明基床上开孔沉箱不规则波水平力试验研究

冯延奇，孙大鹏，吴 浩，行天强，夏志盛，董 浩

（大连理工大学海岸与近海工程国家重点试验室，大连116024）

明基床上开孔沉箱不规则波水平力试验研究

冯延奇，孙大鹏，吴 浩，行天强，夏志盛，董 浩

（大连理工大学海岸与近海工程国家重点试验室，大连116024）

通过不规则波作用下明基床上开孔沉箱的波浪力物模试验，并综合考虑消浪室相对宽度、相对基床高度、波陡、相对水深、开孔率等影响因素，采用多元回归的方法，拟合给出开孔沉箱所受波浪总垂直力极值时刻对应的总水平力的计算关系式。经对比分析，计算值与试验值吻合良好。

明基床；开孔沉箱；不规则波；水平力

开孔沉箱结构最早由Jarlan［1］于20世纪60年代提出，其结构特点使得入射波与反射波在沉箱前形成相位差，从而显著减小结构物的波浪反射系数、波浪力，故近些年在港口与海岸工程中受到了广泛的关注与应用。Tanimoto［2］等利用物理模型试验结合理论分析研究了开孔沉箱的反射特性。Bergmann H［3］等研究了波浪作用下开孔直墙的波浪力特性。张芹、戴冠英［5］等对波浪作用下开孔直立结构的反射、透射性能及波浪对开孔直立结构作用力进行了试验分析。李玉成［4］、陈雪峰［6-7］、姜俊杰等［8］利用物模试验结合理论分析研究了暗基床上开孔沉箱反射系数及波浪力并给出计算关系式。万庆宇［9］、路伟［10］、夏志盛［11］等对中、低基床上开孔沉箱波浪水平力、垂直力进行了试验研究。实际工程中开孔沉箱常常修建于明基床之上，而目前明基床上开孔沉箱所受波浪力的研究成果尚鲜见报道，本文对明基床上的开孔沉箱所受水平波浪力进行研究分析，对实际工程具有一定的应用价值。

1试验概况

本次试验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点试验室进行。试验水槽长50 m，宽0.7 m，深1 m，最大工作水深为0.7 m。开孔沉箱模型由有机玻璃制成，开孔沉箱物理模型及试验布置如图1所示。

图1 物理模型试验布置示意图Fig.1 Sketch of experimental model

点压力仪布置、开孔型式及细部尺寸如图2所示，试验中开孔率μ分别取0.2、0.4；消浪室宽度bc分别取0.15 m、0.20 m、0.30 m；基床高度分别取0 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m，前后肩宽均为0.25 m。在试验过程中，试验水深d保持0.40 m不变。

在试验过程中，试验水深d保持0.40 m不变。图2-a，2-b中实心点表示点压力正方向为迎浪面方向，空心点表示点压力正方向为背浪面方向；图2-c中实心点表示点压力正方向垂直向下，空心点表示点压力正方向垂直向上。不规则波试验波要素如表1所示。

表1 试验条件及试验参数变化范围Tab.1 Experimental conditions and the scope of experimental parameters

图2 开孔沉箱实验模型及点压力安装示意图Fig.2 Sketch of distribution of the pressure transducers

2试验结果分析

试验中，开孔沉箱所受波浪力可分为总水平力与总垂直力。总水平力为沉箱迎浪面、背浪面与消浪室后实体板所受波浪力合力；总垂直力为消浪室中动水压力与沉箱底部所受浮托力的合力。如图3所示，由于开孔沉箱的结构特性，其所受到的总垂直力与总水平力之间存在一定的相位差，即两者不在同一时刻到达峰值或谷值，总垂直力极值时刻对应的总水平力小于总水平力的极值。

图3 不规则波作用下开孔沉箱受力的时间过程线Fig.3 Time series of total force acting on the perforated caisson under the influence of irregular waves

用Ph′表示总垂直力极值时刻对应的总水平力，Ph表示对应的总水平力极值，Ph′/Ph表示总垂直力极值时刻对应的总水平力相对于总水平力极值的折减系数。

根据Li［4］等人的研究分析可知，Ph′/Ph与各影响因素存在如下相关关系

式中：hm为基床高度；d为试验水深；bc为消浪室相对宽度。

2.1总垂直力峰值时刻对应的总水平力分析

采用单因次分析方法逐一考查Ph′/Ph与消浪室相对宽度bc/L1/3、相对基床高度hm/L1/3、相对水深d/L1/3、波陡H1/3/L1/3及开孔率μ之间相关关系。

