箱-板组合浮式防波堤水动力性能试验研究

何梦程 ，单潜瑜 ，白兴兰 ，张兆德

(1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022)

浮式防波堤相对于固定式防波堤，有一定的优势，其一结构为透空式，在与水体交换过程中减轻了对港区内以及海域水体的污染；其二建造和拆迁方便，施工周期短，工程耗材少；其三对地质的要求低，适应于各种地形。同时浮式防波堤还存在一些缺点：对于不同周期的波浪削减能力相差大，对短周期波的消浪效果较好，对长周期波不理想；浮式结构在使用过程中所需要的保养维护费高。这些缺陷制约了它成为被广泛采用的消波结构的主要因素。因此，国内外学者围绕浮式防波堤的消波性能、水动力性能以及结构形式等方面展开了众多研究，为浮式防波堤的设计与工程应用提供理论支持。

SYED，et al[1]对由3个浮箱组成的浮堤的消浪性能进行了研究，研究表明多浮箱式浮堤可提高消浪效果，其消浪效果除了受浮箱宽度、吃水和锚固方式等因素影响外，受浮箱间距的影响较大。KORIAM，et al[2]通过试验研究了垂向插板对浮堤消浪效果的影响，结果表明随着垂向插板层数增加透射系数减小，当布置4层垂向插板时透射系数可小于0.25。李亚斌[3]建立了系缆浮式结构的SPH模型，考虑结构长度、淹没水深、结构密度等方面对浮式防波堤水动力性能的影响。同时通过测试分析反射波高和透射波高来研究该结构的消波能力。王志磊[4]基于粘性理论建立了二维数值水槽，给出了浮式防波堤试验方案，得到了运动响应幅值、系泊缆最大张力和透射系数。王环宇[5]提出了一种多孔浮式的防波堤结构，由菱形模块拼装而成的，对结构的消浪性能以及系泊型式、对系泊力的影响因素进行了探索分析，证明该结构的几何特征具有优良的性能。王金胜[6]针对双圆筒浮式的构型设计，建立了相应的水动力、质量以及结构三种相应模型，基于结构有限元分析软件，完成了浮式防波堤结构的局部强度计算与校核。董华洋[7]提出了垂直导桩锚泊和锚链锚泊这两种浮箱-水平板式结构型式，并通过试验和数值计算与单一浮箱结构的水动力特性进行了对比分析。袁盛良[8]运用模型试验来探索浮箱式防波堤在规则波作用下的透射系数和波浪大小对其冲击压强作用以及系泊力大小，分别阐述了波陡、相对板宽、锚链刚度系数、拉角、预拉力和有无消浪孔等参数对结构水动力特性的影响。郑艳娜等[9]选取了单箱、双箱和板网这三种型式的浮式防波堤，通过试验获取了防波堤在规则波作用下的消浪效果，结果表明：板网式的结构效果最好。杨彪等[10]选取了相对宽度、相对波高和锚链刚度等为变量，分别对防波堤的消浪性能、运动响应和锚链受力进行试验分析，并与双浮箱结构的试验结果进行了对比分析。蒋昌波等[11]通过模型试验研究规则波作用下，透射系数与顶板相对入水深度、相对板间距、相对板长以及顶板开孔之间的关系。ERIK，et al[12]针对浮筒式、翼板式浮筒和翼板式附加多孔介质三种结构进行模型试验和二维数值模拟，主要研究由波浪辐射和粘滞阻尼引起的防波堤阻尼机制。EVA，et al[13]针对带柔性接头的系泊浮式模块化浮防波堤开展了水弹性和结构响应的试验研究，认为：防波堤的水弹性响应和结构响应很大程度上依赖于波周期，而波高和入射角在低频范围内对结构响应影响较大。DAI Jian，et al[14]对浮式防波堤的研究和发展现状进行了综述，浮式防波堤主要包括箱式、浮筒式、框架式、垫式、系泊式、水平板式等结构类型，并对它们的性能进行了对比和讨论。

