双浮箱与不同形式板组合的浮堤消浪性能试验*

浮式防波堤由浮体及锚泊系统组成，通过浮体与波浪的相互作用来消浪。根据浮式防波堤结构的消浪原理可分为波能反射型、波能损耗型和反射-损耗混合型3大类。与传统的坐底式浮式防波堤相比，浮式防波堤可适应水深较大、地基软弱、大潮差和引入水交换改善港内水质等情况，且造价低廉、建造拆迁方便[1-4]。但也有很多因素限制着浮堤的应用，如掩护效果不如坐底式防波堤、波浪周期较长时消浪效果较差、波浪作用下疲劳损伤，且极端风暴下结构本身安全性难以保障。

一直以来国内外对浮式防波堤开展了积极研究，提出多种基于浮箱的浮式防波堤改进结构形式，主要有浮箱-垂直板式、浮箱-水平板式和浮箱-其他损耗波能结构式等。对于浮箱-垂直板式浮堤，Christian[5]和Gesraha[6]的研究表明对于浮箱式浮堤，垂直插板可降低透射系数，但短周期波浪作用下透射系数可能会增大。Koriam和Rageh[7]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。对于浮箱-水平板式浮堤，董华洋[8]对单浮箱下部安装水平板的浮式防波堤进行了研究，结果表明垂直导桩锚固时浮箱下部设置一层水平板可使透射系数降低0.3左右，设置二层板时透射系数继续减小幅度不明显；锚链锚固时设置一层板的透射系数最多可减小0.2。杨彪等[9]对双浮箱下部安装水平板的浮防波堤进行了研究，结果表明两层板时的消浪效果好于一层板时，且其透射系数较没有水平板时最多可减小0.4左右。对于浮箱-其他损耗波能结构式浮堤，Mani 等先后提出了浮箱底部安装等间距圆柱体的Y型浮式防波堤[11]和 “笼式”浮式防波堤[12]，下部圆柱体可使波能衰减。Hermanson[13]提出了底部连接单层薄膜的浮箱式浮堤，试验结果表明底部连接单层薄膜时透射系数相比无薄膜时平均降低12%左右。虽然国内外提出的浮堤结构形式较多，但在大多仍仅在试验研究阶段，比较成熟且可以广泛应用的形式还很少。目前浮式防波堤主要在内河、水库、湖泊、河口以及海湾等波浪相对较小的水域得到一些应用。因此，需要进一步研究消浪效果好、适用范围广的新型浮式防波堤结构。

本文对双浮箱与不同形式板组合的浮堤进行了二维水槽波浪物理模型试验，研究水平板入水深度、水平板开孔率、多孔竖直板等因素对浮式防波堤消浪效果的影响，重点分析双浮箱间设置多孔竖直板时浮堤的消浪性能和消浪机理。

1 物理模型试验

1.1 试验设备和仪器

本次波浪断面物理模型试验在南京水利科学研究院河流海岸研究所的大波浪水槽中进行，水槽长70 m、宽1.8 m、深1.8 m。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有丹麦水工研究所(DHI)生产的推板式不规则波造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。为消除水槽试验中波浪的多次反射，造波板上配有二次反射全吸收装置。该造波系统可根据需要产生不同谱型的不规则波。波浪要素测量采用电容式波高仪，通过DJ800多功能自动采集系统采集波高，最终由计算机形成数据文件。

1.2 模型设计和布置

参照工程实际情况和试验设备，模型按照1 : 20的几何比尺进行设计。试验遵循JTJT 234—2001《波浪模型试验规程》中的相关规定，采用正态模型，按照Froude数相似律设计。

浮箱模型采用硬塑料板制作，单个浮箱的尺寸为长0.78 m、宽0.50 m、高0.20 m。浮箱内采用碎石对浮箱进行压载，以控制浮箱的入水深度。箱内碎石距离底板的高度可由不同厚度的垫板控制，以保证浮箱的重心高度和浮心高度相似。碎石配载完成后箱内碎石表面采用薄塑料板覆盖，以防止浮箱运动时碎石发生晃荡和滑移。前后浮箱采用钢架刚性连接，双浮箱间的水平板或竖直板刚性固定在钢架上以和双浮箱结构组成新的浮堤结构。

