程永舟,楊小樺,黃筱云,3,胡有川

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410004; 3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京江蘇 210098)

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新型透空格柵板式防波堤消浪性能試驗(yàn)

程永舟1,2,楊小樺1,黃筱云1,3,胡有川1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410004; 3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京江蘇 210098)

摘要:為提高透空式防波堤的消浪效果,提出了一種新型透空格柵板式防波堤結(jié)構(gòu)。通過(guò)水槽試驗(yàn),分析了該防波堤的消波性能,探討了上下層平板相對(duì)間距以及格柵板間隙比等參數(shù)對(duì)防波堤透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響。結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)防波堤消波性能良好,且防波堤出水狀態(tài)下的消浪效果要好于淹沒(méi)狀態(tài);隨著相對(duì)板間距的增大,防波堤透射系數(shù)變小;上下層各格柵板間隙比為0. 1 時(shí),防波堤的消波效果最佳。

關(guān)鍵詞:格柵板式防波堤;消波性能;水槽試驗(yàn);透射系數(shù);反射系數(shù)

透空式防波堤是近年來(lái)針對(duì)水體生態(tài)問(wèn)題提出的新型結(jié)構(gòu)防波堤,除滿足防浪的基本功能外,它還能使掩護(hù)區(qū)內(nèi)外水體自由交換。透空式防波堤主要由樁柱基礎(chǔ)和上部防浪結(jié)構(gòu)組成,其中,上部結(jié)構(gòu)用于反射和消減波浪的能量,其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定著防波堤的防波性能。

最簡(jiǎn)單的透空防波堤是邱大洪等[1]提出的單一薄板式結(jié)構(gòu)防波堤。近年來(lái)有些學(xué)者在單層板防波堤的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),如唐琰林等[2]對(duì)雙層板防波堤進(jìn)行了物理試驗(yàn)研究;谷文強(qiáng)[3]研究了雙層開(kāi)孔板防波堤的水動(dòng)力特性;李靖波等[4]通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究了潛式雙層水平板型防波堤消波的經(jīng)驗(yàn)公式;一些學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)的方式分別研究了雙浮箱-雙水平板透空防波堤[5]、圓弧板透空防波堤[6]和T型透空板防波堤[7]的消浪效果。此外,陳旭達(dá)等[8]采用規(guī)則波與不規(guī)則波對(duì)雙層水平板型防波堤進(jìn)行了水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究; Rey等[9]提出了一種淹沒(méi)板式防波堤并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究;Lalli等[10]用數(shù)值計(jì)算方法研究了雙層平板式防波堤的有效性;Chen等[11]對(duì)一種矩形浮箱和水平板組成的防波堤的水動(dòng)力特性進(jìn)行了理論分析研究;Loukogeorgaki等[12]運(yùn)用3種不同的特征函數(shù)方法數(shù)值模擬了雙層浮式水平板防波堤的水動(dòng)力特性;王國(guó)玉等[13]利用數(shù)值模擬方法對(duì)多層板式防波堤進(jìn)行了研究,得出了板厚、相對(duì)板寬、相對(duì)水深對(duì)消波的影響,但沒(méi)給出防波堤板與板之間的距離對(duì)消波的影響。研究表明,多層板型防波堤的消波效果要優(yōu)于單層板防波堤,并能更有效地增加波浪反射和減少波浪透射,但簡(jiǎn)單增加水平板數(shù)量會(huì)帶來(lái)更大工程量和復(fù)雜度,給防波堤的施工及維修帶來(lái)不便。

本文提出一種新型3層格柵板式防波堤結(jié)構(gòu),并通過(guò)物理模型試驗(yàn),獲得不同波況下該防波堤的透射系數(shù)和反射系數(shù),探討該防波堤結(jié)構(gòu)的消波效果,以分析該防波堤上下層平板相對(duì)間距以及格柵板間隙比等尺寸參數(shù)對(duì)消波效果的影響。

