多层废旧轮胎半潜式防波堤消浪性能研究

祁隆，上官子昌，汪学强，吴湛辉，蹇勇

（1.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023；2.大连海洋大学辽宁省海岸工程重点实验室，辽宁 大连 116023；3.锦州水务（集团）锦凌水库经营管理公司，辽宁 锦州 121000）

0 引言

随着新建防波堤的位置向深水区推进，波浪强度越来越大，传统的防波堤工程结构因其造价昂贵、技术复杂、施工困难等因素远不能满足深水港口建设的需求，因此发展新形式的防波堤势在必行[1]。半潜式防波堤作为其中的一种形式，相对于传统形式的防波堤，最大的特点在于，防波堤整体潜入水面以下一定深度。其优点主要体现在：能更好地适应深水海况；在拥有更佳消浪性能的前提下，其造价大大降低，日常维护工作简化；可在不破坏环境的前提下，最大限度地利用废旧材料，提高废旧用品利用率，真正做到“变废为宝”。

国外在20世纪60年代末就开始进行废旧轮胎浮式防波堤的研究，大部分研究工作基于现场和原型试验，如：1968年美国陆军工程水道实验站在Vicksburg做了Wave-maze型废旧轮胎浮式防波堤现场实验[2]；1978年Giles等进行了全相似的Goodyear型废旧轮胎浮式防波堤试验研究。国外工程实例，如：英国格拉斯哥大学在福斯湾埃德加港海面上，安装了一道废旧轮胎浮式防波堤。

国内在2010年由大连理工大学研究生张余[3]进行了废旧轮胎浮式防波堤模型试验，作者依据水弹性相似理论设计小比尺的废旧轮胎浮式防波堤模型试验，通过与Harms等在美国陆军海岸工程研究中心做的原型试验对比，验证了废旧轮胎浮式防波堤等柔性防波堤结构模型试验技术的可行性。进行了废旧轮胎浮式防波堤结构相对堤宽、锚链拖地长度、弹性系数等对其消浪性能影响的试验研究，为实际工程应用提供参考。

中国海洋大学研究生姚卓琳[4]在2013年进行了新型半潜式开孔防波堤水动力特性研究，以理论分析和实验相结合的方式进行。结果显示，随着潜入深度的增加，透射系数呈增大趋势，消浪效果逐渐变差。但是相比于同类型的浮式防波堤而言，消浪效果明显增强。由此可知，半潜式具有很大的优势。

本文在前人研究的基础上，提出了一种新型半潜式防波堤-多层废旧轮胎半潜式防波堤，并以物理模型试验的方式研究了其消浪性能及影响因素，可为实际工程提供参考。

1 物理模型试验

1.1 试验设备及仪器

试验在大连海洋大学辽宁省海岸工程重点实验室波浪水槽中进行。水槽总长40 m，宽0.7 m，高0.9 m，一端安装有交流伺服电机驱动推板造波机，可以产生规则波与不规则波；另一端装有多孔介质消波装置，可以有效减小波浪的反射；水槽两侧为钢化玻璃，可实时观测实验情况。采用DS30型64通道浪高仪采集波浪情况，同时配备天津水运工程科学研究所研制的2000型波浪测量和采集系统进行采集，量程在2 m以内，误差低于0.5%。实验前后均对所有测量仪器进行了标定和校准，从而保证了数据的准确性和有效性。

1.2 试验模型

试验模型设计满足重力相似准则，比例尺为1∶30。模型单元均采用直径0.07 m的模具小轮胎。模型至少由2层轮胎组成，最多为4层。每层长度为2.8 m，宽度为0.63 m，层间距为0.05 m。每层轮胎包括水平方向排列的轮胎单元体和至少2层垂直方向排列的层间距控制器单元体，模型轮胎之间用扎带绑扎，上下相邻2层轮胎单元体错距分布。每层废旧轮胎单元体底部设有钢筋骨架。最底层的钢筋骨架通过锚链连接锚固铅块，整个模型潜入水下一定深度。

