邵 杰,陳國平,嚴(yán)士常,楊 嵚
(1.浙江省水利河口研究院 浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020;2.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210014)
不規(guī)則波作用下垂直擋板式透空堤透浪系數(shù)試驗(yàn)研究
邵 杰1,陳國平2,嚴(yán)士常2,楊 嵚3
(1.浙江省水利河口研究院 浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020;2.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210014)
垂直擋板式透空堤作為一種新型的透空式防波堤結(jié)構(gòu),通過將擋浪板垂直設(shè)置于波能最集中的水體表層來消減波浪,透浪系數(shù)是其最關(guān)鍵的指標(biāo)。通過物理模型試驗(yàn),分析不規(guī)則波作用下入射波高、波周期、擋板相對(duì)入水深度、相對(duì)堤寬、相對(duì)擋板超高、相對(duì)面板超高等因素對(duì)垂直擋板式透空堤透浪系數(shù)的影響規(guī)律,并在Wiegel公式的基礎(chǔ)上擬合了垂直擋板式透空堤透浪系數(shù)的計(jì)算公式。可作為今后類似透空式防波堤結(jié)構(gòu)透浪系數(shù)的近似估算,具有一定的參考價(jià)值。
不規(guī)則波;垂直擋板;透空堤;透浪系數(shù);防堤波
Abstract:Vertical baffle permeable breakwater is a new style of permeable breakwater structure,which reduces wave height by vertically setting the baffle in the water surface which concentrates most of the wave energy,and the wave-permeating coefficient is the most crucial index.The influence factors of the wave-permeating coefficient of the vertical baffle permeable breakwater under irregular waves are analysised through the physical model experiment,which considers the incident wave height,the wave period,the relative immersed depth of the baffle,the relative width of the breakwater,the superelevation of the baffle,the superelevation of the deck,etc.The formula for calculating the wave-permeating coefficient is obtained on the basis of the formula of Weigel,which can be used as an approximate estimation for the wave-permeating coefficient of similar permeable breakwaters in the future.
Keywords:irregular waves; vertical baffle; permeable breakwater; wave-permeating coefficient; breakwater
垂直擋板式透空堤作為一種新型的透空式防波堤結(jié)構(gòu),通過將擋板垂直設(shè)置于波能最集中的水體表層來消減波浪,不僅減輕了結(jié)構(gòu)自重,而且節(jié)省了材料又利于港內(nèi)外水沙在下部空間的自由交換,可以有效防止港內(nèi)淤積。近年來,隨著防波堤施工技術(shù)的迅速發(fā)展、波浪理論的逐步成熟和人類對(duì)海洋環(huán)境的日趨重視,垂直擋板式透空堤已在國內(nèi)外的一些漁港工程中得以成功實(shí)施,并具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
