波陡对双排可调节浮箱式防波堤消能效果的影响

常筝 保利长大工程有限公司

李怡 重庆交通大学

徐晓黎 天津大学

1.研究背景

浮式防波堤以其独特的优越性在深水网箱养殖、人工海水浴场、游艇码头及施工现场等水域的掩护中受到越来越多的应用。关于浮式防波堤的形状和适应性是非常值得研究的课题。近几十年以来，国内外学者对浮式防波堤进行了各种相关物理模型试验及数值模型计算，旨在找到影响浮式防波堤消浪性能的参数，并对结构形式进行优化，为实际工程提供设计依据。目前的浮式防波堤多为单排浮体式，其中尤以透空箱体浮式研究性较强，但在深海区域消能效果并不理想。李怡等基于Floating city理念提出可用于相对长波条件下消浪的可调式浮箱防波堤结构，该结构是由两个浮箱组成的双箱式结构，通过锚链与水底相连以增强消浪效果。

本文基于徐晓黎等对双排可调节浮箱式防波堤进行了物理模型和试验研究，对试验数据进行分析，分析波陡对结构消浪特性的影响。

2.物理模型试验说明

本文采用徐晓黎等中的物模试验，简要说明其物理模型试验。

2.1 模型尺寸

物理模型试验采用重力相似准则（Froude准则）设计模型。原型与模型要满足几何相似、重量相似、重心相似、质量惯性矩相似和自振周期相似，考虑到试验室内波浪水槽尺度、浮式防波堤平面尺寸、水深、波浪要素和试验仪器量测精度等因素，根据相似原理设计波浪要素，波高、波长与水深的比尺相同，周期的比尺为几何比尺的均方根，在参考《波浪模型试验规程》（JTJ/T 234-2001）中的规定，模型选用几何比尺λ1=40，水深比尺λH=40，时间比尺λT=，力比尺λF=403。

试验模型主体为有机玻璃制成的密封性矩形方箱，并保证模型达到实验设计的吃水深度及中心相似。矩形方箱的外观尺寸为长×宽×高等于0.3m×0.15m×0.06m。

2.2 物理模型试验说明

该物理模型由前后两个尺寸相同、水位不同的两个浮箱组成。试验中使波浪依次通过前方浮箱与后方浮箱，在前后浮箱两次抵抗作用下波能得到大幅度衰减，提高了结构的消浪能力。同时，前后浮箱可相互辅助消浪，前方浮箱透过的波浪由后方的浮箱以反射和运动的方式二次衰减，同时后方已反射的波浪可辅助前方浮箱共同抵抗新传来的波浪。试验整体布置图见图1。

图1 试验整体布置图

双排浮箱式防波堤模型宽150mm，高60mm，长300mm，壁厚8mm，标准吃水42mm。整个浮式防波堤分两排布置，实验需测定不同的两浮箱间前后距离l下的堤后波高，得到前后距离l与堤后波高的关系，以得到最佳距离l和达到最好的消能效果。试验中锚链直接与池底连接，前后排浮箱通过改变锚链长度调整吃水深度。前方浮箱结构本身吃水最小，更大程度增加浮箱与波浪接触面积，以提升波浪反射效率。后方浮箱，通过改变锚链长度和适当增减砂石材料，使浮箱下沉至设计吃水t2，在增大后方浮箱定倾半径的同时使浮箱更好地抵抗水下方传来的潜浪能量。试验需测定在不同水深t2下堤后波高以得到最佳水深。

2.3 实验内容说明

在徐晓黎等的物理试验中进行了对照试验和透射系数试验，本文针对该试验进行以下说明：

（1）对照组——单排：记录了不同水深条件下堤前堤后波高。

（2）试验组——双排：记录了每种波浪传播条件下，改变两箱间距离l、后排箱吃水深度t2，并测得不同位置时的堤前堤后波高，从而计算出相同波浪条件下不同位置时的透射系数（堤后透射波高与堤前波高的比值）。按照控制变量法改变传播条件，重复实验，得到不同传播条件下波浪在透过前、后排浮箱之后的波高。

（3）本文只考虑入射波波陡这一变量对结构消浪特性的影响，其他因素暂时不考虑。

3.实验数据的分析

透射系数是指波浪经过防波堤时堤后有效波高与堤前有效波高的比值，即：

3.1 初步分析

基于徐晓黎等中物模试验所得数据，在水深不变的情况下通过控制变量，只改变波坦（波陡的倒数），用EXCEL进行粗略的分析可以得出：波坦对透射系数的影响显著，随着波坦的不断增加，透射系数出现了一定的波动性，但整体上有明显增加的趋势。

同时，有些情况下出现了透射系数Kt＞1.0（下文称之为异常点）的情况，现给出定性解释。一部分异常点出现在一些极端的入射波情况，即波长特别长。当波长较长时可能出现入射、辐射、绕射波相互干扰，从而造成不稳定的波动。有些异常点出现在双箱距离较远且后箱吃水相对较大的情况，当距离较远时由于两箱几乎不会同步简谐振动，降低浮箱的消浪效果。通过对比原始记录数据，在异常点的条件下，在浮箱中间的波高仪记录的波高远比入射波高大，对于后箱来说，增大了其入射波高，且当后箱吃水下沉时，此种增大的波直接透过后箱，从而使透过两箱的波高大于入射波高。

由于本文主要着眼于波陡对于透射系数的影响，此种异常情况不在此深入讨论。

3.2 精确拟合

鉴于以上粗略分析呈现出的显著规律性，通过MATLAB编程进行精确拟合，在水深不变的情况下改变频率，得到不同的波高H及波长L，由此可得波陡H/L，用MATLAB编辑程序计算得出不同波陡对应的透射系数Kt。将数据分析拟合得到图2曲线。

图2 波陡与透射系数关系曲线

由曲线呈现形态可以看出，最终得知随着波陡的变大，透射系数逐渐递减。根据波浪的传播规律可以得知，透射系数越小，波浪的传播能力越弱，波能也就越小。

4.结束语

本文基于徐晓黎等的物理模型试验数据，探讨该形式的防波堤在不同波浪传播条件下入射波为相对长波条件下的消浪特性，在水深不变的情况下改变频率，得到不同的波高H及波长L，由此可得波陡H/L，先对整体趋势进行初略分析，后通过MATLAB编辑程序拟合波陡与透射系数Kt的关系，随着波陡的变大，透射系数逐渐递减。根据波浪的传播规律可以得知，透射系数越小，波浪的传播能力越弱，波能也就越小。