波浪作用下的新型消浪板结构

陈大明，雷振国，孙洋波，翁友法

（1.上海港湾工程质量检测有限公司，上海 200032；2.上海建惠建设咨询有限公司，上海 200002）

作为防波堤、护岸工程的一个重要组成部分，护面块体的设计、选择等是防波堤、护岸工程设计的重要环节，护面块体的水力性能将直接关系到防波堤、护岸等结构物的安全、堤身断面大小、堤顶高低等。因此，研究稳定性好、反射小、爬高低、经济且易施工的护面块体是一个重要的技术课题[1-2]。目前，用于斜坡式防波堤的护面消浪块体已有100余种[3]。然而，前人研究的多种护面块体的形式已逐渐不能适应某些复杂的地质及气候环境[4]。而新型消浪板结构正是在这种情况下进行的研究，提出新的结构体系来解决斜坡式防波堤表面的消能和受力问题，该结构主要包括上层开孔板和下层实心板两部分，通过波浪与开孔以及双层板之间的相互作用来消能，根据之前的分析研究，该消浪板结构具有较好的消能效果[5]，因此本文主要研究在波浪作用下结构的水动力特性。

1 试验方法

本次模型试验在江苏科技大学船舶与海洋工程试验室的波浪水槽中进行。点压强和波高的量测均采用水利部北京水利水电研究院的DJ800型多功能监测系统及其配套的传感器、浪高仪。其中点压强传感器的量程为10 kPa。试验遵循《波浪模型试验规程》[6]的相关规定进行。

进行波浪模拟试验时，在模型断面的中心轴线处放置浪高仪，调整水槽中的水位至所设定的值后进行造波试验，测定原始波高。由计算机完成选定分析和采样工作。规则波试验的实测波高、周期和目标平均波高、周期的偏差控制在士5%以内。

根据《波浪模型试验规程》[8]，在试验中规则波采样每秒30次，采集20 s。

每组试验重复3次，取其平均值作为最终试验结果。

在每组模型试验中，需要进行以下三方面的实测：入射波高与反射波高、波浪爬高与回落深度以及堤身点压强。其中入射波高与反射波高是在造波机和堤前设定的距离各摆放一台浪高仪。波浪爬高与回落深度的测量是在开孔板两端设置标尺，试验过程进行录像，然后通过计算机分析出读数。堤身的点压强是在堤身的设定部位开孔，将点压强传感器置于其中测得。

测点压强的模型共安装8个点压强传感器（每种试验模型的点压强的测试个数、位置相同）。传感器的位置如图1～4所示。在上层板上，安放4个点压强传感器（1～4号）；在底层板上安放了4个点压强传感器（5～8号），这4个传感器的位置正好与上层板的开孔位置对应，以便测得底板受到的波浪力。

图1 开孔直径为5 cm的模型传感器布置图（单位：cm）

图2 开孔直径为10 cm的模型传感器布置图（单位：cm）

图3 开孔为椭圆孔的模型传感器布置图（单位：cm）

图4 底板传感器布置图（单位：cm）

2 试验模型及布置

模型试验几何比尺λl取为1∶10，模型采用有机玻璃制成，宽度为80 cm（略小于水槽宽度），纵向长90 cm，板厚度为3 cm，两层板间距取10 cm，坡度为1∶1.5，试验水深为33 cm，开孔板开孔分别取5 cm和10 cm的圆孔以及椭圆孔。椭圆开孔形式结构模型立体图如图5所示。

图5 模型立体图

为了尽量减小波浪反射对试验的影响，除堤后设有消波装置（消能网）外，试验时将模型放置在水槽中后部，距离造波板足够远的地方，保证模型处不会受二次反射波浪的影响。距离造波机10 m处放置1号浪高仪，距离堤前2 m处放置2号浪高仪，模型在水槽中的布置如图6。

图6 试验水槽及模型布置图

3 点压强

各个点压强测点的具体位置（如图1～4所示）。本次对点压强进行测量时，无论是不同开孔形式还是不同波要素情况下，其测点的相对位置不变。本文以规则波为例，对消浪板结构的点压强进行分析比较。

消浪板结构在规则波作用下的点压强值如表1，图7列出了部分测点上的点压强过程线。从以上图表中可以看出，规则波作用时各种条件下结构上的点压强有以下的特点。

表1 规则波作用下各种结构形式点压强的比较 kPa

续表1 kPa

续表1 kPa

1）无论哪种开孔形式，上层板各测点上的压强最大值出现在静水面附近的测点（为3号测点）。向下随着入水深度的增加，点压强有规律地减小；静水面以上的点压强也随着离静水面的距离增加而减小。

2）压强具有尖陡的峰值和短暂的作用时间，体现了近破波的性质。除个别情况，压强时间过程线相对平稳，不同时刻采集的压强最大值相差不是很大，有些情况下甚至很接近。

图7 消浪板结构上部分测点点压强时间过程线（椭圆形开孔结构，波高H=0.15 m，周期T=1.00 s）

3）上层板上的1号测点，在一些小波（波高较小的波浪）作用下未能作用到该测点，并且还有少量大波（波高较大的波浪）在周期较大时也未能作用到该测点。而对于相同波高和周期情况下，相对开孔较小时，上层板上的1号测点有点压强存在，这说明相对开孔较小时波浪爬高较大，能作用到该测点，从而可得出相对开孔较小时结构的消能效果相对较差。

4）在相同波高和周期情况下，相对开孔较小时板上的点压强值要比相对开孔较大时板上的点压强值大，尤其是1号和2号测点，不同开孔状态下，点压强相差较大。测试结果证明，椭圆形开孔的消浪板结构不仅具有较好的消能效果，而且其上层板表面受到的波压力也较小。