透浪系數(shù)系指堤后透射波高與堤前入射波高的比值,是透空式防波堤最關(guān)鍵的指標(biāo),可用來評(píng)估其消浪效果的優(yōu)劣。國外學(xué)者主要對(duì)擋板式透空結(jié)構(gòu)的透浪系數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo),1947年Ursell[1]首先研究了無限水深下垂直擋浪板的透浪系數(shù),給出了深水直立薄板的精確解;1960年Wiegel[2]在Ursell的基礎(chǔ)上,不考慮擋浪板反射,利用波能流守恒,由微幅波理論推導(dǎo)出有限水深情況下透浪系數(shù)的近似解析解;1996年Kriebel等[3]在Wiegel理論公式的基礎(chǔ)上,考慮擋浪板產(chǎn)生的反射,推導(dǎo)出透浪系數(shù)的另一近似解析解;前蘇聯(lián)拉帕教授通過試驗(yàn)推導(dǎo)出透浪系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,并被我國《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[4]采納。國內(nèi)學(xué)者對(duì)透空式防波堤的透浪系數(shù)也開展了一些試驗(yàn)研究,麻志雄[5]對(duì)上海吳淞口炮臺(tái)灣船舶基地高樁承臺(tái)透空堤斷面進(jìn)行了透浪系數(shù)的試驗(yàn)研究;嚴(yán)以新等[6]對(duì)福建黃岐漁港多層擋板樁基透空式防波堤進(jìn)行了消浪機(jī)理分析和試驗(yàn)研究;鐘瑚穗等[7]通過試驗(yàn)研究,分析了小間距直樁式、柵欄式和直立擋板式三種不同型式樁基透空堤的特點(diǎn)及其透空率與透浪系數(shù)間的關(guān)系。
雖然國內(nèi)外已有一些關(guān)于透空式防波堤透浪系數(shù)的研究成果,但透浪系數(shù)的理論公式與試驗(yàn)結(jié)果始終未能有機(jī)結(jié)合,各家關(guān)于透浪系數(shù)的計(jì)算方法也因物理因子不全、適用條件有限、透空堤結(jié)構(gòu)型式各異等原因至今難以推廣??紤]到波浪與透空式防波堤相互作用的機(jī)理極其復(fù)雜,在理論研究難以深入的情形下,針對(duì)垂直擋板式透空堤這一新型的透空式防波堤結(jié)構(gòu),開展不規(guī)則波作用下透浪系數(shù)的試驗(yàn)研究則顯得十分必要,具有重要的實(shí)用價(jià)值。
試驗(yàn)在波浪水槽(長80 m、寬1.0 m、高1.2 m)內(nèi)進(jìn)行,首端安裝液壓式推板造波機(jī)可生成不規(guī)則波,末端設(shè)有消能緩坡以減少波浪反射。水槽縱向分為兩部分,外側(cè)0.5m寬度內(nèi)用于布設(shè)透空堤斷面,內(nèi)側(cè)則用于消除波浪的二次反射。
透空堤的物理模型用有機(jī)玻璃制作,面板厚0.02 m,縱梁寬0.02 m、高0.03 m,橫梁寬0.03 m、高0.05 m,縱梁搭接在橫梁上且與上橫梁等高布置。通過連接桿,將透空堤面板水平懸吊,連接桿上部固定于水槽頂部的支架上。垂直擋板的入水深度和面板的高度通過機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)暫不考慮樁基的影響,面板頂部與擋板頂部按等高布置。堤前布設(shè)3根波高儀用以測(cè)量反射波高,堤后布設(shè)7根波高儀(每兩根間隔1 m)用以測(cè)量堤后波高,模型及波高儀布置情況如圖1所示。
試驗(yàn)水深d=0.5 m保持不變,其余的物理參數(shù)為:入射波的有效波高Hs=0.06 m、0.08 m、0.10 m、0.12 m;有效周期Ts=1.0 s、1.3 s、1.6 s、1.9 s、2.2 s;擋板入水深度t=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m;堤寬B=0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m;擋板超高(擋板頂部到靜水面的距離)△h=0.035 m、0.075 m、0.095 m;面板超高(面板底部到靜水面的距離)△h′=0.015 m、0.055 m、0.075 m。垂直擋板式透空堤斷面及上述各物理參數(shù)的定義如圖2所示。
圖1 模型及波高儀布置示意Fig.1 Sketch of the model and the wave-height gauges
圖2 垂直擋板式透空堤斷面及各物理參數(shù)示意Fig.2 Sketch of the permeable breakwater section and definitions of the physical parameters
不規(guī)則波的期望譜選用JONSWAP譜,譜峰升高因子γ=3.3,波要素的率定均滿足《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234-2001)[8]的相關(guān)要求。采用DJ800多功能采集系統(tǒng)進(jìn)行波浪數(shù)據(jù)的采集,波浪的采集頻率為50 Hz。編寫Fortran程序,采用上跨零點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)波高值,并通過調(diào)節(jié)閾值濾除毛疵,一個(gè)波列取不少于120個(gè)波進(jìn)行統(tǒng)計(jì),每組試驗(yàn)重復(fù)三次以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性,并最終采用三次統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值。