1）保持bc、hm、d、H1/3、μ不变，只改变消浪室相对宽度bc/L1/3，得到Ph′/Ph与bc/L1/3之间的相关关系。如图4所示，Ph′/Ph与bc/L1/3非线性相关，两者呈二次曲线关系。

图4 消浪室相对宽度与Ph′/Ph之间的相关关系Fig.4 Relation between relative chamber width andPh′/Ph

2）保持bc、d、H1/3、μ不变，只改变相对基床高度hm/L1/3，得到Ph′/Ph与hm/L1/3之间的相关关系。如图5所示，Ph′/Ph与hm/L1/3非线性相关，两者呈二次曲线关系。

图5 相对基床高度与Ph′/Ph之间的相关关系Fig.5 Relation between relative foundation height andPh′/Ph

3）保持bc、hm、d、μ不变，只改变波陡H1/3/L1/3，得到Ph′/Ph与H1/3/L1/3之间的相关关系。如图6所示，Ph′/Ph与H1/3/L1/3之间呈线性关系。

图6 波陡与Ph′/Ph之间的相关关系Fig.6 Relation between wave steepness andPh′/Ph

4）考察Ph′/Ph与d/L1/3之间的相关关系时，选取适当的bc、hm、d、μ保持bc/L1/3、H1/3/L1/3基本不变，只改变相对水深d/L1/3，得到Ph′/Ph与d/L1/3之间的相关关系。如图7所示，Ph′/Ph与d/L1/3非线性相关，两者呈二次曲线关系。

图7 相对水深与Ph′/Ph之间的相关关系Fig.7 Relation between relative depth andPh′/Ph

5）由图8可知，在试验范围内，Ph′/Ph随开孔率的增大而减小，由于本次试验只选取0.2、0.4两种开孔率，所以假设Ph′/Ph与开孔率μ之间呈线性关系。

图8 开孔率与Ph′/Ph之间的相关关系Fig.8 Relation between porosity andPh′/Ph

综上所述，总垂直力峰值时刻对应的总水平力相对于总水平力峰值的折减系数Ph′/Ph与bc/L1/3、hm/L1/3、d/L1/3之间呈非线性关系，与H1/3/L1/3、μ之间呈线性关系。采用最小二乘法拟合试验数据，得到折减系数Ph′/Ph与各影响因素的计算关系公式如下

图9 Ph′计算值与试验值的比较Fig.9 Comparison ofPh′between calculated and measured values

式（1）的相关性系数R=0.930，说明拟合公式的相关性良好。

为验证式（1）的准确性，将不规则波作用下的总水平力峰值的试验值代入式（1），并将所得到的P′h的计算值与其试验值比较。如图9所示，表明计算值与试验值吻合良好。综上，式（1）可供计算明基床上开孔沉箱总垂直力峰值时刻对应的总水平力时参考和应用。

2.2总垂直力谷值时刻对应的总水平力分析

沿用总垂直力峰值时刻对应的总水平力分析方法，得到折减系数Ph′/Ph与各影响因素的计算关系公式如下

式（2）的相关性系数R=0.881，说明拟合公式的相关性良好。

为验证式（2）的准确性，将不规则波作用下的总水平力峰值的试验值代入式（2），并将所得到的Ph′的计算值与其试验值比较，如图10所示，表明试验值与计算值的拟合良好。综上，式（2）可供计算明基床上开孔沉箱总垂直力谷值时刻对应的总水平力时参考和应用。

图10 Ph′计算值与试验值的比较Fig.10 Comparison ofPh′between calculated and measured values

2.3试验计算公式应用范围的讨论

李玉成［4］研究不规则波作用下暗基床开孔沉箱所受总垂直力极值时刻对应的总水平力与总水平力之比，拟合出计算关系公式，并已纳入《防波堤设计与施工规范》［12］，其中，不规则波作用下总垂直力达到峰值时刻对应的总水平力计算公式

不规则波作用下总垂直力达到谷值时刻对应的总水平力计算公式

式中：P′hc1表示总垂直力峰（谷）值时刻对应的总水平力；Phc0表示实体沉箱总水平力的峰（谷）值。

在暗基床的条件下，采用本文公式（1）、（2）和公式（3）、（4）得到的总垂直力峰（谷）值时刻对应的总水平力计算值和试验值的对比如图11所示，可见本文公式得到的计算值较好地吻合试验值，故本文公式能够适用于暗基床的结构型式。

