金 濤，上官子昌，張 夢

（大連海洋大學(xué)，海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

一種半潛式結(jié)構(gòu)消浪特性研究

金 濤，上官子昌*，張 夢

（大連海洋大學(xué)，海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

本文針對一種由廢舊輪胎組成的半潛式結(jié)構(gòu)，通過物理模型試驗，對其在單頻規(guī)則波作用下的消浪特性進行了研究，分析了透射系數(shù)隨寬度、吃水、水平凈間距等因素的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：透射系數(shù)在相對寬度大于0.6時隨寬度的增大而減小，隨吃水深度的增大而減小，水平間距的影響規(guī)律不是很明顯。

物理模型試驗；透射系數(shù)；半潛式；規(guī)則波；廢舊輪胎

隨著海洋工程逐步向深水發(fā)展，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式消浪結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用受到一定的限制，新型消浪結(jié)構(gòu)物優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。近幾年，新型消浪結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用越來越引起人們的重視，因為它不破壞水域的整體性和生態(tài)環(huán)境，不改變水流和泥沙運動條件的特點，特別適合需要消浪的深水水域[1]。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，汽車數(shù)量不斷增多，廢舊輪胎的回收利用問題越來越嚴重，考慮到輪胎比較經(jīng)久耐用、綠色環(huán)保，因此對一種由廢舊輪胎組成的半潛式結(jié)構(gòu)的新型消浪結(jié)構(gòu)物的研究不失為一種前沿性的研究。

目前國內(nèi)外學(xué)者主要針對由廢舊輪胎制成的浮式防波堤進行了研究，對廢舊輪胎浮式防波堤的研究開始于20世紀60年代末，大部分研究工作基于現(xiàn)場和原型試驗：1968年美國陸軍工程水道實驗站在Vicksburg做了Wave-maze型廢舊輪胎浮式防波堤現(xiàn)場試驗[2-3]；1978年國外學(xué)者Giles等進行了全相似的Goodyear型廢舊輪胎浮式防波堤試驗研究[4]；1982年Harms等在美國陸軍海岸工程研究中心進行了全相似Wave-guard型結(jié)構(gòu)的試驗研究[5]，并已陸續(xù)應(yīng)用到實際工程中。國內(nèi)學(xué)者吳維登等對鋼管輪胎浮式防波堤的一些影響因子進行了物理模型試驗[6]，結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)的相對寬度、剛度、吃水深度、傾斜、胸墻及其擺放位置、檔浪面積、自振頻率都會影響浮式防波堤的消浪效果。另外張余等對廢舊輪胎浮式防波堤進行了物理模型試驗研究[7]，結(jié)果表明輪胎浮式防波堤結(jié)構(gòu)消浪性能的主要影響參數(shù)是浮堤的相對寬度，隨著相對寬度的增加，消浪效果增加。

綜上所述，在海洋消浪結(jié)構(gòu)物中對廢舊輪胎為主要材料的半潛式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究比較少見，因此為了了解半潛式廢舊輪胎結(jié)構(gòu)的消浪特性，掌握影響其消浪效果的因素，本文針對相對寬度、相對吃水深度、相對水平凈間距等因素對消浪效果的影響進行了物理模型試驗，了解在規(guī)則波作用時該半潛結(jié)構(gòu)的消浪性能，得到的相關(guān)結(jié)論可為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)備和測量儀器

試驗是在大連海洋大學(xué)海岸和近海工程省重點實驗室的波浪水槽(長40 m，寬0.7 m，深1 m)中進行的。水槽一端裝有造波機，可產(chǎn)生波形平穩(wěn)、重復(fù)性好的單向規(guī)則波和不規(guī)則波，由微機系統(tǒng)控制并進行試驗數(shù)據(jù)的自動采集和分析，水槽另一端設(shè)有消能網(wǎng)，用以吸收波浪能量以減少波浪反射。波浪的測量采用DS30型64通道浪高儀，儀器和設(shè)備在試驗前進行標定，能夠滿足穩(wěn)定性和靈敏度的要求。

1.2 試驗波浪要素

本試驗考慮實驗室設(shè)備條件、造波機能產(chǎn)生的最大波高且保證波浪基本上不破碎等因素，試驗波浪要素見表1。

表1 試驗波浪參數(shù)