1 新型3層格柵板式防波堤結(jié)構(gòu)

在預(yù)制板裝配式防波堤(圖1(a)(c))[14]的基礎(chǔ)上,提出一種新型3層格柵板式防波堤結(jié)構(gòu)(圖1 (b)(d)),考慮到預(yù)制板裝配式防波堤結(jié)構(gòu)上下板的有效作用有限,為增加防波堤對(duì)水體的控制,在上下板中增加了中層板。該防波堤的特點(diǎn)在于每層水平板均可由多個(gè)預(yù)制板裝配而成,預(yù)制板之間存在一定寬度的空隙,且在背浪面有擋板阻擋水體通過(guò)。當(dāng)波浪遇到防波堤時(shí),一部分水體將通過(guò)前端開(kāi)口進(jìn)入防波堤內(nèi)部,另一部分水體則通過(guò)水平板上的空隙進(jìn)入,加上實(shí)體擋板反射回來(lái)的水體,三者將在防波堤內(nèi)部相互干擾,相互沖擊,形成渦流,并消耗大量能量,從而有效削弱了波浪對(duì)防波堤的沖擊作用。預(yù)制板裝配式防波堤用樁基支撐(圖1(a)),施工方便,本結(jié)構(gòu)繼續(xù)沿用(圖1(d))。

試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)不同的波浪參數(shù)(波高H、波周期T、水深h)、格柵板間隙比r(r為格柵板的空隙距離bk與預(yù)制板板寬b之比,即r=bk/ b)、上下層板間距S等,對(duì)防波堤消波特性進(jìn)行分析。

圖1 防波堤結(jié)構(gòu)示意圖

2 物理模型試驗(yàn)

2. 1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

物理模型試驗(yàn)所用的多功能波浪水槽位于長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心,水槽兩側(cè)為透明玻璃,總長(zhǎng)40. 0m、寬0. 8m、深1. 0m,最低工作水深0. 3 m,最高工作水深0. 8m。造波機(jī)后側(cè)水槽末端設(shè)有直立式消能網(wǎng),水槽的另一端設(shè)有消能坡,以消除波浪反射影響。造波控制系統(tǒng)是由大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)的造波系統(tǒng),浪高采集采用電容式浪高儀,型號(hào)為WG-50,精度0. 4%,探測(cè)高度10～20cm,線性度0. 2%,反饋時(shí)間2ms。

2. 2 試驗(yàn)布置

按照重力相似準(zhǔn)則,再綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備條件等因素確定試驗(yàn)參數(shù)。防波堤模型水平板總寬度B=0. 8 m,中層水平板到水底距離q=0. 4 m,格柵板寬度b=0. 025 m,格柵板間隙比r=0～0. 2(圖2)。模型布置于水槽中間位置,距離造波板約20 m。試驗(yàn)共布置6臺(tái)浪高儀(圖2),1號(hào)浪高儀布置在距離造波板前端10m處;2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)浪高儀分別位于距模型前端2. 7 m、2. 3 m、2. 0 m處;5號(hào)浪高儀布置在距模型后端3. 0 m處,5號(hào)與6號(hào)浪高儀間距1. 0 m。試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理,波浪歷時(shí)過(guò)程采樣間隔為0. 02 s。

3 防波堤消浪效果分析

3. 1 相對(duì)波長(zhǎng)對(duì)透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響

根據(jù)5號(hào)浪高儀測(cè)得的波浪歷時(shí)過(guò)程線,由計(jì)算分析處理得到透射波高;對(duì)于2號(hào)和3號(hào)浪高儀測(cè)得的波面過(guò)程線,由Goda[15]兩點(diǎn)法分離出反射波高與入射波高,進(jìn)而求出防波堤透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖(單位:m)