波浪與垂直擋板式透空堤相互作用時(shí),部分波浪能量被很快消耗掉,其中一部分波浪經(jīng)擋板反射回去,反射波與入射波疊加,在堤前形成不完全立波;而另一部分波浪則從擋板底下穿透,或打擊面板下部,或直接傳至堤后,并與堤頂上部越浪后形成的波流水體相遇,一同在堤后形成新的波浪系列,該系列的穩(wěn)定波高值即為透射波高。
透射波高的確定是研究透浪系數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵,因此需首先分析堤后新波浪系列的沿程波高變化規(guī)律。圖3為部分組次下堤后各測(cè)點(diǎn)波高的沿程變化情況,圖中的橫坐標(biāo)為堤后各波高測(cè)點(diǎn)至堤軸線的水平距離,縱坐標(biāo)為各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Hs。圖中可見,堤后各測(cè)點(diǎn)Hs的沿程變化并不大,但由于水面壅高、波浪形態(tài)紊亂等原因使得堤后x=1 m、2 m測(cè)點(diǎn)處的波高較不穩(wěn)定,統(tǒng)一將堤后相對(duì)較為穩(wěn)定的x=3 m、4 m、5 m、6 m測(cè)點(diǎn)處的Hs取平均,該平均值即為透射波高Ht。
圖3 堤后Hs的沿程變化Fig.3 Variations of Hs along the back of the breakwater
透浪系數(shù)Kt=Ht/Hi,其中Hi、Ht均取對(duì)應(yīng)系列的有效波高值Hs。以下從入射波高、波周期、擋板相對(duì)入水深度、相對(duì)堤寬、擋板相對(duì)超高、面板相對(duì)超高等因素出發(fā),分析其對(duì)透浪系數(shù)的影響規(guī)律。
2.1入射波高的影響
圖4為h=0.095 m分別組合t=0.2 m和t=0.3 m的各組次下Kt隨入射波高Hs變化而變化的情況。
圖4 Kt與Hs的關(guān)系Fig.4 Variations of Kt with the significant incident wave height Hs
圖中可見,隨著入射波高的增大,各組次下Kt均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),但減小的幅度并不大,其原因有二:一是入射波高的增大會(huì)直接導(dǎo)致?lián)醢迳喜吭嚼肆康脑龃螅嚼怂w將攜帶更多的動(dòng)能傳至堤后;其二是入射波高的增大使得擋板下部透射波浪打擊面板底部的幾率有所增大,水體紊動(dòng)消能的效果更為明顯,傳至堤后的波能相對(duì)入射波的比例將大幅減小。綜合這兩個(gè)因素,入射波高的變化對(duì)于垂直擋板式透空堤的堤身上部越浪和下部透浪均會(huì)產(chǎn)生一定的影響,但對(duì)Kt的影響并不顯著。
2.2波周期的影響
圖5為△h=0.095 m分別組合t=0.2 m和t=0.3 m的各組次下Kt隨波周期Ts變化而變化的情況。圖中可見,Ts從1.3 s增大到1.9 s過程中,Kt隨之明顯增大,Ts從1.9 s增大到2.2 s過程中波周期的增大對(duì)Kt影響甚微。綜上分析,在一定范圍內(nèi),波周期越小,經(jīng)透空堤結(jié)構(gòu)后波浪水質(zhì)點(diǎn)的紊動(dòng)更為劇烈,消浪效果則越發(fā)突出。由此可見,波周期對(duì)Kt的影響較為顯著。
圖5 Kt與Ts的關(guān)系Fig.5 Variations of Kt with the significant wave period Ts
2.3擋板相對(duì)入水深度的影響
引入擋板相對(duì)入水深度因子t/d,圖6為Hs=0.10 m和Ts=1.6 s的各組次下Kt隨t/d變化而變化的情況。圖中可見,Kt隨著t/d的增大而明顯減小,且各組次的變化趨勢(shì)較為一致。這是由于波浪能量大部分都集中在水體表層2~3倍波高的水深范圍內(nèi),隨著t/d的增大(0.2~0.8),擋浪面積相應(yīng)線性增大,水質(zhì)點(diǎn)經(jīng)垂直擋板碰撞后運(yùn)動(dòng)方向的改變?cè)桨l(fā)明顯,波能消耗更為劇烈,從而Kt隨之明顯減小。由此可見,擋板相對(duì)入水深度對(duì)Kt的影響十分顯著。
圖6 Kt與t/d的關(guān)系Fig.6 Variations of Kt with the relative immersed depth of the baffle t/d
2.4相對(duì)堤寬的影響
引入擋板相對(duì)入水深度因子B/Ls,圖7為Hs=0.10 m的各組次下Kt隨B/Ls變化而變化的情況。圖中可見,Kt基本上隨著B/Ls的增大而減小,其中當(dāng)B/Ls=0.10~0.17時(shí)Kt的減小幅度相對(duì)較大,當(dāng)B/Ls=0.22~0.26時(shí)Kt的減小趨勢(shì)較為平緩。說明堤身的加寬將使傳向堤后的一部分波浪能量進(jìn)一步損耗,但相對(duì)堤寬到增大到一定程度后對(duì)透浪系數(shù)的影響將不再明顯。
