陳大明，雷振國，孫洋波，翁友法

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200032；2.上海建惠建設(shè)咨詢有限公司，上海 200002）

作為防波堤、護(hù)岸工程的一個重要組成部分，護(hù)面塊體的設(shè)計、選擇等是防波堤、護(hù)岸工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，護(hù)面塊體的水力性能將直接關(guān)系到防波堤、護(hù)岸等結(jié)構(gòu)物的安全、堤身斷面大小、堤頂高低等。因此，研究穩(wěn)定性好、反射小、爬高低、經(jīng)濟(jì)且易施工的護(hù)面塊體是一個重要的技術(shù)課題[1-2]。目前，用于斜坡式防波堤的護(hù)面消浪塊體已有100余種[3]。然而，前人研究的多種護(hù)面塊體的形式已逐漸不能適應(yīng)某些復(fù)雜的地質(zhì)及氣候環(huán)境[4]。而新型消浪板結(jié)構(gòu)正是在這種情況下進(jìn)行的研究，提出新的結(jié)構(gòu)體系來解決斜坡式防波堤表面的消能和受力問題，該結(jié)構(gòu)主要包括上層開孔板和下層實心板兩部分，通過波浪與開孔以及雙層板之間的相互作用來消能，根據(jù)之前的分析研究，該消浪板結(jié)構(gòu)具有較好的消能效果[5]，因此本文主要研究在波浪作用下結(jié)構(gòu)的水動力特性。

1 試驗方法

本次模型試驗在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程試驗室的波浪水槽中進(jìn)行。點壓強(qiáng)和波高的量測均采用水利部北京水利水電研究院的DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)及其配套的傳感器、浪高儀。其中點壓強(qiáng)傳感器的量程為10 kPa。試驗遵循《波浪模型試驗規(guī)程》[6]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

進(jìn)行波浪模擬試驗時，在模型斷面的中心軸線處放置浪高儀，調(diào)整水槽中的水位至所設(shè)定的值后進(jìn)行造波試驗，測定原始波高。由計算機(jī)完成選定分析和采樣工作。規(guī)則波試驗的實測波高、周期和目標(biāo)平均波高、周期的偏差控制在士5%以內(nèi)。

根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》[8]，在試驗中規(guī)則波采樣每秒30次，采集20 s。

每組試驗重復(fù)3次，取其平均值作為最終試驗結(jié)果。

在每組模型試驗中，需要進(jìn)行以下三方面的實測：入射波高與反射波高、波浪爬高與回落深度以及堤身點壓強(qiáng)。其中入射波高與反射波高是在造波機(jī)和堤前設(shè)定的距離各擺放一臺浪高儀。波浪爬高與回落深度的測量是在開孔板兩端設(shè)置標(biāo)尺，試驗過程進(jìn)行錄像，然后通過計算機(jī)分析出讀數(shù)。堤身的點壓強(qiáng)是在堤身的設(shè)定部位開孔，將點壓強(qiáng)傳感器置于其中測得。

測點壓強(qiáng)的模型共安裝8個點壓強(qiáng)傳感器（每種試驗?zāi)Ｐ偷狞c壓強(qiáng)的測試個數(shù)、位置相同）。傳感器的位置如圖1～4所示。在上層板上，安放4個點壓強(qiáng)傳感器（1～4號）；在底層板上安放了4個點壓強(qiáng)傳感器（5～8號），這4個傳感器的位置正好與上層板的開孔位置對應(yīng)，以便測得底板受到的波浪力。

圖1 開孔直徑為5 cm的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖2 開孔直徑為10 cm的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖3 開孔為橢圓孔的模型傳感器布置圖（單位：cm）

圖4 底板傳感器布置圖（單位：cm）

2 試驗?zāi)Ｐ图安贾?/h2>

模型試驗幾何比尺λl取為1∶10，模型采用有機(jī)玻璃制成，寬度為80 cm（略小于水槽寬度），縱向長90 cm，板厚度為3 cm，兩層板間距取10 cm，坡度為1∶1.5，試驗水深為33 cm，開孔板開孔分別取5 cm和10 cm的圓孔以及橢圓孔。橢圓開孔形式結(jié)構(gòu)模型立體圖如圖5所示。

圖5 模型立體圖

為了盡量減小波浪反射對試驗的影響，除堤后設(shè)有消波裝置（消能網(wǎng)）外，試驗時將模型放置在水槽中后部，距離造波板足夠遠(yuǎn)的地方，保證模型處不會受二次反射波浪的影響。距離造波機(jī)10 m處放置1號浪高儀，距離堤前2 m處放置2號浪高儀，模型在水槽中的布置如圖6。

