董華洋，王永學，陳燕珍

（1.國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧　大連　116001；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧　大連　116024）

錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤試驗研究

董華洋1，2，王永學2，陳燕珍1

（1.國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧大連116001；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024）

文章通過物理模型試驗，對一種新型浮式防波堤即錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系數及其影響因素進行研究。主要探討改變水平板層數和浮箱吃水深度（即相對吃水）對錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤透射系數的影響。試驗結果表明，錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系數要小于相同錨泊方式的單一浮箱浮堤模型的透射系數。此外，浮堤模型的吃水深度對透射系數有重要影響，吃水深度大，消波效果好。

浮式防波堤；水平板；物模試驗；錨鏈錨泊

0　引言

浮式防波堤主要是利用其浮體部分消減集中在水體表面2~3倍波高厚度水層內的波能。其優(yōu)點包括[1-2]：造價低廉，易于海水交換，適宜軟土地基，同時具有工期短、易拆卸等特點。因此浮式防波堤可用于海上工程施工現場的掩護、水產養(yǎng)殖設施的保護等，兼具保持良好水質交換和節(jié)省投資的雙重效果。

學者們對不同型式的浮式防波堤的消波性能進行了研究。王環(huán)宇和孫昭晨[3]提出了由多菱形模塊拼裝而成的多孔浮式防波堤結構并對該結構進行物理模型試驗。試驗結果表明，該結構形式的浮堤以消耗波能為主、阻擋反射為輔，消波效果好且受波浪力小。文均鋒[4]以方箱結構為例，分別開展了波浪與單方箱和兩方箱系統(tǒng)運動響應的物理模型試驗。董華洋等[5]對錨鏈拖地長度不同的矩形箱式浮防波堤的透射系數、運動響應和錨鏈受力進行了物模試驗研究，為工程實際應用提供了參考。侯勇等[6]提出了一種由開孔圓弧、矩形方箱組成的錨鏈錨泊浮式防波堤，通過物理模型試驗研究了該浮堤的消浪性能、運動、錨鏈力等，結果證明該浮式防波堤的消浪效果良好。劉海成等[7]對新型的凹菱形浮式防波堤的消浪性能進行了物理試驗研究，并與現有的浮箱式、廢舊輪胎式、浮筏式等浮式防波堤進行了對比。結果證明消浪效果良好。鄭啟航等[8]提出了一種新型的框架帶孔薄膜浮式防波堤單元體。采用物理模型試驗方法，對防波堤的消波效果和使用性能進行了研究，波浪的消波系數均達到0.4~0.6，消浪效果較好。鄭艷娜等[9]用數值模擬的方法研究了不規(guī)則波對固定方箱浮式防波堤的受力進行了計算并與規(guī)則波結果進行比較。結果表明不規(guī)則波作用下，單位寬度方箱垂向受力最大值大于水平向受力最大值；與規(guī)則波情況下相比，方箱水平向受力變化幅度減小，垂向受力和橫搖力矩幅值增加。

基于增加結構的阻尼以及破壞水質點運動軌跡的指導思想出發(fā)，本文提出了一種浮箱下加水平板的錨鏈錨泊浮式防波堤，稱之為錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤，并對該種浮堤模型進行了物理模型試驗。試驗主要研究了規(guī)則波作用下，改變相對寬度、水平板層數和浮箱吃水深度（即相對吃水）等對錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤透射系數的影響。

1　物理模型試驗

1.1試驗設備

本試驗是在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室內渾水水槽內進行的。水槽長度為56.0 m，寬度0.7 m，高度1.0 m。水槽的一端安裝本實驗室自制的液壓驅動造波機，該造波機可產生波形平穩(wěn)，重復性好的規(guī)則波，采用微機控制并配備數據采集系統(tǒng)；另一端裝有消能網，可吸收波浪能量、減少波浪反射。試驗前需測定波要素。波要素測定采用本實驗室研制的DLY-1型測量儀，波高測量范圍不小于0.3 m，絕對誤差低于1 mm。波高數據采用天津水運工程科學研究所研制的2000型波浪測量和采集系統(tǒng)進行采集，其量程在200 cm以內，誤差低于0.5%。為保證測得數據的精確性，試驗前后均對所有測量儀器進行了標定和校準。