5）对于底板，与上层板开孔相对应的位置上布置了5号、6号、7号和8号测点，从上层板开孔射入箱室的水体直接作用于与开孔相对应的底板测点上，加上进入箱室的波能扩散受阻，从而导致底板测点压强较大。从表1中可以看出，底层板上的点压强值一般都比与之相对应的上层板上的点压强值大。

此外，对于相同波高和周期情况下，不同开孔形式的消浪板结构的底层板上的点压强值相差较大，以椭圆形开孔结构底层板上的点压强值最大（7号和8号测点），而且其点压强作用范围也最大，这就导致底层板受到的压力相对较大。

根据研究，相对开孔是影响消浪板结构消能效果的最主要因素，消能系数随相对开孔的增大而明显增大，即相对开孔越大，结构的消能效果越好[7]；然而，从波浪作用下结构承载能力角度看，应该尽量减小底层板上受到的波压力，这就限制了对结构开孔的设计，并非相对开孔尺寸越大越好，因此综合考虑消能和受力两方面因素，确定采用椭圆孔结构形式，既有好的消能效果，也能够满足结构的受力要求。

4 压强包络图

将各个测点的压强峰值取平均值后，绘制出不同波要素情况下的压强包络图。部分压强包络图如图8所示。表2列出了不同波要素以及不同开孔条件下，1～4号测点的点压强值。从包络图可以看出，无论何种波要素情况下，点压强的最大值都出现在静水面附近，随着水深的增加，其压强值随之减小，静水面以上的点压强也随着离静水面的距离增加而减小。但是就静水面附近的点压强值而言，不同开孔形式的结构，在波要素一致的情况下，其点压强值相差不大，比较接近。随着波高的增大，静水面附近的点压强值明显变大。

图8 椭圆开孔结构上层板点压强包络图（单位：kPa）

表2 规则波作用下椭圆开孔结构各测点的点压强值kPa

5 总力

本文所讨论的总力是指在不同波要素下，消浪板结构上层板受到的总力大小，由点压强积分所得（根据压强包络图），其最大值和平均值如表3所示。虽然通过这种方式得到的总力和结构所受的实际总力存在一定的误差，但是用来表示不同开孔形式的结构在不同波要素条件下所受总力的不同，具有相对的合理性。

综合考虑消能和受力两方面原因，最终确定开孔采用椭圆孔结构形式[5]。因此，表3中列出的是椭圆形开孔结构在不同波要素条件下所受的总力。

表3 规则波作用下结构受到的总力

由表3可知，结构上受到的总力值的大小随着波高的增加而增大，同时，在波高相同时，总力值的大小还受波长、相对板宽和波陡等因素的影响。在相同波要素情况下，除个别情况（总压力值的最大值和平均值相差达35.85%），总压力值的最大值和平均值相差不是很大，最大可达到18.31%，而最小仅有4.88%。最大值和平均值相差不大，这说明在波浪冲击消浪板结构时，虽然由于波浪的破碎而造成冲击，但不会经常出现过大的瞬时压力，这样对于结构设计和承载力的计算提供了很多方便。

需要说明的是这里分析的总力，是指开孔消浪板结构上层板受到的波压力，而不包括波浪通过开孔进入结构内部后到达底层板，同时引起的能量集中，产生较大的瞬时压强。这是因为所研究的在波浪冲击作用下，结构的承载能力是否满足要求，主要是针对上层板而言。双层开孔消浪板结构是一个整体，上层板受到的波压力的总和远大于底层板，因此需要计算结构的上层板在最大波压力作用下承载力是否满足，而对于稳定性的计算，则需要整体结构都能够满足稳定性的要求。

6 结语

本文重点对消浪板结构在不同波要素条件下的点压强和总力的大小以及分布规律进行了研究，并且将不同开孔形式下结构的点压强和总力进行比较，得出以下规律：

1）在点压强方面，由于波浪的波要素和结构形式的不同，导致了各个测点点压强值和分布规律有所不同。但是无论哪种开孔形式以及波要素下，上层板各测点上的压强最大值出现在静水面附近的测点（为3号测点）。向下随着入水深度的增加，点压强也有规律地减小；静水面以上的点压强也随着离静水面的距离增加而减小。

2）由于波浪通过上层板的开孔进入到消浪板结构的箱室内之后，在与上层板开孔位置相对应的底板上产生了较大的压强峰值。对于相同波高和周期情况下，以椭圆形开孔结构底层板上的点压强值最大，而且其点压强作用范围也最大，这就导致底层板受到的压力相对很大。这样，在考虑增大结构开孔率以便提高结构消能效果的同时也要考虑底层板的受力，在保证具有好的消能效果的同时，也要兼顾结构的受力要求。本文综合考虑消能和受力两方面因素，认为开孔采用椭圆孔结构形式较好。

3）通过对各个测点的点压强进行同步积分得到结构上层板受到的总力。经过分析研究，结构上受到的总力值的大小受到波高、波周期、波陡、相对板宽、开孔率、上层板与底板间距离等要素的影响。作为一种新型消浪结构，用于工程实践应需进行进一步试验研究。

[1]交通部第一航务工程局勘察设计院.防波堤设计手册[M].北京：人民交通出版社，1982.

[2]俞聿修.防波堤技术的新进展[J].中国港湾建设，1999（1）：49-52.

[3]俞聿修.斜坡式和直墙式防波堤技术的新进展 [J].港工技术，2000（4）：1-4.

[4]徐光，谢善文，李元音.防波堤的新结构型式[J].水运工程，2001（11）：20-25.

[5]汪宏，陈大明，周礼军，沈丽玉.双层开孔消浪板结构消能性能分析[J].江苏科技大学学报，2009（6）：479-483.

[6]JTJ/T 234-2001，波浪模型试验规程[S].