圖6 試驗水槽及模型布置圖

3 點壓強(qiáng)

各個點壓強(qiáng)測點的具體位置（如圖1～4所示）。本次對點壓強(qiáng)進(jìn)行測量時，無論是不同開孔形式還是不同波要素情況下，其測點的相對位置不變。本文以規(guī)則波為例，對消浪板結(jié)構(gòu)的點壓強(qiáng)進(jìn)行分析比較。

消浪板結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下的點壓強(qiáng)值如表1，圖7列出了部分測點上的點壓強(qiáng)過程線。從以上圖表中可以看出，規(guī)則波作用時各種條件下結(jié)構(gòu)上的點壓強(qiáng)有以下的特點。

表1 規(guī)則波作用下各種結(jié)構(gòu)形式點壓強(qiáng)的比較 kPa

續(xù)表1 kPa

續(xù)表1 kPa

1）無論哪種開孔形式，上層板各測點上的壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測點（為3號測點）。向下隨著入水深度的增加，點壓強(qiáng)有規(guī)律地減?。混o水面以上的點壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。

2）壓強(qiáng)具有尖陡的峰值和短暫的作用時間，體現(xiàn)了近破波的性質(zhì)。除個別情況，壓強(qiáng)時間過程線相對平穩(wěn)，不同時刻采集的壓強(qiáng)最大值相差不是很大，有些情況下甚至很接近。

圖7 消浪板結(jié)構(gòu)上部分測點點壓強(qiáng)時間過程線（橢圓形開孔結(jié)構(gòu)，波高H=0.15 m，周期T=1.00 s）

3）上層板上的1號測點，在一些小波（波高較小的波浪）作用下未能作用到該測點，并且還有少量大波（波高較大的波浪）在周期較大時也未能作用到該測點。而對于相同波高和周期情況下，相對開孔較小時，上層板上的1號測點有點壓強(qiáng)存在，這說明相對開孔較小時波浪爬高較大，能作用到該測點，從而可得出相對開孔較小時結(jié)構(gòu)的消能效果相對較差。

4）在相同波高和周期情況下，相對開孔較小時板上的點壓強(qiáng)值要比相對開孔較大時板上的點壓強(qiáng)值大，尤其是1號和2號測點，不同開孔狀態(tài)下，點壓強(qiáng)相差較大。測試結(jié)果證明，橢圓形開孔的消浪板結(jié)構(gòu)不僅具有較好的消能效果，而且其上層板表面受到的波壓力也較小。

5）對于底板，與上層板開孔相對應(yīng)的位置上布置了5號、6號、7號和8號測點，從上層板開孔射入箱室的水體直接作用于與開孔相對應(yīng)的底板測點上，加上進(jìn)入箱室的波能擴(kuò)散受阻，從而導(dǎo)致底板測點壓強(qiáng)較大。從表1中可以看出，底層板上的點壓強(qiáng)值一般都比與之相對應(yīng)的上層板上的點壓強(qiáng)值大。

此外，對于相同波高和周期情況下，不同開孔形式的消浪板結(jié)構(gòu)的底層板上的點壓強(qiáng)值相差較大，以橢圓形開孔結(jié)構(gòu)底層板上的點壓強(qiáng)值最大（7號和8號測點），而且其點壓強(qiáng)作用范圍也最大，這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對較大。

根據(jù)研究，相對開孔是影響消浪板結(jié)構(gòu)消能效果的最主要因素，消能系數(shù)隨相對開孔的增大而明顯增大，即相對開孔越大，結(jié)構(gòu)的消能效果越好[7]；然而，從波浪作用下結(jié)構(gòu)承載能力角度看，應(yīng)該盡量減小底層板上受到的波壓力，這就限制了對結(jié)構(gòu)開孔的設(shè)計，并非相對開孔尺寸越大越好，因此綜合考慮消能和受力兩方面因素，確定采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式，既有好的消能效果，也能夠滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。

4 壓強(qiáng)包絡(luò)圖

將各個測點的壓強(qiáng)峰值取平均值后，繪制出不同波要素情況下的壓強(qiáng)包絡(luò)圖。部分壓強(qiáng)包絡(luò)圖如圖8所示。表2列出了不同波要素以及不同開孔條件下，1～4號測點的點壓強(qiáng)值。從包絡(luò)圖可以看出，無論何種波要素情況下，點壓強(qiáng)的最大值都出現(xiàn)在靜水面附近，隨著水深的增加，其壓強(qiáng)值隨之減小，靜水面以上的點壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。但是就靜水面附近的點壓強(qiáng)值而言，不同開孔形式的結(jié)構(gòu)，在波要素一致的情況下，其點壓強(qiáng)值相差不大，比較接近。隨著波高的增大，靜水面附近的點壓強(qiáng)值明顯變大。