1.2試驗模型設計

試驗模型的設計依據重力相似準則，比尺為1︰30。浮箱和水平板均由有機玻璃制成。浮箱寬30 cm；高為2種，9 cm、18 cm；長44 cm，浮箱底部均勻配重保證模型達到設計吃水深度；所有水平板尺寸均為寬50 cm，厚0.5 cm，長44 cm。本文中所有模型的錨鏈布置完全相同，即錨鏈懸起部分長度為30.3 cm，拖地部分長為29.7 cm，導鏈孔處傾角為30°（圖1）。錨鏈底端連接模擬原型剛度的彈簧，彈簧剛度為k=17.64 N/cm。試驗模型的具體參數見表1，model 1和model 4為單一浮箱模型，設置這兩個模型是為了與浮箱-水平板式浮防波堤模型進行比較，model 2、model 3、model 5和model 6為浮箱-水平板式浮防波堤模型。

模型置于水槽的中部，前后端各布置2個浪高儀，記錄堤前和堤后的波面數據。玻璃隔板的厚度為8 mm，距槽壁一端為0.45 m。整體布置見圖2。

圖1　浮式防波堤模型示意圖Fig.1　Diagrammatic sketch of a floating breakwater model

表1　試驗模型參數Table 1　Parameters of experimental models

圖2　試驗布置示意圖（單位：cm）Fig.2　Diagrammatic sketch of experimental setup（cm）

1.3試驗工況

試驗工況設計采用重力相似準則，按比尺1︰30考慮。試驗水深為0.4 m，對應原型水深為12 m。試驗為正向入射規(guī)則波，入射波高設為2種，0.07 m和0.10 m，對應原型波高分別為2.10 m和3.00 m。周期設置0.81 s、0.91 s、1.10 s、1.28 s、1.46 s、1.55 s范圍內的6個波周期，對應原型周期為4~8.5 s。對應的相對寬度W/L（模型寬度/波長） 為 0.297、0.241、0.176、 0.142、0.119、0.110。對于每一種模型，每組波要素重復3次，取3次試驗結果平均值。

2　試驗結果及影響因素分析

2.1水平板層數與相對寬度對浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系數的影響

第一組model 1~model 3浮箱高度均為18 cm，區(qū)別在于水平板層數不同（表1）。透射系數的試驗結果如圖3所示。第二組model 4~model 6浮箱高度均為9 cm，區(qū)別在于水平板層數不同，透射系數的試驗結果如圖4所示。

由圖3與圖4，浮箱-水平板浮堤模型與單一浮箱模型透射系數隨相對寬度（W/L）的變化規(guī)律一致，均是隨W/L的增加而減小。入射波高不同對浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系數影響不大；盡管浮箱高度不同，但浮箱-水平板式浮防波堤模型的透射系數均小于相應的單一浮箱模型，特別是浮箱高度為18 cm的浮箱-水平板浮堤模型（model 3）透射系數比單一浮箱模型（model 1）透射系數最多減小0.2；在相對寬度較小即波浪周期較長時（本試驗周期為1.28~1.55 s），比較透射系數，浮箱-水平板浮堤模型比相應的單一浮箱模型減小了0.1。模型下部的水平板由1層增至2層，透射系數減小的幅度沒有無板至1層板情形明顯。

圖3　浮箱-水平板模型透射系數（浮箱高度18 cm）Fig.3　Transmission coefficients of pontoon-plates floating breakwater model(The height of the pontoon is 18 cm)

圖4　浮箱-水平板模型透射系數（浮箱高度9 cm）Fig.4　Transmission coefficient of pontoon-plates floating breakwater model(The height of the pontoon is 9 cm)

分析來看：比較浮箱加1層板浮堤模型透射系數小于單一浮箱模型透射系數的原因是由于增加水平板使得防波堤模型入水深度增加，同時水平板破壞了水質點的運動軌跡。而增加至2層水平板導致入水深度又進一步增加，但是波浪能量多集中在水體表層，越接近水底波浪能量越小，所以第2層水平板的擋浪效果也減弱。由此可見浮箱-水平板式浮防波堤模型確實比單一浮箱模型的消浪效果好。此外，水平板的厚度很小，僅為5 mm，所以即使增加了水平板，模型受到的水平向波浪力增加量很小，僅由于板的寬度50 cm而浮箱寬度30 cm使得豎向波浪力增加，也導致錨鏈受力有所增加。

