)增大到可以忽略透空堤作用時(shí)，透空堤對(duì)波高的衰減作用就會(huì)不再明顯。

圖5 相對(duì)入射波高Hs/△h對(duì)透浪系數(shù)Kt的影響Fig.5 Influence of relative wave height Hs/△h on the wave transmission Kt

2.2 相對(duì)波長(zhǎng)的影響

圖6是前方來(lái)浪作用下(入射角為10°)樁間不帶肋板透空堤各測(cè)量位置下的Kt隨相對(duì)波長(zhǎng)L/d變化而變化的情況。如圖所示，隨著相對(duì)波長(zhǎng)的增大，各位置的Kt均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)相對(duì)波長(zhǎng)較小時(shí)，Kt增大得更為明顯，當(dāng)相對(duì)波長(zhǎng)較大時(shí)，各位置的Kt均趨于穩(wěn)定。由此可見，當(dāng)相對(duì)波長(zhǎng)越小，波浪與透空堤相互作用后從而產(chǎn)生的水體紊動(dòng)更為劇烈，消浪效果更為明顯。

圖6 相對(duì)波長(zhǎng)L/d對(duì)透浪系數(shù)Kt的影響Fig. 6 Influence of relative wave length L/d on the wave transmission Kt

2.3 相對(duì)堤寬的影響

圖7是前方來(lái)浪作用下(入射角為10°)樁間不帶肋板透空堤各測(cè)量位置下的Kt隨相對(duì)堤寬B/L變化而變化的情況。由圖可見，隨著相對(duì)堤寬逐漸增大，各位置的Kt均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。當(dāng)相對(duì)堤寬較小時(shí)，Kt的減小趨勢(shì)較為明顯，當(dāng)相對(duì)堤寬B/L大于0.35后，相對(duì)堤寬的持續(xù)增大對(duì)Kt的減小作用就不再明顯。這說(shuō)明堤寬的增大能促進(jìn)堤后波能的耗散，但不能通過持續(xù)的增大來(lái)進(jìn)一步消減堤后波高。另一方面也說(shuō)明了長(zhǎng)波對(duì)于堤寬的增大更為敏感，加大堤寬對(duì)于長(zhǎng)波波高的削減作用大于對(duì)于短波波高的削減作用。

圖7 相對(duì)堤寬B/L對(duì)透浪系數(shù)Kt的影響Fig.7 Influence of relative width of breakwater B/L on the wave transmission Kt

2.4 不同波向的影響

本次研究共進(jìn)行了左側(cè)來(lái)浪、前方來(lái)浪和右側(cè)來(lái)浪三個(gè)方向的不規(guī)則波試驗(yàn)，圖8分別是d=14.6 cm和d=11.5 cm的各組次下樁間不帶肋板透空堤不同測(cè)量位置的Kt隨不同波向的變化情況。由圖可見，相比于前方來(lái)浪(入射角為10°)，左側(cè)來(lái)浪和右側(cè)來(lái)浪(入射角為58°和55°)情況下的Kt在各測(cè)量位置均呈現(xiàn)較大的值。造成這種現(xiàn)象的原因是與正向入射相比較，波浪斜向入射一方面會(huì)造成透空堤有效掩護(hù)長(zhǎng)度變短，另一方面會(huì)明顯增大防波堤堤頭的波浪繞射效應(yīng)，使得堤后水體擁有更大的波能，波浪繞射疊加后的堤后波高更大，Kt也隨之增大。

3 樁間肋板對(duì)透浪系數(shù)的影響

本次研究還進(jìn)行了樁間帶肋板的排樁式透空堤透浪系數(shù)試驗(yàn)，表2顯示了不同波向下有無(wú)肋板對(duì)排樁式透空堤透浪系數(shù)的對(duì)比影響。根據(jù)表2所示，帶肋板排樁式透空堤的透浪系數(shù)明顯小于不帶肋板的排樁式透空堤，加上肋板后的透空堤具有更為顯著的消波能力，樁間肋板對(duì)于透浪系數(shù)的衰減率在10%～60%之間。此外，該衰減率在水深較小的情況下達(dá)到較大值，隨著水深的增加，衰減率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于水深增加后，堤頂越浪會(huì)隨之增大，一部分水體不通過排樁間距直接越過堤頂?shù)竭_(dá)堤后，減小了樁間肋板的阻擋作用，導(dǎo)致對(duì)堤后波高的削減效應(yīng)降低。

表2 不同波向下有無(wú)肋板對(duì)排樁式透空堤透浪系數(shù)的影響Tab.2 The influence of ribbed plate on the wave transmission coefficient of pile breakwater under different wave directions