试验布置示意图如图1所示：模型布置在水槽中央位置，距离造波机20 m，不会发生二次反射。模型前端（1号、2号）和后端（3号、4号）各布置2个浪高仪，1号与2号及3号与4号的间距均为0.3 m，B距模型前端2 m，C距模型后端为1.5 m。

本次试验均采用规则波，每组试验需要重复3次，取其平均值作为最终结果，最后应用两点法进行计算。试验采样间隔为0.02 s，每次采集1 024个。

图1 试验布置示意图Fig.1 Test layout diagram

1.3 试验设计

模型共有3种：2层轮胎、3层轮胎、4层轮胎。模型的长度均为2.8 m，宽度为0.63 m，层间距均为0.05 m。每种模型均设置3个下潜深度：0.08 m、0.12 m、0.15 m；4个水深：0.56 m、0.59 m、0.62 m、0.65 m；4个波高：0.10 m、0.12 m、0.15 m、0.18 m；4个周期：1.2 s、1.5 s、1.8 s、2.0 s。

2 结果分析

由波浪理论可知：透射系数Kt是评估防波堤消浪性能的一个重要指标，其表达式定义为[5]：Kt=Ht/Hi式中：Ht为堤前入射波高；Hi为堤后透射波高。

根据数据采集系统记录的波浪时间过程曲线数据，通过Matlab小程序进行入反射波分离，进而求得相应工况下的透射系数Kt。

2.1 模型层数对透射系数K t的影响

图2 模型层数对防波堤透射系数的影响Fig.2 Effect of model layer on thetransmission coefficient of breakwater

图2 给出了多层废旧轮胎半潜式防波堤的透射系数随模型层数的变化规律。从图中可以看出，在波高H=0.1 m，潜水深度d=0.08 m的条件下，当水深D分别为0.56 m、0.59 m时，透射系数Kt随着层数的增加都是逐渐增大的趋势。但是不同层数透射系数的大小关系为：Kt3＞Kt2＞Kt4，即：3层的消浪效果最佳，2层的次之，4层的靠后，这充分说明了对于多层废旧轮胎半潜式防波堤而言，并非层数越多越好。这也符合能量的分布规律，即：海水中波浪的能量大部分集中在水体的表层，在表层2倍到3倍波高的水层厚度内分别集中了90%到98%的波能[6-7]，此时波高H为0.1 m，在实际海况中，3层模型的最下面一层在水面以下8.1 m＞6.0 m，超过了波浪能量分布规律的下限，故3层的消浪效果已经达到最佳，最好时达到了0.42。当周期加大时，4层的效果之所以变差，是因为模型和波浪发生了共振现象，在实验过程中可明显观察到模型和波浪几乎同步运动。

2.2 相对潜水深度D r对透射系数K t的影响

图3 相对潜水深度D r对透射系数的影响Fig.3 Effect of relative depth of diving D r on transmission coefficient

图3 给出了防波堤模型透射系数随相对潜水深度Dr（下潜深度与水深的比值）的变化趋势，图3（a）、（b）表示的是相对潜水深度 Dr分别对 2层、3层防波堤模型透射系数的影响。综合来看，在相同条件下，透射系数Kt均随相对潜水深度的增加而增大，且对3层模型的透射系数影响较为显著。当相对潜水深度Dr为0.14时最小，3层模型最小达到了0.44。当相对潜水深度Dr在0.21时，透射系数Kt基本稳定在0.65左右，消浪效果较为理想；当相对潜水深度Dr为0.27时，透射系数Kt最大已经达到了0.87，消浪效果急剧变差。