圖8 橢圓開孔結(jié)構(gòu)上層板點壓強(qiáng)包絡(luò)圖（單位：kPa）

表2 規(guī)則波作用下橢圓開孔結(jié)構(gòu)各測點的點壓強(qiáng)值kPa

5 總力

本文所討論的總力是指在不同波要素下，消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的總力大小，由點壓強(qiáng)積分所得（根據(jù)壓強(qiáng)包絡(luò)圖），其最大值和平均值如表3所示。雖然通過這種方式得到的總力和結(jié)構(gòu)所受的實際總力存在一定的誤差，但是用來表示不同開孔形式的結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受總力的不同，具有相對的合理性。

綜合考慮消能和受力兩方面原因，最終確定開孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式[5]。因此，表3中列出的是橢圓形開孔結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受的總力。

表3 規(guī)則波作用下結(jié)構(gòu)受到的總力

由表3可知，結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小隨著波高的增加而增大，同時，在波高相同時，總力值的大小還受波長、相對板寬和波陡等因素的影響。在相同波要素情況下，除個別情況（總壓力值的最大值和平均值相差達(dá)35.85%），總壓力值的最大值和平均值相差不是很大，最大可達(dá)到18.31%，而最小僅有4.88%。最大值和平均值相差不大，這說明在波浪沖擊消浪板結(jié)構(gòu)時，雖然由于波浪的破碎而造成沖擊，但不會經(jīng)常出現(xiàn)過大的瞬時壓力，這樣對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和承載力的計算提供了很多方便。

需要說明的是這里分析的總力，是指開孔消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的波壓力，而不包括波浪通過開孔進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部后到達(dá)底層板，同時引起的能量集中，產(chǎn)生較大的瞬時壓強(qiáng)。這是因為所研究的在波浪沖擊作用下，結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足要求，主要是針對上層板而言。雙層開孔消浪板結(jié)構(gòu)是一個整體，上層板受到的波壓力的總和遠(yuǎn)大于底層板，因此需要計算結(jié)構(gòu)的上層板在最大波壓力作用下承載力是否滿足，而對于穩(wěn)定性的計算，則需要整體結(jié)構(gòu)都能夠滿足穩(wěn)定性的要求。

6 結(jié)語

本文重點對消浪板結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下的點壓強(qiáng)和總力的大小以及分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并且將不同開孔形式下結(jié)構(gòu)的點壓強(qiáng)和總力進(jìn)行比較，得出以下規(guī)律：

1）在點壓強(qiáng)方面，由于波浪的波要素和結(jié)構(gòu)形式的不同，導(dǎo)致了各個測點點壓強(qiáng)值和分布規(guī)律有所不同。但是無論哪種開孔形式以及波要素下，上層板各測點上的壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測點（為3號測點）。向下隨著入水深度的增加，點壓強(qiáng)也有規(guī)律地減??；靜水面以上的點壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。

2）由于波浪通過上層板的開孔進(jìn)入到消浪板結(jié)構(gòu)的箱室內(nèi)之后，在與上層板開孔位置相對應(yīng)的底板上產(chǎn)生了較大的壓強(qiáng)峰值。對于相同波高和周期情況下，以橢圓形開孔結(jié)構(gòu)底層板上的點壓強(qiáng)值最大，而且其點壓強(qiáng)作用范圍也最大，這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對很大。這樣，在考慮增大結(jié)構(gòu)開孔率以便提高結(jié)構(gòu)消能效果的同時也要考慮底層板的受力，在保證具有好的消能效果的同時，也要兼顧結(jié)構(gòu)的受力要求。本文綜合考慮消能和受力兩方面因素，認(rèn)為開孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式較好。

3）通過對各個測點的點壓強(qiáng)進(jìn)行同步積分得到結(jié)構(gòu)上層板受到的總力。經(jīng)過分析研究，結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小受到波高、波周期、波陡、相對板寬、開孔率、上層板與底板間距離等要素的影響。作為一種新型消浪結(jié)構(gòu)，用于工程實踐應(yīng)需進(jìn)行進(jìn)一步試驗研究。

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