2.2浮箱吃水與相對寬度對浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系數的影響

分別對第3組模型model 3與model 6的透射系數試驗結果及對第4組模型model 2與model 5透射系數試驗結果進行比較，結果見圖5、圖6。

圖5　浮箱+2層水平板模型透射系數Fig.5　Transmission coefficient of pontoon-two plates floating breakwater model

圖6　浮箱+1層水平板模型透射系數Fig.6　Transmission coefficient of pontoon-one plate floating breakwater model

model 3和model 6的區(qū)別在于model 3浮箱吃水深度為13.5 cm，model 6浮箱吃水深度為6.75 cm。其余參數相同：水平板層數為2層，水平板寬度為50 cm，第1層水平板與浮箱間距離均為4.5 cm，水平板間距離為4.5 cm（表1）。

model 2和model 5的區(qū)別在于model 2浮箱吃水為13.5 cm，model 5浮箱吃水為6.75 cm。其余參數相同：水平板層數為1層，水平板寬度為50 cm，水平板與浮箱間距為4.5 cm。

由圖5和圖6，無論浮箱+2層板模型，還是浮箱+1層板的模型，浮箱吃水深度大的透射系數均小于浮箱吃水深度小的。這是由于浮箱-水平板式浮防波堤模型中浮箱部分阻擋波浪機理比較復雜，概括起來主要是依靠浮堤對波浪的反射且與波浪間的摩擦進行消波。因此浮箱的吃水深度（即相對吃水）對透射系數的影響很大。不同入射波（7 cm、10 cm）作用下，同一模型的透射系數試驗結果相差很小。

3　結語

本文通過物理模型試驗對一種新型錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系數及其影響因素進行了系統(tǒng)研究。試驗共設置6個模型，主要研究了改變水平板層數和相對吃水對錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤的透射系數的影響。

1）研究試驗結果發(fā)現高度為18 cm的浮箱下設1層水平板的浮堤模型，其透射系數較浮箱式浮防波堤模型的透射系數最多可降低約0.2。浮箱

下部的水平板增加至2層，透射系數進一步減小，但減小值約為0.05。浮箱高度為9 cm的錨鏈錨泊的浮箱-水平板式浮防波堤模型和浮箱式浮防波堤模型透射系數的比較結果與浮箱高度為18 cm的模型相似。

2）改變浮箱部分的吃水深度即相對吃水也對浮箱-水平板式浮堤的透射系數有明顯影響，即吃水深度越大，浮堤模型透射系數越小，說明其阻波和消波效果越好。

3）本文試驗所設置的6個模型，浮箱高18 cm的錨鏈錨泊浮箱-水平板式浮防波堤模型透射系數試驗結果最小。

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Experimental study on mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters

DONG Hua-yang1,2,WANG Yong-xue2,CHEN Yan-zhen1
（1.Dalian Marine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Dalian,Liaoning 116001,China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China）

Wave flume experimental study on the transmission coefficients and the influence of mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters was carried out in regular waves.The influences of the number of plates and the draught of pontoons(i.e.relative draught of pontoon)on the transmission coefficient of the mooring-chain restrained pontoon-plate floating breakwaters were investigated.The experimental results indicate that the mooring chain restrained pontoon-plates floating breakwaters has better ability of wave dissipation than mooring-chain restrained pontoon floating breakwaters. Additionally,the draught of pontoon is an important element on transmission coefficient.Increasing the draught of pontoon, better ability of dissipating wave is obtained.

floating breakwater;plate;flume experiment;mooring-chain restrained

U656.24

A

2095-7874（2016）05-0025-05

10.7640/zggwjs201605007

2015-12-10

2016-03-19

國家自然科學基金項目（50479054）

董華洋（1979— ），女，遼寧鞍山市人，博士，工程師，主要從事海上防災減災研究。E-mail：dhy791224@sina.com