基于上述学者的研究，发现对影响浮式防波堤水动力性能的影响因子研究较少，因此对箱-板组合浮式防波堤开展模型试验，提出了三种不同影响因子——浮箱入水深度、底板与浮箱间距以及底板长度，并研究其对结构运动响应、锚链系泊力以及透射系数的影响，提出结构优化措施，为结构的数值模拟与工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验方法

本次模型试验地点位于浙江海洋大学近海海洋工程技术重点实验室的水槽中进行，水槽尺寸为20 m×0.8 m×1 m，采用推板式造波机，可产生周期为0.5～3 s，满足试验所需波浪要求，在远离造波机的一侧安装消浪网，以减少反射波作用带来的不利影响。根据《波浪模型试验规程》有关相似准则的规定，波浪物理模型采用正态模型，波浪与建筑物相互作用模型的设计应满足重力相似(Froude准则)，浮式建筑物断面模型的试验比尺应满足λ≤80。因此，考虑试验条件及实际工程应用，试验比尺，λL=30。

该浮式防波堤由两部分组成，分别是两个浮箱组成的上部结构和底板组成的下部结构，箱体之间通过杆件刚性连接。模型实物如图1所示。方箱和底板材质均为亚克力板，单个方箱设计尺寸为：长0.4 m、宽0.2 m、高0.167 m，方箱间距为0.133 m。方箱顶部设计成设有开口，通过方箱压载可以改变结构吃水。底板尺寸为：宽0.4 m、厚0.05 m，底板长度分别为0.533 m、0.67 m，以研究底板长度对浮体水动力的影响，且底板间距可调、可拆卸，以研究底板与浮箱的相对间距对结构水动力的影响。

结构模型通过两侧分别布置两根平行的锚链来定位，如图1所示，锚链选用直径1 mm软钢丝代替，锚链长度满足几何相似，将重物悬挂于锚链上模拟悬链线。锚链一端与浮体下底板底部相连，另一端通过固定于水槽底端的定滑轮拉出水面与拉力传感器相连，拉力传感器另一端固定。前后锚点间距为20 cm，左右锚点间距为103.3 cm。在模型正上方固定组合惯导，使其与模型组合成一体，做好防水。在距离模型正上方一定距离处，布置激光测距仪，并在试验前测量出模型与激光测距仪间距。试验水深为50 cm，在放置装置模型前，确定每组波要素对应的造波机参数。

图1 试验仪器设备Fig.1 The test equipment

图2 模型布置示意图Fig.2 Overall layout of the structural model

1.2 试验工况

入射波为规则波，波高0.05 m，试验水深为0.5 m，浮箱静吃水深度为0.1 m。试验模型设计两种不同的底板长度，分别为0.533 m和0.667 m。模型底板层数为两层，两底板间距为0.035 m，底板与浮箱的间距分别设为0.06 m和0.09 m。模型结构参数汇总如表1。

表1 试验模型汇总Tab.1 Test model summary

1.3 测量设备

通过SDI-CH-2组合惯导测量横摇与纵摇。该惯导通过内部的惯性器件如陀螺、加速度计等，获得当前位置信息，具有精确度高、可通讯和携带方便等优点。将惯导水平固定于浮体正上方，惯导与模型保持相对静止，则惯导的运动即为模型的运动。

垂荡的大小通过激光测距传感器测量，仪器通过测量激光的往返时间最后得到往返间距，具有极高的准确性。将激光传感器水平悬空布置于模型正上方，并测量此时激光测距仪与模型的相对间距。最后将得到的相对间距减去初始间距即为模型的垂荡运动。

锚链系泊力的大小通过拉力传感器测量。由于拉力传感器并不防水，因此通过定滑轮的原理，将定滑轮布置于水槽底端，锚链通过定滑轮拉出水面进行测量。拉力传感器的连接方式是：模型—锚链—锚点—锚链—拉力传感器—数据采集系统，即锚链与拉力传感器相连，拉力传感器一端通过磁铁与水槽固定，另一端与数据采集分析系统相连，并将数据实时显示并保存。每完成1组试验工况，进行1次平衡清零。