采用锚链锚固浮箱时，除了模拟锚链的几何形态，还对锚链的水下受力进行模拟。试验中选用模型直径为3 mm的锚链，锚链的重力和水下合力分别为1.971、1.720 Nm，锚链的抗拉强度为400 MPa。对于本次模型，前后浮箱均采用前后各2根平行的锚链进行锚固，锚链的拖地长度St为0.30 m，锚链导链孔处夹角α为30°。

浮堤模型布置在试验水槽中部，在模型后布置2根波高仪测量透射波高，计算波浪透射系数，波高测点位置与模型的距离均大于1倍波长。在模型前布置3根波高仪测量堤前波高，以根据这3根波高仪测量的波面过程进行入、反射波分离，计算波浪反射系数。模型布置如图1所示。

图1 模型布置

1.3 试验条件和组次

试验水深为0.60 m，采用JONSWAP谱产生不规则波波谱，其有效波高为0.075和0.125 m(2种波高)，试验波浪的周期为0.89～2.01 s(有效波高0.075 m对应0.89～2.01s 共6种周期。由于有效波高0.125 m与平均周期0.89 s组合的波浪已发生破碎、实际不存在，有效波高0.125 m对应1.12～2.01 s共 5种周期)。双浮箱间板的结构形式包括水平板和竖直板。具体试验组次见表1。

表1 试验组次

1.4 波浪数据处理

波浪透射系数是浮式防波堤消浪性能的重要指标，由布置在堤后1倍波长以外的波高仪测得透射波高，波浪透射系数是堤后透射波高与堤前入射波高的比值，计算公式如下：

(1)

式中：Ht为堤后透射波高，对于不规则波取有效波高；Hi为堤前入射波高，对于不规则波取有效波高。

堤前波浪进行入、反射分离采用加拿大的国家研究委员会水力学实验室的Mansard等[14]的方法，该方法需要测量堤前3点处的同步波浪过程，采用最小二乘法进行分析。为得到精确的分析结果，堤前3根波高仪的间距需满足一定的要求，具体可参见文献[14]。按要求在堤前布置3根波高仪，对堤前波浪进行入、反射分离，可得到波浪反射系数Cr。

根据能量守恒原理，波浪入射波能等于反射波能、透射波能和波能损耗3项之和，因此透射系数、反射系数和波能损耗系数满足下式：

(2)

式中：Ct为透射系数；Cr为反射系数；Cs为波能损耗系数。根据式(2)，由Ct和Cr计算出波能损耗系数Cs。

2 试验结果

2.1 水平板对消浪性能的影响

对于双浮箱与水平板组合的浮堤，对在双浮箱间设置不同入水深度(0.0、0.15 m)和开孔情况(不开孔、开孔50%)的水平板时浮堤的消浪性能进行研究，并与双浮箱间无板时浮堤的消浪效果进行对比分析。模型见图2。

图2 双浮箱与水平板组合的浮堤模型

图3为双浮箱间设置水平板时，不同水平板形式(不同入水深度和开孔情况)下浮堤的波浪透射系数Ct随相对宽度WL的变化关系。由图3可见：

1)双浮箱间水平板入水深度为0.0 m(位于水面)时，无论水平板开孔与否，浮堤的波浪透射系数与双浮箱间无板时相比都没有减小、消浪效果均未改善。这是由于浮堤运动时，水平板随浮堤运动会产生较大的辐射波传至堤后，所以消浪效果不理想。

2)整体上水平板开孔时的消浪效果优于水平板不开孔时，尤其在波浪周期较长时。

3)随着水平板入水深度的增大，浮堤的波浪透射系数与水平板入水深度为0.0 m时相比明显减小、消浪效果明显改善，但整体上较双浮箱间无板时，其消浪性能仍无明显提高，在相对宽度较大(即波浪周期较短)时，消浪效果反而变差。为增强水平板的消浪作用需要进一步增大水平板的入水深度。