在給定水深h = 0. 5 m、上下層平板相對(duì)間距S/ h=0. 4、上下層格柵板間隙比r均為0. 1的情況下,取4個(gè)相對(duì)波高(H/ h=0. 16、0. 20、0. 27、0. 33)進(jìn)行試驗(yàn),分析防波堤對(duì)不同波長(zhǎng)波浪的消波效果。圖3給出了透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr與相對(duì)波長(zhǎng)L/ B之間的關(guān)系。從圖3(a)可以看出, Kt與L/ B基本呈線性關(guān)系,即隨著波長(zhǎng)增加,防波堤的消波效果逐漸減弱。當(dāng)L/ B＜4時(shí),Kt＜0. 5,當(dāng)L/ B＞4時(shí), Kt＜0.6,說(shuō)明該防波堤結(jié)構(gòu)具有較好的消浪效果。圖3 (b)則給出了L/ B增大引起的Kr變化,可以看出L/ B＞4時(shí),Kr明顯減小,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)波反射作用小。

圖3 Kt和Kr隨L/ B的變化

3. 2 相對(duì)水深對(duì)透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響

為分析不同相對(duì)水深h/ q下防波堤的消波效果,選取3種相對(duì)水深h/ q=1. 125、1. 250、1. 375進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中,相對(duì)波高H/ h=0. 13,采用的周期T=1. 4 s、1. 6 s、1. 8 s、2. 0 s。圖4給出了防波堤透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr隨相對(duì)水深h/ q的變化情況。從圖4(a)可以看出,隨著h/ q增大Kt逐漸增大,當(dāng)h/ q＜1. 25時(shí),Kt＜0. 55,說(shuō)明防波堤上層水平板處于出水狀態(tài)時(shí),防波堤的消波效果較好,而上層水平板處于淹沒(méi)狀態(tài)時(shí),防波堤的消波效果較差,波浪周期越大,消波效果越差;從圖4(b)可以看出Kr隨著h/ q的增大而減小,且對(duì)于同一相對(duì)水深,周期大的波浪,防波堤前產(chǎn)生的反射波高小。

圖4 Kt和Kr隨h/ q的變化

3. 3 上下層平板相對(duì)間距對(duì)透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響

為考察上下層平板相對(duì)間距S/ h對(duì)防波堤消波效果的影響,選取S/ h=0、0. 2、0. 3、0. 4這4種情況進(jìn)行試驗(yàn),其中,S/ h=0相當(dāng)于單層板的情況,上下層各格柵板的間隙比r均為0. 1,中層格柵板與水槽底部的距離始終為0. 4 m,水深h =0. 5 m,波高H = 0. 08 m,給定的波周期T = 1. 4 s、1. 6 s、1. 8 s、2. 0 s。圖5給出了防波堤透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr與上下層平板相對(duì)間距S/ h的關(guān)系。從圖5(a)可以看出,隨著S/ h的增大,Kt將減小,當(dāng)S/ h＞0. 4時(shí),Kt＜0. 55;從圖5(b)可以看出,Kr同樣隨S/ h的增大而減小。主要原因是:一方面由于上下層平板相對(duì)間距增大,波浪能夠進(jìn)入到防波堤內(nèi)部,而防波堤內(nèi)部復(fù)雜的水體運(yùn)動(dòng)耗散掉大部分波能,使得反射波高減小;另一方面,防波堤后方擋板面積增大使得堤后波浪波高變小。

圖5 Kt和Kr隨S/ h的變化

3. 4 格柵板間隙比對(duì)透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響

試驗(yàn)中取水深h=0. 5 m,波高H=0. 13 m,周期T=1. 2 s、1. 4s、1. 6s、1. 8s、2. 0s,模型水平板總寬度B=0. 8 m,取上下層平板相對(duì)間距S/ h=0. 25。圖6給出了格柵板間隙比r = 0、0. 1、0. 2時(shí)防波堤的透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr。從圖6(a)可以看出, r= 0. 1時(shí),Kt最小,且對(duì)于T＜2. 0 s的波浪,Kt仍小于0. 55,得到較好的消波效果,說(shuō)明r = 0. 1是消波效果最佳的間隙比值;從圖6(b)可以看出,Kr隨r增大而逐漸減小,這是因?yàn)檩^大的格柵板間隙比使得波能耗散增大,從而使反射波高減小。

