新型开孔工字板组合式防波堤波浪力特性试验研究

吕 行，程永舟, 2，胡有川，黄筱云, 2

(1. 长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114; 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

透空板式防波堤主要由上部消浪结构与下部桩基组成。该类防波堤结构在发挥消浪性能的同时，可以有效保证防波堤前后的水体交换。不仅如此，该类防波堤自重轻、材料省，尤其适用于海床条件较差地区。因此，透空板式防波堤引起了国内外学者与工程技术人员的广泛关注。

20世纪60年代，Wiegel[1]首先提出了一种由多排小间距刚性桩组成的透空式防波堤。Jarlan[2]提出了在竖直板上开孔的透空式防波堤，这种结构能够显著减小防波堤前的反射。Siew和Hurley[3]研究了潜式水平板防波堤的消浪特性，潜式水平板上波浪变浅破碎，从而达到消波目的。Patarapanich[4]运用物理试验分析了单层潜式水平板防波堤的消浪特性，当防波堤顶面高度设置在0.05～0.15倍水深，宽度为波长的0.5～0.7倍时，防波堤透射系数最小。邱大洪和王学庚[5]在国内较早提出板式防波堤的概念，并对单层板防波堤的消浪特性进行了研究。这些早期研究表明，在防波堤上设置孔洞、平板形成消浪结构是比较可行的设计方案。

Patarapanich[4]运用势流理论计算波浪绕射在实体薄板上的波浪力，潜式水平板防波堤所受波浪荷载，随淹没深度和相对水深的增加而降低。Isaacson等[6-7]在进行防波堤改造工程中，在开孔式防波堤消浪室中充填块石，有效减小堤潜所受波浪力。Yip和Chwang[8]改进开孔式防波堤，在消浪室内设置平板，提高了防波堤的整体稳定性。严以新等[9]、王国玉等[10]、唐琰林[11]对设有双层、多层平板的透空式防波堤消浪特性进行研究，分析了透空板式防波堤结构的受力特性。Rey和Touboul[12]基于Patarapanich[4]的工作，对水流作用下潜式水平板防波堤的水动力荷载进行了研究，进一步确定了复杂波流荷载下该型防波堤的受力特性。刘勇和李玉成[13]提出在传统开孔防波堤前开孔板与后实体板间设置不同改良结构的方案，基于线性势流理论，对这两种结构的水动力特性进行了比较研究。Cho等[14-15]运用黏性达西流渗透理论评价了水平开孔板式防波堤的消浪效果。Liu和Li[16]采用规则波与不规则波入射潜式双层开孔板防波堤，建议上层板开孔率小于下层板开孔率，以获得良好的消浪效果。这些学者的研究成果表明，板式防波堤的消浪结构正在不断进行优化，板式防波堤消浪室结构设计是这些优化的核心。

开孔透空、双层多层的消浪结构使得波浪-结构相互作用变得十分复杂。王晶等[17]提出了一种双层开孔板防波堤结构，其物理试验结果表明，该型结构对短波具有良好的消波效果，然而后部设置的实体板对水平荷载不利。汪林等[18]为了研究T型透空式防波堤的水动力特性，采用匹配特征函数展开法求解流场，并进一步得出波浪荷载及反、透射系数。这些工作，为分析透空板类防波堤的波浪荷载与受力特性，提供了理论指导与借鉴。李昌良和蓝晓俊[19]通过改进已有的防波堤模型，建立了一种新型水平斜板透空式防波堤模型，经数值模拟研究了该新型水平斜板防波堤结构对波浪透射系数的影响。随着计算能力的提升，数值模拟方法适用于分析复杂结构的水动力特性，这为精确求解该类防波堤结构受力提供了方向。

本文采用水槽物理模型试验，针对新型开孔工字板组合式防波堤在波浪荷载下的受力特性进行了研究。物模试验测量了新型开孔工字板组合式防波堤结构的总力特征，分析了相对波高、相对波长对防波堤结构总力的影响。

1 新型开孔工字板组合式防波堤

在波浪传播过程中，大量的能量由水体自由面上的水质点携带，当自由表面水质点能量不足以维持波浪表面时，液面形状改变发生破碎与耗散。结合大量前人的研究工作，作者提出了开孔工字板组合式防波堤结构[20]，如图1所示。

图1 新型开孔工字板组合式防波堤模型结构示意Fig. 1 Sketch of the porous I-type plate composition breakwater

该型防波堤结构结合了水平板与竖直板式防波堤的优点。工字预制板按照一定间隙进行排列组合，通过挡板与孔隙的综合作用进行消浪。每两个工字预制板组成一个消浪单元，整个消浪结构由多个消浪单元形成多室多层消浪结构。工字预制板间适当的间隙布置，不仅减小了防波堤前的波浪反射，而且极大地减小法向波浪上举力，在降低自重的同时，有效保证结构安全。通过这种多层结构，防波堤能够更高效地应对中长周期波，有效降低波浪透射与反射，为船舶泊稳创造有利条件。