2.3 波高H对透射系数K t的影响

图4给出了2层废旧轮胎半潜式防波堤在不同水深D和周期T的条件下，透射系数随波高H的实验结果。从图4（a）中可知，当水深为0.56 m时，透射系数随着波高的增加呈减小趋势，最小为0.46。从图4（b）可知，在水深由0.59 m增加到0.65 m的过程中，透射系数的变化规律是不尽相同的。水深D=0.59 m，周期T=1.2 s的条件下，透射系数随着波高H的变化，先增大后减小；周期逐渐变大时，透射系数随着波高的增大而减小。由此可见，多层废旧轮胎防波堤的消浪性能，不完全取决于波高H，而是多种因素共同影响的结果，要分不同的条件去研究，不可一概而论。

图4 波高H对透射系数的影响Fig.4 Effect of waveheight H on transmission coefficient

结合国内外研究现状可知[8-10]，双层和多层防波堤的消浪效果要优于单层防波堤，但由于此类防波堤的结构所限，其水平层将承受较大的波浪上拖力，容易造成疲劳破坏及结构失稳，发生侧翻，从而影响防波堤的消浪效果。在这节讨论中，波高对防波堤透射系数的影响不是很规律，从实验现象来看，此种条件下，防波堤运动较为剧烈，与以上所述现象基本吻合，由此可断定，实验结果在一定程度上受到了防波堤运动剧烈的影响。

2.4 周期T对透射系数K t的影响

图5给出了不同层数的相对条件下，透射系数随周期的变化规律。由图5可知，透射系数总体是随着周期T的增大而增大，当周期在1.2～1.5 s时，透射系数从0.54增加到0.63，变化速度较缓慢，说明此种防波堤对小周期波浪的消浪效果较好。当周期由1.5～2.0 s时，透射系数变化较快，最高点为0.90，消浪效果急剧变差，说明防波堤对大周期波浪消浪效果较差。综合来看，3层的曲线大体位于2层和4层的下面，进一步说明了3层的消浪效果最佳，即：3层防波堤模型对周期的变化较2层和4层不敏感。4层模型的消浪效果虽然没有明显的提升，但是从图中可以看出，对于大周期波浪，4层与2层和3层相比，透射系数相对较小，说明4层模型对于大周期波浪有较好的效果。

图5 周期T对透射系数的影响Fig.5 Effect of periodic T on the transmission coefficient

3 结语

本文通过物理模型试验，对一种多层废旧轮胎半潜式防波堤的透射系数及其影响因素进行了研究。本次试验共设置3种模型（2层、3层、4层），主要研究了透射系数随模型层数、相对潜水深度、波高、周期4个参数变化的规律，得出以下主要结论：

1）模型层数对透射系数的影响效果有限，并非层数越多效果越好。3层模型的消浪效果最好，2层的次之，4层靠后，即：Kt3＞Kt2＞Kt4。

2）相对潜水深度Dr、波高H和周期T对透射系数的影响较为显著。从试验结果分析来看，相对潜水深度为0.14，即：模型的潜水深度为0.08 m时的效果最好，可消去70%左右的波浪。波高H对透射系数的影响机理较复杂，应该结合其他因素综合分析，才能得出较为准确的结论。通过分析周期T对透射系数的影响可知：此种防波堤对较小周期波浪效果较好，而对大周期波浪，效果不理想。

3）在试验中可以观察到，当波浪透过该结构时，这种特殊的多（层）孔轮胎阵结构可以破坏波浪水质点竖向运动轨迹，轮胎本身可以破坏波浪水质点的水平运动轨迹，从而起到衰减波能的作用。这一结论正好验证了文献[9]中得出的结论。

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[5]赵军.新型透空式防波堤消浪性能研究[J].中国水运月刊，2017，17（2）：191-193.ZHAO Jun.Study on the anti-wave performance of a new type of open-air breakwater[J].China Water Transport,2017,17(2)：191-193.

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[10]张志强.组合板式防波堤水动力特性研究[D].大连：大连理工大学，2010.ZHANGZhi-qiang.Study on hydrodynamic characteristics of combined platebreakwater[D].Dalian:Dalian University of Technology,2010.