1.3 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

結(jié)合水工物理模型試驗相似準則與水槽及模型尺寸情況，確定試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?:20。模型中的輪胎采用硬度70的天然橡膠制成，輪胎的主要參數(shù)見表2。用扎帶做綁扎材料，將9個輪胎模型串成1排，并列12排，合計108個模型輪胎組成基本單元寬度B=0.84 m的試驗?zāi)Ｐ?，如圖1所示。為減小模型由于初始浮力產(chǎn)生的平面變形，在模型底面布置鋼筋網(wǎng)，以增加其整體性。其中每個輪胎以100%的填充率填充泡沫材料，由于模型的迎浪面積較小，所承受的水平力較小，可使得錨固系統(tǒng)得到簡化，所以試驗中該模型采用向內(nèi)側(cè)錨泊的方式，錨泊系統(tǒng)中錨固材料考慮彈性相似和重力相似準則，采用錨繩來錨固模型，其中模型底部通過錨繩和鉛塊連接，錨繩的彈性相似采用螺旋彈簧來滿足，即在錨繩的底部加上一段彈簧來模擬錨繩的彈性。為了減少模型的自由度，模型在迎浪側(cè)和背浪側(cè)端部及中部對稱布置3根錨繩（共6根），在寬度方向中間部位布置3根錨繩。

圖1 輪胎模型俯視圖

表2 輪胎主要參數(shù)

1.4 模型整體布置

試驗水槽一端是液壓造波機，另一端是消波網(wǎng)，用來吸收波浪能量以減少反射。模型在水槽中的布置見圖2，入射波高由計算機自動控制，模型前后各放置兩個波高儀，用以測量波高的變化，模型前放置1#浪高儀，且浪高儀距模型前段1.8 m；模型后放置3#和4#浪高儀，兩者相距0.7 m，3#波高儀距模型后端1.85 m，用以測量波高的變化。試驗數(shù)據(jù)全部由計算機自動采集和處理，波浪時間過程采樣間隔為0.02 s，每次試驗當波浪穩(wěn)定后才開始采集，采集1024個時間點，每組試驗至少重復(fù)3遍，結(jié)果取平均值。

圖2 試驗布置圖

2 試驗結(jié)果分析

分析試驗數(shù)據(jù)，討論半潛式廢舊輪胎消浪結(jié)構(gòu)特性，即波浪透射系數(shù)Kt=Ht/Hi的試驗結(jié)果，Hi為入射波高，未放置模型前由造波機生成并在消浪結(jié)構(gòu)物前測量；Ht為經(jīng)由消浪結(jié)構(gòu)物作用后的波高。根據(jù)保存文件驅(qū)動造波機產(chǎn)生所需的波浪要素，待波浪穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)，每次試驗之前等水面平靜后再繼續(xù)造波，以消除波浪的多次反射。每一組次試驗重復(fù)進行3次，再取其平均值作為最終結(jié)果以消除誤差。試驗中使用的參數(shù)和相關(guān)符號[7]見表3。

表3 試驗相關(guān)符號

2.1 相對寬度B/L對透射系數(shù)的影響

水深不變（d=0.5 m），在波高分別為0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m情況下，改變吃水深度，分別取0.05 m、0.09 m、0.12 m；改變周期，分別取0.8 s、0.9s、1.0s、1.1s；改變寬度，分別取0.84 m、1.68 m、2.52 m。

圖3給出三種吃水深度情況下，透射系數(shù)隨相對寬度的變化曲線。可以看出，不同波高時，在三種吃水深度情況下，透射系數(shù)隨相對寬度B/L的變化趨勢相同，在相對寬度大于0.6時，都是透射系數(shù)基本上隨著相對寬度B/L的增大而減少。在相對寬度B/L小于0.6時，透射系數(shù)隨相對寬度在增大，這是因為當模型的寬度小于波長時，波長越大，波浪很容易越過模型。在相對寬度B/L由1.8增大到2.1的過程中，透射系數(shù)到達最小值，說明在規(guī)則波作用下，通過增大模型相對寬度B/L，可以減小波浪越過模型，到達很好的消浪效果。此外，更為重要的一個現(xiàn)象是，該模型對于短波的消浪效果比長波的消浪效果要好，這與張美林等[9]試驗結(jié)果類似。

圖3 透射系數(shù)隨相對寬度B/L變化

2.2 相對吃水深度q/L對透射系數(shù)的影響

水深不變（d=0.5 m）,在波高分別為0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m情況下，改變吃水深度，分別取0.05 m、0.09 m、0.12 m；改變周期，分別取0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s；改變寬度，分別取0.84 m、1.68 m、2.52 m。圖4給出三種寬度情況下，不同相對波高時透射系數(shù)隨相對吃水深度的變化曲線?？梢钥闯觯涸趯挾菳=0.84 m時，相對吃水深度對透射系數(shù)的影響不明顯，這是因為模型的寬度小于波長時，隨著相對吃水深度的增加，波浪都會越過模型，所以消浪效果不明顯。在寬度B=1.68 m和B=2.52 m時，透射系數(shù)隨相對吃水深度q/L的變化趨勢相同，在吃水深度q/L由0.04增大到0.05時，透射系數(shù)到達最小值，這是因為對于淺水，由于淺水效應(yīng)，波能能量可分布在整個水深范圍內(nèi)（大部分集中在水面附近）。此外，更為重要的一個現(xiàn)象：該模型對于單頻波而言，透射系數(shù)隨相對吃水深度的增加（相對吃水深度在0.02～0.12范圍內(nèi)變化時）呈現(xiàn)波動，這是因為對單頻波浪而言波浪本身的特性也影響著模型的消浪效果。