在明基床条件下，同样分析总垂直力峰（谷）值时刻对应的总水平力，本文公式（1）、（2）和公式（3）、（4）的计算值和试验值的对比如图12所示，可见本文公式与规范公式计算值相比，本文公式和试验值吻合得更好一些。

图11、图12的对比分析表明，规范公式在明基床条件下的使用具有局限性，而本文公式可通用于暗基床与明基床的结构型式。

图11 暗基床上总垂直力极值时刻P′h计算值与试验值比较Fig.11 Comparison ofP′hbetween calculated and measured values when total vertical force reach its peak（valley）

3结论

（1）物模试验过程中，综合考虑消浪室相对宽度、相对基床高度、相对水深、波陡、开孔率等诸多影响因素，分析给出不规则波作用下明基床上开孔沉箱所受总垂直力峰（谷）值时刻对应的总水平力与总水平力峰（谷）值比值的计算关系式，且计算值与试验值吻合良好。

（2）现行《防波堤设计与施工规范》仅给出暗基床条件下的开孔沉箱波浪力计算公式，且在计算式中引入相位差，公式较为复杂。本文直接讨论开孔沉箱所受波浪总垂直力极值时刻对应的总水平力与总水平力极值之比与各影响因素之间的相关关系。通过对比分析，规范公式在明基床条件下有局限性，而本文计算公式通用于明基床与暗基床的结构形式。

［1］Jarlan G E.A perforated wall breakwater［J］.The Dock and Authority,1961,41（486）:394-398.

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［3］Bergmann H,Oumercai H.Wave Pressure Distribution on Permeable Vertical Walls［C］//Proceedings of the 26th Int.Conf.on Coastal Eng.Copenhagen,Denmark:1998,2:2 042-2 055.

［4］Li Y C.Wave action on maritime structures［M］.The Press of Dalian University of Technology,Dalian:1989.

［5］张芹,戴冠英.波浪对开孔直立结构作用力的试验研究［J］.水利水运科学研究,1994（4）:367-373. ZHANG Q，DAI G Y.Experimental study on interaction between waves and vertical perforated structures［J］.Waterway Transporta⁃tion Scientific Research,1994（4）:367-373.

［6］陈雪峰,李玉成,孙大鹏.波浪与开孔沉箱作用的试验研究［J］.中国海洋平台,2001,16（5）：1-6. CHEN X F,LI Y C,SUN D P.An experimental study of wave acting on perforated caisson［J］.China Offshore Platform,2001,16（5）:1-6.

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［8］姜俊杰，李玉成，孙大鹏，等.规则波作用下开孔沉箱波浪力计算方法的试验研究［J］.水运工程，2005（3）：40-47. JIANG J J,LI Y C,SUN D P,et al.Experimental study of calculating for wave force acting on perforated caisson［J］.Port&Water⁃way Engineering，2005（3）：40-47.

［9］万庆宇.明基床上开孔沉箱波浪水平力的试验研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［10］路伟.明基床开孔沉箱垂直方向波浪力试验研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［11］孙大鹏，张玉彬，夏志盛，等.明基床上开孔沉箱垂直力峰值对应的水平力分析［J］.海洋工程,2014（5）:49-58. SUN D P,ZHANG Y B,XIA Z S,et al.Analysis on total horizontal forces of perforated caisson sitting on rubblemound foundation while total vertical force reaches its peak［J］.The Ocean Engineering,2014（5）:49-58.

［12］JTS 154-1-2011,防波堤设计与施工规范［S］.

Experimental study of horizontal forces acting on perforated caisson on rubble mound foundation under irregular waves

FENG Yan⁃qi,SUN Da⁃peng,WU Hao,XING Tian⁃qiang,XIA Zhi⁃sheng,DONG Hao
(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024，China)

Through the experiments of the interaction between waves and perforated caisson,under the condi⁃tion of irregular waves with rubble foundation,the relationships between the total horizontal force corresponding the moment of crest(valley)value of total vertical force and main influencing factors including the relative chamber width,the relative foundation height,the wave steepness,the relative depth and the porosity of perforated caisson have been systematically investigated.The empirical formula of these relationships has been presented and the re⁃sults of empirical and the experimental data show good consistency with each other.

rubble mound foundation;perforated caisson;irregular wave;horizontal force

TV 139.2

A

1005-8443（2016）04-0325-06

2016-01-27；

2016-04-05

国家自然科学基金资助项目（51279027；51221961）

冯延奇（1991-），男，江苏省沛县人，硕士研究生，主要从事海岸和近海工程研究。

Biography：FENG Yan⁃qi(1991-),male,master student.