2 物理模型试验设计与分析

2.1 物理模型试验设计

2.1.1 试验设备与仪器

新型开孔工字板组合式防波堤波浪力试验在波浪水槽内进行。该水槽全长40 m、宽0.5 m、高0.8 m。波浪水槽前端安装有液压式造波机。水槽两端均安装消浪设施。波浪采集采用浪高仪，精度0.4%，探测高度0.1～0.2 m。防波堤结构总力采用6分量应变式测力天平来测量，测力天平各分量测量范围为-100～100 N，准确度可以达到±0.5N以内。采用应变仪来采集总力数据。点压力采用高精度智能数字压力传感器来完成。其测量精度为0.1%，量程为-20～20 kPa。

2.1.2 模型参数与试验条件

试验参数按重力相似准则确定，通过计算机控制推波板在水槽入口生成稳定的规则波。试验工况如表1所示。

表1 物理模型试验参数

2.1.3 模型试验布置

考虑到波浪水槽的尺寸、造波机工作能力以及试验仪器测量精确度，在试验前，将试验所用防波堤模型放置在波浪水槽前端造波机推板约22 m处。防波堤模型布置方式为堤顶齐平水面布置。如图2所示，试验一共布置6个浪高仪，每次试验等水面平静后开始造波，当波浪平稳后开始采集，浪高采集频率为51.2 Hz。试验模型四个顶角均布置了测力天平监测结构波浪总力。波浪总力数据采集时间间隔为0.02 s。

图2 波浪水槽及防波堤模型布置示意Fig. 2 Sketch of experiment layout

试验共安装了20个压力传感器。1#～4#为上层翼板上表面从防波堤前端至后端的测点，5#～8#为上层翼板下表面从防波堤前端至后端的测点，9#～12#为下层翼板上表面从防波堤前端至后端的测点，13#～16#为下层翼板下表面从防波堤前端至后端的测点，17#～20#为挡板迎浪面从防波堤前端至后端的测点。测量新型开孔工字板组合式防波堤各位置在不同波要素条件下的波压力分布规律。

2.2 物理模型试验结果与分析

2.2.1 相对波高对防波堤结构点压力的影响

取试验水深d=0.40 m，入射波波高H=0.08、0.10、0.12及0.14 m，波周期T=1.2 s，分析相对波高H/d对各测点波压力的影响。如图3所示，随着相对波高H/d的增大(试验水深d保持不变)，即入射波高H的增大，入射波波浪能量增大，波浪对防波堤结构的冲击作用越强烈，防波堤结构表面各测点波压力急剧增大。

图3 点压力随着相对波高H/d的变化情况Fig. 3 Point pressure variation with relative wave height H/d

2.2.2 相对波长对防波堤结构点压力的影响

取试验水深d=0.40 m，入射波波高H=0.08 m，入射波周期T=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5及1.6 s，此时入射波波长L=1.46、1.70、1.94、2.17、2.39、2.62及2.84 m，如图4所示。图中表明各测点波压力随着相对波长L/B的增大而增大。这是由于波浪能量与入射波波长L成正比，入射波波长越大，波浪与防波堤结构的相互作用越剧烈，波浪对防波堤结构的冲击力就越明显，防波堤结构表面各测点的波压力也就越大。

图4 点压力随相对波长L/B的变化情况Fig. 4 Point pressure variation with relative wavelength L/B

2.2.3 相对波高对防波堤结构总力的影响

图5 相对波高H/d对防波堤结构竖向总力的影响Fig. 5 Influence of relative wave height H/d on vertical total force of breakwater structure

图6 相对波高H/d对防波堤结构水平总力的影响Fig. 6 Influence of relative wave height H/d on horizonal total force of breakwater structure

2.2.4 相对波长对防波堤结构总力的影响

图7和图8为4种不同相对波高H/d条件下，防波堤结构无因次化水平总力和无因次化竖直总力随着相对波长L/B的变化情况。

图7 相对波长L/B对防波堤结构竖向总力的影响Fig. 7 Influence of relative wave height L/Bon vertical total force of breakwater structure

图8 相对波长L/B对防波堤结构水平总力的影响Fig. 8 Influence of relative wave height L/B on horizonal total force of breakwater structure

3 结 语

采用物理模型试验，针对新型开孔工字板组合式防波堤在波浪荷载下的受力特性进行了研究，得到如下结论：

1)新型开孔工字板组合式防波堤结构波浪力荷载以垂直方向受力为主。相对波高H/d对防波堤总垂向波浪力的影响较大，防波堤受到的无因次化竖向总力远大于无因次化水平总力，最大可达到15倍。

2)相对波长L/B对防波堤结构无因次化总力的影响较小，随着相对波长L/B的增大呈增大趋势，但变化幅度不大。相对波长L/B=3.617是防波堤结构水平总力变化幅度的分界点。