波浪与双层水平板防波堤相互作用试验研究

于博，刘娇，李靖波

（1.大连中交理工交通技术研究院有限公司，辽宁 大连 116023；2.大连港口设计研究院有限公司，

辽宁 大连 116001；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

波浪与双层水平板防波堤相互作用试验研究

于博1，刘娇2，李靖波3

（1.大连中交理工交通技术研究院有限公司，辽宁 大连 116023；2.大连港口设计研究院有限公司，

辽宁 大连 116001；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

采用物理模型试验的方法，研究波浪与双层水平板防波堤相互作用。研究结果表明：波浪与双层水平板防波堤作用后，双层水平板起到了消波（反射和损耗部分波浪能量）和改变波频的双重作用。潜式堤和出水堤堤后的波面含有2阶及以上谐波成分，特别是当相对板宽小于0.5时，高阶谐波成分占有能量比例较大，一定条件下可达到1阶谐波占有能量比例相当的程度。因此采用谐波能量叠加法定义的透射系数更具合理性。透射系数受诸多参数的耦合影响，并非双层水平板越宽，对单色波浪的消浪效果越好，在0～1倍相对板宽范围内，透射系数随相对板宽的变化呈波动形式；在相对潜深d/D=-0.25～+0.17试验范围内，相对潜深对透射系数的影响并不十分显著。

双层水平板防波堤；透射系数；模型试验；消浪效果

0 引言

水平板防波堤是利用波能分布主要集中在水体表层的特性而提出的一种特殊结构形式的防波堤。与传统形式的防波堤相比，水平板防波堤具有环保，造价低廉，便于施工等优点[1-2]。

在过去几十年中，国内外很多学者应用物理模型试验的方法对双层水平板防波堤做了大量的研究工作。1992年，Patarapanich和Cheong[3]用试验方法对双层水平板防波堤的反射系数和透射系数进行了研究。2006年，Neelaman和Gayathri[4]用试验方法对上层板位于自由水面处的双层水平板防波堤的透射系数和反射系数、水平板上波浪压力进行了研究。

对消浪能力的评价，现多采用透射系数评价透浪式防波堤的消浪能力，透射系数最基本的表达为透过波高和入射波高的比值[5]。但透过双层水平板的波浪常表现为波高和频率的双重变化，应考虑该变化并对消浪能力做更精确的评价，本文试验目的即是通过分析透射系数来对消浪能力做精确的评价。

1 试验介绍

1.1 试验组次

对双层水平板防波堤的透射系数而言，影响因子主要包括入射波高H、周期T、水深D（由弥散关系可得到波长L）、宽度B、潜深（可以上层板潜深d描述）、板间距S等。在不考虑板厚度情况下，通过量纲分析[3]，可以得到以下独立无量纲化的影响变量：

相对板宽B/L；相对板间距S/D；相对波高H/D；相对潜深d/D；波陡H/L。进而双层水平板防波堤的透射系数Kt可表示为：

Kt=f1（B/L，H/D，H/L，S/D，d/D） （1）

试验时，水平板模型高0.4 m，板宽B=1.0 m，上下板间距S=0.1m固定。

采用5组水深（0.48m、0.44m、0.4m、0.36m、0.32 m）、4组周期（1.0 s、1.2 s、1.4 s、1.8 s）、4组波高（6 cm、8 cm、10 cm、12 cm）进行规则波试验。当水深为0.48m和0.44m时，上层板和下层板都在静水面之下，相对潜深d/D＞0，此时为潜式堤；当水深为0.4m、0.36m和0.32m时，上层板在静水面之上，相对潜深d/D≤0，此时为出水堤。

1.2 试验设备和量测仪器

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的浑水水槽（长56m，宽0.7m，深1.0m，最大工作水深0.7m）中进行。水槽首端安装有液压伺服式造波机。为了减少水槽尾端的波浪反射，水槽尾端设有消能装置用来吸收波浪能量。试验量测仪器包括浪高仪和多点压力测量仪两种。

1.3 水平板模型及其布置

水平板模型见图1。试验模型在水槽中的布置见图2。

图1 双层水平板模型照片Fig.1 Themodelof thehorizontal twin-platebreakwater

图2 模型试验布置示意图Fig.2 Layoutof the physicalmodel test

在进行水平板透过波浪测试时，将浪高仪布置在模型后4 m（1.14～2.88倍入射波波长），处在透过波浪稳定区。

2 试验结果讨论及透射系数定义

2.1 透过波面时域基本特征

图3给出了潜式堤（B/L=0.40，H/D=0.17，S/D=0.21，d/D=0.17，堤后1.58倍波长处）和出水堤（B/L=0.44，H/D=0.22，S/D= 0.28，d/D=-0.11，堤后1.74倍波长处）的堤后波面历时曲线示例。横坐标为使用入射波周期无量纲化的入射时间，纵坐标为使用入射波波高无量纲化的波高。