4 堤后波高試驗(yàn)值比較

本次試驗(yàn)測(cè)得了整體波浪物理模型試驗(yàn)下的堤后波高，與此同時(shí)交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所也進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的斷面物理模型試驗(yàn)[19]和整體數(shù)值模擬計(jì)算[20]。不同于整體物理模型試驗(yàn)可以同時(shí)考慮波浪的透射、繞射和越浪效應(yīng)，斷面物理模型試驗(yàn)只能主要反映波浪的透射效應(yīng)以及整體數(shù)值模擬計(jì)算只能主要反映波浪的繞射效應(yīng)。

表3、表4和表5分別是左側(cè)來(lái)浪、前方來(lái)浪和右側(cè)來(lái)浪波向下各測(cè)量位置的堤后波高整體物理模型值、整體數(shù)值模擬值和斷面物理模型值。根據(jù)各表所示，斷面物理模型值、數(shù)值模擬值和整體物理模型值總體上相差不大，但是仍有部分?jǐn)嗝嫖锢砟Ｐ椭岛蛿?shù)值模擬值小于整體物理模型值，因此僅憑單方面的斷面物理模型值或數(shù)值模擬值對(duì)于防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是偏于危險(xiǎn)的，存在一定的安全隱患。

表3 左側(cè)來(lái)浪作用下堤后波高試驗(yàn)值比較Tab.3 The comparison of wave height value in each berth under irregular waves with left direction

表4 前方來(lái)浪作用下堤后波高試驗(yàn)值比較Tab.4 The comparison of wave height value in each berth under irregular waves with front direction

為了更好地評(píng)價(jià)整體數(shù)值模擬值和斷面物理模型值與整體物理模型值之間的誤差，表3、表4和表5給出了整體數(shù)值模擬值和斷面物理模型值與整體物理模型值的誤差百分比，誤差取值如下式所示

表5 右側(cè)來(lái)浪作用下堤后波高試驗(yàn)值比較Tab.5 The comparison of wave height value in each berth under irregular waves with right direction

(1)

式中：R為誤差百分比；H斷面為斷面物理模型波高值；H整體物模為整體物理模型波高值；H整體數(shù)模為整體數(shù)值模擬波高值。

根據(jù)各表所示，由上述公式(1)計(jì)算所得的誤差百分比最大可以達(dá)到40%，其中左側(cè)來(lái)浪和右側(cè)來(lái)浪波向下的誤差平均值分別為18.74%和10.64%，而正向來(lái)浪作用下的誤差平均值僅為4.12%。因此，當(dāng)排樁式防波堤主要受正向來(lái)浪作用時(shí)，整體物理模型值與整體數(shù)值模擬值和斷面物理模型值的誤差較小，在實(shí)驗(yàn)條件受限情況下，可以僅根據(jù)斷面試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然而，當(dāng)排樁式防波堤受斜向來(lái)浪作用較為明顯時(shí)，數(shù)值模型值和斷面物理模型值與整體物理模型值之間存在不可忽視的誤差，此時(shí)應(yīng)該配套進(jìn)行整體物理模型試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

5 結(jié)論

本次試驗(yàn)在不同波向的不規(guī)則波作用下，探討了排樁式透空堤透浪系數(shù)的變化規(guī)律，其主要結(jié)論如下：(1)從入射波要素進(jìn)行分析，樁間不帶肋板透空堤的透浪系數(shù)Kt隨著相對(duì)波高的增大會(huì)呈現(xiàn)出先減后增的現(xiàn)象；而對(duì)于相對(duì)波長(zhǎng)的增大，Kt則表現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)顯著地增加。從透空堤結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，相對(duì)堤寬的加大能引起Kt增加的趨勢(shì)；(2)在不同波向作用下，由于波浪斜向入射時(shí)透空堤的有效掩護(hù)長(zhǎng)度變短以及堤頭的波浪繞射效應(yīng)增大，導(dǎo)致疊加后的堤后波高變大，從而左右側(cè)來(lái)浪的透浪系數(shù)Kt較大于前方來(lái)浪的透浪系數(shù)；(3)與不帶肋板的排樁式透空堤相比，樁間加上肋板后明顯增強(qiáng)了排樁式透空堤的消浪能力，對(duì)于透浪系數(shù)的衰減率在10%～60%之間；(4)當(dāng)排樁式防波堤主要受正向來(lái)浪作用時(shí)，整體物理模型值與整體數(shù)值模擬值和斷面物理模型值的誤差較小，在實(shí)驗(yàn)條件受限情況下，可以僅根據(jù)斷面試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然而，當(dāng)排樁式防波堤受斜向來(lái)浪作用較為明顯時(shí)，數(shù)值模型值和斷面物理模型值與整體物理模型值之間存在不可忽視的誤差，此時(shí)應(yīng)該配套進(jìn)行整體物理模型試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。