圖7給出了分別改變上層格柵板和下層格柵板的間隙比rt、rb時(shí)防波堤的透射系數(shù)Kt和反射系數(shù)Kr變化情況。從圖7(a)可以看出,只增大rt,對(duì)于L/ B＜3. 5的波浪,Kt有所增大,對(duì)于L/ B＞3. 5的波浪,Kt則基本不變,表明rt變化只對(duì)波長(zhǎng)較短波浪的消弱效果有影響;而只增大rb,Kt基本保持不變,說(shuō)明下層格柵板間隙比變化對(duì)防波堤的消波效果基本無(wú)影響。從圖7(b)可以看出,與透射系數(shù)相比,改變上下層格柵板間隙比使防波堤反射系數(shù)變化增大。當(dāng)rt增大后,L/ B＜3的波浪遇到防波堤后所形成的反射波高減小,波長(zhǎng)越小,防波堤對(duì)反射波高抑制越明顯;而當(dāng)rb增大后,對(duì)反射波高的抑制作用更加明顯,反射波高最大可以抑制到原來(lái)的一半左右。

圖6 Kt和Kr隨r的變化

圖7 不同上下層格柵板間隙比組合下Kt和Kr隨L/ B的變化

4 結(jié) 論

a.新型透空格柵板式防波堤結(jié)構(gòu)消浪效果較好,即使相對(duì)波長(zhǎng)L/ B達(dá)到4時(shí),防波堤透射系數(shù)仍小于0. 5;防波堤出水狀態(tài)下的消浪效果要好于淹沒(méi)狀態(tài)下的效果,且透射系數(shù)隨出水高度增加而減小。

b.上下層板間距對(duì)防波堤消波效果有較大影響,防波堤透射系數(shù)隨上下層平板相對(duì)間距S/ h增大而減小,且當(dāng)S/ h＞0. 4時(shí),透射系數(shù)將小于0. 55。

c.防波堤上下層各格柵板間隙比對(duì)防波堤透射系數(shù)和反射系數(shù)有影響,最佳間隙比為0. 1;上層各格柵板的間隙比對(duì)透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響要大于下層各格柵板的間隙比。

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Experimental study on wave-dissipating performance of a new grille plate-type open breakwater

/ / CHENG Yongzhou1,2, YANG Xiaohua1, HUANG Xiaoyun1,3, HU Youchuan1(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha Uniυersity of Science & Technology, Changsha 410004, China; 2. Key Laboratory of Water & Sediment Science and Water Hazard Preυention of Hunan Proυince, Changsha 410004, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai Uniυersity, Nanjing 210098, China)

Abstract:In order to improve the wave-dissipating performance, a new grille plate-type open breakwater is presented. Based on flume experiments, the wave-dissipating performance of this breakwater was analyzed, and the influence of parameters, including the relative spacing between the upper and lower plates and the gap ratio of the grille plate, on the transmission coefficient and reflection coefficient were investigated. The results show that the wave-dissipating performance of this breakwater is satisfying, and it is better when the breakwater is above the still water level than when the breakwater is submerged; the transmission coefficient of this breakwater decreases with the increase of relative plate spacing; and the breakwater performs best at a gap ratio of the top and bottom plates of 0. 1.

Key words:grille plate-type breakwater; wave-dissipating performance; flume experiment; transmission coefficient; reflection coefficient

(收稿日期:2014- 11 27 編輯:熊水斌)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 006

作者簡(jiǎn)介:程永舟(1974—),男,教授,博士,主要從事波浪、水流及邊界相互作用研究。E-mail:13786191344@163. com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(41176072,51109018);水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2014SS04)

中圖分類號(hào):U656. 2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647(2016)02- 0030- 05