图3 堤后波面历时曲线Fig.3 Thewave surface duration curveat thebreakwater leeside

图3中可见，无论是潜式堤还是出水堤，入射的规则波浪与双层水平板防波堤作用后，堤后的波面均呈现出不规则性，波面历时曲线出现明显的双峰甚至多峰，换言之出现多种频率成份。

透过波面时域基本特征可以看出，波浪经过双层水平板防波堤向前传播过程中，双层水平板起到了消波（反射和消除部分波浪能量）和改变波频的双重作用。

显然，采用传统的上跨零点或下跨零点方法计算堤后平均波高，当波面小峰跨零点时，将导致按照上跨零点或下跨零点定义的波浪个数显著加大，进而导致堤后平均波高显著降低。因此直接采用堤后平均波高与入射平均波高的比值定义透射系数，将不能准确反映水平板防波堤的真实消浪效果。

2.2 透过波面频域基本特征

基于实测堤后波面时间过程，采用傅里叶变换方法，得到堤后波面振幅谱。图4分别给出了不同工况下潜式堤和出水堤堤后波面振幅谱的试验结果示例。图中横坐标为无量纲的频率f/fT，其中fT为入射波的频率（在此称为1阶频率）；纵坐标为无量纲化的振幅谱值。从图中可以看出，无论是潜式堤还是出水堤，相对板宽较大（B/L> 0.5）时，波面以1阶频率为主，2、3阶频率较小。相对板宽较小（B/L＜0.5）时，2阶频率开始增大，不能忽略。

图4 堤后波面振幅谱Fig.4 Am p litudespectra ofwave surface at the breakwater leeside

上述结果表明，无论潜式堤还是出水堤，在试验范围内（相对潜深d/D=-0.25～+0.17），相对板宽不足0.5（板宽小于1/2波长）时，堤后透过波浪的高阶谐波能量均占有很高的比例，有时2阶频谐波能量可达1阶谐波能量同一水平。上述条件下，直接采用堤后平均波高与入射平均波高的比值定义透射系数，将不能准确反映水平板防波堤的真实消浪效果。

2.3 透射系数定义

为准确计算透射系数，采用基于傅里叶变换的谐波分析方法，得到各阶谐波分量的幅值。定义1阶、2阶、3阶…n阶透射系数Ktn：

Ktn=Hn/H （2）式中：Hn为第n阶谐波分量对应的波高。进而，防波堤的透射系数Kt由下式给出：

2.4 透射系数与主要影响因素的关系及分析

2.4.1 相对板宽B/L和相对波高H/D对透射系数的影响

考虑到透过波浪的时、频特性，在此，对采用式（3）定义的透射系数进行讨论。

1）潜式堤的试验结果

图5给出了不同的相对波高H/D下，潜式堤的透射系数随相对板宽B/L的变化试验结果。由图5可以看出，当相对板宽B/L的变化范围为0.29～0.66时，透射系数基本都能保持在0.5以下，当相对板宽B/L=0.4时，透射系数达到极小值。

图5 潜式堤透射系数随相对板宽B/L的变化Fig.5 Effectof the relative platew idth B/L on the transm ission coefficientof the submerged breakwater

固定B/L，在多数情况下，透射系数随相对波高H/D的增大而减小，表明潜式堤对相对大波的消浪效果更好。

2）出水堤的试验结果

图6系列给出了3组不同的相对潜深情况下，出水堤的透射系数随相对板宽B/L的变化试验结果。由图6（a）可以看出，当相对潜深d/D=0、相对板宽B/L的变化范围为0.31～0.68时，透射系数随相对板宽的增大而减小；由图6（b）可以看出，当相对潜深d/D=-0.11、相对板宽B/L的变化范围为0.32～0.70时，透射系数随相对板宽的增大而增大；由图6（c）可以看出，当相对潜深d/D= -0.25、相对板宽B/L的变化范围为0.34～0.72时，透射系数在相对板宽=0.4～0.6区间内获得较小值。上述3组出水堤，在相应的试验范围内透射系数均随相对波高H/D的增大而减小。

图6 出水堤透射系数随相对板宽B/L的变化Fig.6 Effectof the relative platew idth B/L on the transm ission coefficientof theemerged breakwater

2.4.2 相对潜深d/D对透射系数的影响

图7系列给出了不同S/H（板间距与波高之比）条件下，透射系数随相对潜深d/D的变化试验结果。从图中可以看出，板间距与波高之比在1～1.67条件下，相对潜深d/D在-0.25～+0.17范围内变化时，相对潜深d/D对透射系数无明显的规律性影响，透射系数随相对潜深d/D呈波动性变化，波动幅度在0.2左右。

图7 透射系数随相对潜深d/D的变化Fig.7 Effectof relative submergence d/D on transm ission coefficient