图3 不同水平板形式下浮堤的波浪透射系数随相对宽度的变化关系

2.2 竖直板对消浪性能的影响

对于双浮箱与竖直板组合的浮堤，对在双浮箱间设置2层多孔竖直板(竖直板高度与浮箱高度相同，为0.20 m，入水深度为0.15 m，开孔率为10.7%)时浮堤的消浪效果进行了研究，并与双浮箱间无板时浮堤的消浪效果进行对比分析。模型见图4。

图4 双浮箱与竖直板组合的浮堤模型

2.2.1 竖直板对波浪透射系数的影响

双浮箱间无板时和设置2层多孔竖直板时浮堤的波浪透射系数Ct的对比关系如图5所示。

图5 双浮箱间无板时和设置2层多孔竖直板时浮堤波浪透射系数的对比关系

由图5可见，与双浮箱间无板时的双浮箱式浮堤相比，双浮箱间设置多孔竖直板时新型浮堤的波浪透射系数均减小，浮堤的消浪效果得到明显改善。试验范围内，2层多孔竖直板使双浮箱式浮堤的波浪透射系数平均减小了9.9%。可见，多孔竖直板可明显提高浮堤的消浪效果，竖直板与水平板相比消浪作用显著，这是由于竖直板增强了波能损耗。

2.2.2 竖直板对波浪反射系数和波能损耗系数的影响

为分析双浮箱间设置多孔竖直板时浮堤的消浪机理，图6、7分别给出了双浮箱间无板时和设置2层多孔竖直板时浮堤的波浪反射系数Cr和波能损耗Cs的对比关系。

图6 双浮箱间无板时和设置2层多孔竖直板时浮堤波浪反射系数的对比关系

图7 双浮箱间无板时和设置2层多孔竖直板时浮堤波能损耗系数的对比关系

由图6可见，与双浮箱间无板时的双浮箱式浮堤相比，双浮箱间设置多孔竖直板时新型浮堤的波浪反射系数均减小。这是由于双浮箱间无板时，透过前浮箱、被后浮箱反射的波浪仍可较多的传至浮堤前，而双浮箱间设置多孔竖直板时，透过前浮箱的波浪在双浮箱间被多孔竖直板结构损耗得较多、传至浮堤前的波浪较少。

由图7可见，与双浮箱间无板时的双浮箱式浮堤相比，双浮箱间设置多孔竖直板时新型浮堤的波能损耗系数均增大。这是由于双浮箱间设置多孔竖直板时，波浪透过前浮箱后在双浮箱间被多孔竖直板损耗得较多。所以，双浮箱间设置多孔竖直板时浮堤消浪效果改善的主要原因是由于双浮箱间的多孔竖直板增强了浮堤的波能损耗。

3 结语

1)对于双浮箱与水平板组合的浮堤，整体上水平板开孔时的消浪效果优于水平板不开孔时，尤其在波浪周期较长时。随着水平板入水深度的增大，浮堤的波浪透射系数明显减小、消浪效果明显改善，但整体上较双浮箱间无板时，其消浪性能仍无明显提高。为增强水平板的消浪作用需要进一步增大水平板的入水深度。

2)与双浮箱间无板时相比，双浮箱间设置多孔竖直板时新型浮堤的波浪透射系数均减小，浮堤的消浪效果均得到明显改善。与双浮箱间无板时相比，双浮箱间设置多孔竖直板时新型浮堤的波浪反射系数均减小、波能损耗系数均增大。双浮箱间设置多孔竖直板时浮堤消浪效果改善的主要原因是由于双浮箱间的多孔竖直板增强了浮堤的波能损耗。

3)双浮箱间设置的多孔竖直板可明显提高浮堤的消浪性能，双浮箱与多孔竖直板可组成新型多孔浮式防波堤结构。