圖4 透射系數(shù)隨相對吃水深度q/L變化

2.3 相對水平凈間距S/L對透射系數(shù)的影響

水深不變（d=0.5 m），在波高分別為0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m情況下，改變吃水深度，分別取0.05 m，0.09 m，0.12 m；改變周期，分別取0.8s、0.9 s、1.0 s、1.1s；改變兩排模型（每排模型寬B=0.84 m）水平凈間距，分別取0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m。圖5(a)(b)(c)為在三種吃水深度情況下，透射系數(shù)隨相對水平凈間距S/L的變化曲線，從圖中可以看出透射系數(shù)Kt與S/L之間呈非線性關(guān)系[10]，但是這種變化趨勢不明顯，說明改變水平凈間距S/L都對消浪效果沒有太大的影響，這是因為每排模型的寬度（B=0.84 m）小于波長(Lmin=1.0 m)，當它們有間距時波浪很容易越過模型。圖5（d）為在吃水深度q=0.05 m和寬度B=1.68 m，改變周期分別為0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s時，透射系數(shù)隨相對寬度B/L的變化曲線，由圖4(a)(d)可以看出模型呈整體性（B=1.68 m）比分開成兩個等寬度有間距的消浪效果比較好，這是因為在相同波況下，改變水平凈間距只是改變模型的前后距離，模型的相對寬度并沒有改變，而模型寬度比波長短時，消浪效果比較差。

圖5 透射系數(shù)隨相對水平凈間距S/L變化

2.4 波陡H/L對透射系數(shù)的影響

水深（d=0.5 m）和寬度(B=1.68 m)不變,在吃水深度分別為0.05 m，0.09 m，0.12 m情況下，改變波高，分別取0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m；改變周期，分別取0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s；圖6給出了在四種周期下，不同相對吃水深度時透射系數(shù)隨波陡H/L的變化曲線，由圖可見隨著波陡H/L的增大，透射系數(shù)Kt呈先減小后增大的趨勢，但是變化的范圍很小都在10%之內(nèi)，所以波陡H/L對透射系數(shù)Kt的整體影響不是很明顯，這是因為當吃水深度超過波高的50%時，波高對透射系數(shù)的影響不是很大[11]。

圖6 透射系數(shù)隨波陡H/L變化

3 結(jié)論

本文通過物理模型試驗得出了在不同規(guī)則波波要素情況下的透射系數(shù)Kt，用以研究半潛式廢舊輪胎消浪結(jié)構(gòu)的特性，發(fā)現(xiàn)此模型確有較佳的消浪效果。

（1）相對寬度對透射系數(shù)有很大的影響，在相對寬度B/L大于0.6時，隨著寬度的增加，模型的消浪效果越好，因此增大模型的寬度是提高模型消浪效果最重要的因素。

（2）該模型在寬度B=0.84 m時，相對吃水深度對透射系數(shù)的影響不明顯，在寬度B=1.68 m和B=2.52 m時，透射系數(shù)隨相對吃水深度q/L的變化趨勢相同，在吃水深度q/L由0.04增大到0.05時，透射系數(shù)到達最小值。對于淺水效應(yīng)，入水深度的增加消浪效果會很不明顯，因此減少入水深度，可以有效提高消浪性能，減小透射系數(shù)。

（3）相對水平凈間距對透射系數(shù)的影響規(guī)律不是很明顯。反而沒有整體性的消浪效果好。

（4）在模型潛入水中時，入水深度大于波高50%時，波陡H/L對透射系數(shù)的影響不是很大，這與前人做的試驗類似。

[1]董國海,鄭艷娜,李玉成,等.板-網(wǎng)結(jié)構(gòu)浮式防波堤消浪性能的試驗研究[J].工程力學(xué),2006(7):142-146.

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Study on Dissipating Characteristics of a Semi-submersible Structure

JIN Tao,SHANGGUAN Zi-chang*,ZHANG Meng
(College of Ocean and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

In this paper,considering the semi-submersible structure being made of a kind of discarded tires,physical model tests were conducted.Its wave dissipation characteristics in regular waves were studied;the variation trends of the transmission coefficient were analyzed with the variety of width,draft,net horizontal spacing and other factors of the structure.The results show that the transmission coefficient decreases with the increase of the width when the relative width is larger than 0.6,and decreases with the increase of the draft,and there is not an obvious relationship with the variety of the horizontal space.

physical model test;transmission coefficient;Semi-submersible;regular wave;discarded tires

U653.4

：A

：1008-2395(2016)06-0039-06

2016-09-30

國家藍色學(xué)科（34/100713025）。

金濤（1987-），男，碩士研究生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)工程。

上官子昌（1959-），男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：水工結(jié)構(gòu)工程研究。