2.4.3 透射系数随影响参数变化趋势分析

本次试验的相对板宽范围内（0.29～0.72），对潜堤而言，透射系数呈现先减后增的趋势，其中呈现的单谷值对应的相对板宽随相对潜深的变化而略有不同；对出水堤而言，出水高度较大（d/D= -0.25）时，更接近淹没的单层板，得到的透射系数随相对板宽的变化趋势呈现先减后增（单谷值）趋势；出水高度较小（d/D=-0.11）时，试验得到的透射系数随相对板宽的增大而增大，这可能是长波在通过该试验条件下的水平板时能量损耗及流场结构的变化与短波的有所差异造成的，对此应进行更深入的研究。对于相对潜深d/D=0的出水堤，图8给出了本试验结果与Neelaman和Gayathri[4]试验结果的比较，可以看出，尽管试验条件略有差异，但得到的透射系数随相对板宽的变化趋势和量值均基本一致。

本试验得到的透射系数随相对潜深的变化呈现似乎无规律的波动现象，表明双层水平板防波堤的消浪性能不完全取决于相对潜深单一参数，而是多参数共同影响的结果。在试验范围内的相对潜深条件下（d/D=-0.25～+0.17）透射系数波动范围约0.2，表明该试验范围内相对潜深对透射系数的影响并不十分显著。

图8 试验结果与Neelaman和Gayathri试验结果的比较（d/D=0）Fig.8 Com parison of the transm ission coefficientbetween the present resu ltsand the resultsof Neelaman and Gayathri（d/D=0）

3 结语

规则波浪与双层水平板防波堤作用后，双层水平板起到了消波（反射和损耗部分波浪能量）和改变波频的双重作用。潜式堤和出水堤堤后的波面将含有2阶及以上谐波成分，特别是当相对板宽小于0.5时，高阶谐波成分占有能量比例较大，一定条件下可达到1阶谐波占有能量比例相当的程度。因此采用谐波能量叠加法定义的透射系数（式（3））更具合理性。透射系数受诸多参数的耦合影响，通过模型试验方法给定透射系数与某单一因素变化的规律是困难的。试验范围内结果显示，并非双层水平板越宽，对单色波浪的消浪效果越好，在0～1倍相对板宽范围内，透射系数随相对板宽的变化呈波动形式；在试验范围内的相对潜深条件下（d/D=-0.25～+0.17）透射系数波动范围约0.2，表明该试验范围内相对潜深对透射系数的影响并不十分显著。

[1] 俞聿修.斜坡式防波堤技术的新进展[J].港工技术,1995（3）：13-18. YU Yu-xiu.New progressof rubblemound breakwater technology [J].PortEngineering Technology,1995(3):13-18.

[2]俞聿修.防波堤技术的新进展[J].中国港湾建设,1999（1）：49-52. YU Yu-xiu.A new progress in breakwater technology[J].China HarbourEngineering,1999(1):49-52.

[3]PATARAPANICH M,CHEONG H F.Reflection and transmission of random waves by a horizontal double-p late breakwater[J]. Coastal Engineering,1992，18(1/2):63-82.

[4]NEELAMANIS,GAYATHRIT.Wave interaction with twin plate wavebarrier[J].Ocean Engineering,2006,33(3/4):495-516.

[5]吴宋仁,陈永宽.港口及航道工程模型试验[M].北京:人民交通出版社,1993. WU Song-ren,CHEN Yong-kuan.Model testsof portand waterwayengineering[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,1993.

Experimental study on waves interacting with horizontal twin-p late breakwater

YUBo1,LIU Jiao2,LIJing-bo3
（1.CCCC&DIUT Institute of Communication Technology Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116023,China; 2.Dalian PortDesign&Research Institute Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning116001,China; 3.State Key Laboratory of Coastaland Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024;China）

The interaction between waves and horizontal twin-p late breakwater was studied by themethod of physicalmodel test.The results show thatwhen the wave interactswith the horizontal twin-plate breakwater,the breakwater can absorb wave energy (reflect and dissipate part of the wave energy)and change wave frequency.Wave surfaces behind the submerged and emerged breakwaters contain the second and high order harmonics.Especiallywhen the relative platewidth is less than 0.5,the high order harmonics occupies a high proportion ofwave energy,which can reach to the same proportion ofwave energy as the firstorder harmonics under certain conditions.Therefore,it ismore reasonable to adopt the transmission coefficient defined by the harmonic energy superpositionmethod.The transmission coefficient of the horizontal twin-plate breakwater is influenced by many coupling parameters.For themonochromatic wave,the breakwatermay notwork betterwith wider twin plates.The transm ission coefficient showsa fluctuated type with relative plate width ranging from 0 to 1.However,when the relative depth d/D is in the test range from-0.25 to0.17,the influence of the relative depth on the transmission coefficient isnotsignificant.

horizontal twin-plate breakwater;transm ission coefficient;model test;wave elimination

U656.24；TV139.25

A

2095-7874（2015）05-0015-05

10.7640/zggw js201505005

2015-02-07

2015-04-21

国家自然科学基金（51109032）；交通运输部应用基础研究项目（2013329225240）

于博（1981— ），男，辽宁鞍山市人，博士，工程师，主要从事低频波浪生成机制研究和港口工程设计。E-mail：yubo15@mail.dlut.edu.cn