2 试验结果分析

2.1 浮体吃水深度对结构水动力分析的影响

采用两种方式改变模型吃水深度：(1)对浮箱进行压载；(2)增加底板与浮箱间距。研究浮体吃水对浮体运动幅值、锚链系泊力和透射系数的影响。

2.1.1 吃水深度对结构运动幅值的影响

图3 吃水深度对结构运动幅值的影响随W/L的变化曲线Fig.3 Variation of the motion amplitude with W/L for different draught depth of model

如图3(a、b、c)分别为不同吃水深度下，结构各运动幅值随相对宽度W/L的变化曲线，横坐标W/L为结构宽度W与波长L的比值，纵坐标分别为运动位移幅值。试验结果表明：(1)随着W/L的增加，垂荡和横摇运动幅值都先减小后趋于平缓，而纵摇运动不同结构模型其变化趋势有较大差异，但总体趋势都随W/L的增加而减小；(2)模型A的运动幅值始终大于其他两种结构模型，说明增加浮箱入水深度和增加底板与浮箱间距都可以显著减小结构运动响应。当浮箱入水深度增加30 mm时(即B模型)，模型的垂荡运动幅值减小约15%，而横摇和纵摇减小幅度不大；(3)当浮箱与底板间距增加30 mm时(即C模型)，结构的垂荡运动减小约30%，横摇运动减小约20%，而纵摇运动幅值影响程度略小。通过上述对比发现，两种方法对模型垂荡运动的影响最大，这是因为增加浮箱吃水深度，使得模型底部受到的浮托力变小，导致模型垂向运动减小。不同点在于，当模型吃水深度都增加30 mm时，模型B的运动响应明显大于模型C，说明增加浮箱入水深度的方法对减小模型的运动响应效果更佳。

2.1.2 吃水深度对锚链系泊力的影响

如图4(a、b)所示给出了结构不同吃水深度下，锚链系泊力随相对宽度W/L的变化曲线。试验结果表明：(1)相对宽度W/L越大，两侧系泊力均越小。迎浪侧锚链力呈现先上下波动再急剧减小最后趋于平缓的趋势，且W/L越大，不同结构类型的迎浪侧系泊力越接近；而背浪侧系泊力则是随着W/L的增加逐渐减小。

图4 浮箱吃水深度对锚链系泊力的影响随W/L变化曲线Fig.4 Variation of the mooring force with W/L for different draught depth of model

(2)模型A的两侧锚链系泊力均大于其他两种结构模型，说明增加模型吃水深度能有效减小两侧锚链系泊力。当浮箱入水深度增加30 mm时(即B模型)，迎浪侧和背浪侧系泊力均减小约20%；当浮箱与底板间距增加30 mm时，迎浪侧锚链系泊力减小约30%。通过上述对比发现，增加浮箱入水深度来增加模型吃水的方法来说，对减小两侧锚链系泊力的影响效果更佳。因为增加浮箱入水深度时，浮箱重量因此增加，锚链将受到额外的力来平衡浮箱的惯性作用力。但同时发现，用软钢丝代替锚链进行试验，由于软钢丝弹性模量较大，使得锚链受力时间过短，易出现突变值影响试验结果。因此在软钢丝下悬挂重物模拟悬链线状态，使锚链受力呈逐渐平缓上升状态，降低试验误差。

2.1.3 吃水深度对模型透射系数的影响

图5给出了不同吃水深度下，浮式防波堤透射系数随相对宽度W/L的变化曲线。从图5可以看出，模型相对宽度W/L对透射系数影响较大。在试验范围内，W/L越大，模型透射系数越小。模型B和模型C的透射系数远远小于模型A，且W/L越大，差距越明显。说明增加浮体的吃水深度对减小波浪侵袭有显著作用，尤其是应对短周期波浪时，效果尤为明显。

图5 浮箱吃水深度对模型透射系数的影响随W/L变化曲线Fig.5 Variation of the transmission coefficient with W/L for different draught depth of model

2.2 底板长度对模型运动响应的影响

2.2.1 底板长度对模型运动响应的影响

探究底板长度对模型运动响应的影响，图6给出了不同底板长度下浮式防波堤运动响应随相对宽度W/L的变化曲线。

从图6可以看出，与模型A相比，增加底板长度可明显减小模型的垂荡运动幅值。而对纵摇和横摇的影响与相对宽度W/L有关，当W/L在0.3～0.5之间时，底板长度对减小纵摇和横摇运动幅值有显著影响，当相对宽度W/L达到0.6时，底板长度对纵摇和横摇运动幅值的影响很小。这是因为水平板长度的增加，不仅增加了模型的重量，降低了模型的整体重心位置，同时增加了模型的整体面积，使模型在垂向运动上有更大的阻力。因此，当浮体面对长周期波浪作用时，可以增加水平板长度，来减小其运动响应。而面对短周期波浪时，增加水平板长度仅对垂荡的减小有帮助。

图6 底板长度对模型运动响应的影响随相对宽度W/L变化曲线Fig.6 Variation of the motion response with W/L for different plate lengths

将该模型进行数值模分析，验证该结果合理性。试验比尺λL=30，数值模拟结果如图7所示。

从图7的数值模拟结果可以看出，模型运动响应随相对宽度W/L的增加而逐渐减小，且底板长度对垂荡的影响更大，周期越大影响越显著，与试验结果相吻合。

2.2.2 底板长度对模型锚链系泊力的影响

探究底板长度对模型锚链系泊力的影响，图8给出了不同底板长度下浮式防波堤锚链系泊力随相对宽度W/L的变化曲线。

从图8可以看出，底板长度越长，两侧锚链系泊力均越小，且影响作用与模型相对宽度W/L有关。当W/L越大时，底板长度对迎浪测锚链系泊力影响越小，对背浪侧锚链系泊力影响越大。且当W/L达到0.9左右时，底板长度的改变对迎浪侧锚链系泊力几乎没有影响，这是因为此时迎浪侧锚链基本处于张紧状态。因此在面对长周期波浪时，增加底板长度可以有效减小迎浪侧锚链系泊力。

2.2.3 底板长度对模型透射系数的影响

探究底板长度对模型透射系数的影响，图9给出了不同底板长度下浮式防波堤透射系数随相对宽度W/L的变化曲线。

从图9可以看出，底板长度越长，模型透射系数越小，且当相对宽度W/L越大，底板长度对模型透射系数的影响越大。说明在面对长周期波浪时，增加其底板长度难以有效提高结构的消浪性能。而对短周期波浪，合理的增加底板长度，可以有效提高浮体的消浪性能。

图7 数值模拟结果Fig.7 Numerical simulation results

图8 底板长度对模型两侧锚链系泊力的影响随W/L变化曲线Fig.8 Variation of the mooring force with W/L for different plate lengths

图9 底板长度对模型透射系数的影响随W/L变化曲线Fig.9 Variation of the transmission coefficient with W/L for different plate lengths

3 结语

针对箱-板组合浮式防波堤结构，开展物理模型试验，改变结构吃水、水平板长度对防波堤的运动响应幅值、系泊力与波浪透射系数的影响规律进行了分析，得到以下结论：

(1)通过改变浮箱入水深度和增加底板与浮箱间距来改变浮体吃水深度的方法，两者均可减小浮体的运动响应，前者使浮体的运动响应更小，后者更有利于减小两侧锚链系泊力。

(2)底板长度对垂荡运动幅值影响最大，而对横摇和纵摇的影响与波浪周期有关。当长周期波浪作用时，增加底板长度有利于减小模型整体运动响应；短周期波浪作用时，仅对垂荡运动的减小有作用。并通过数值模拟验证该结果的合理性。

(3)增加模型吃水深度和底板长度对减小模型透射系数有显著效果。