圖7 Hs=0.10 m下Kt與B/Ls的關(guān)系Fig.7 Variations of Kt with the relative width of the breakwater B/Ls when Hs=0.10 m
2.5結(jié)構(gòu)相對(duì)超高的影響
由于試驗(yàn)假定了擋板與面板頂部齊平且面板厚度0.02 m保持不變,擋板超高△h增大的同時(shí)面板超高△h′也相應(yīng)增大(△h=△h′+0.02 m),因此可將△h與△h′作為一個(gè)整體反映結(jié)構(gòu)超高對(duì)透浪系數(shù)的影響。與擋板相對(duì)入水深度t/d相對(duì)應(yīng),引入△h/d作為擋板相對(duì)超高因子??紤]到面板底部的消浪程度與擋板底部透射波的波面高度關(guān)系密切,因此引入△h′/Hs作為面板相對(duì)超高因子。
在一定的入射波要素條件下,結(jié)構(gòu)超高的增大會(huì)直接導(dǎo)致?lián)醢迳喜吭嚼肆康臏p小,從而堤后水面波動(dòng)的振幅降低,意味著由結(jié)構(gòu)上部傳至堤后的透射波能量將隨著結(jié)構(gòu)超高的增大而減少;同時(shí),從擋板下部穿透的波浪打擊透空堤面板的幾率也會(huì)減小,面板底部水體紊動(dòng)消能的效果減弱,意味著由結(jié)構(gòu)下部傳至堤后的透射波能量將隨著結(jié)構(gòu)超高的增大而增多。
圖8為B=0.4 m分別組合Hs=0.10 m和Ts=1.6 s的各組次下Kt隨△h/d變化而變化的情況;圖9為B=0.4 m的各組次下Kt隨△h′/Hs變化而變化的情況。圖中可見,Kt隨△h/d、△h′/Hs的增大而小幅增大,說明擋板超高增大引起的Kt減小程度不及面板超高增大引起的Kt增大程度。值得注意的是,擋板相對(duì)超高△h/d與面板相對(duì)超高△h′/Hs都對(duì)Kt有一定的影響,兩者的影響趨勢(shì)是一個(gè)此消彼長的過程。
圖8 Kt與△h/d的關(guān)系Fig.8 Variations of Kt with the relative superelevation of the baffle △h/d
圖9 B=0.4 m下Kt與△h′/Hs的關(guān)系Fig.9 Variations of Kt with the relative superelevation of the deck △h′/Hswhen B=0.4 m
3.1與前人公式的比較
圖10、圖11分別為Kt的試驗(yàn)值與Wiegel理論公式、Kribel理論公式Kt計(jì)算值比較的結(jié)果。圖中可見,Wiegel公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差相對(duì)較小,試驗(yàn)值普遍大于計(jì)算值約20%左右;Kribel公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差相對(duì)較大,試驗(yàn)值普遍比計(jì)算值大20%以上。但兩理論公式都是僅考慮了擋板相對(duì)入水深度t/d和相對(duì)水深d/Ls這兩個(gè)影響因素。
圖10 Kt的試驗(yàn)值與Wiegel理論公式計(jì)算值比較Fig.10 Comparsions of the experimental values of Kt with the calculated values of Kt by the theoretical formula of Wiegel
圖11 Kt的試驗(yàn)值與Kribel理論公式計(jì)算值比較Fig.11 Comparsions of the experimental values of Kt with the calculated values of Kt by the theoretical formula of Kribel
圖12 Kt的試驗(yàn)值與規(guī)范公式計(jì)算值比較Fig.12 Comparsions of the experimental values of Kt with the calculated values of Kt by the Code
圖12為透浪系數(shù)Kt的試驗(yàn)值與規(guī)范公式計(jì)算值的比較情況。圖中可見,規(guī)范公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差相對(duì)較大,其中大部分試驗(yàn)值比計(jì)算值偏大20%以上。規(guī)范公式的適用條件是雙擋板的透空式防波堤結(jié)構(gòu),適用范圍是B<0.5L,雖然適用范圍較廣,但堤寬、結(jié)構(gòu)超高等因素均未考慮。
3.2計(jì)算公式的擬合
根據(jù)透浪系數(shù)的影響規(guī)律分析可知,擋板相對(duì)入水深度t/d、波周期Ts、擋板相對(duì)超高△h/d、面板相對(duì)超高△h′/Hs對(duì)透浪系數(shù)影響較大,為主要影響因素;相對(duì)堤寬B/Ls、入射波高Hs對(duì)透浪系數(shù)影響相對(duì)較小,為次要影響因素??紤]到試驗(yàn)水深d=0.5 m保持不變,根據(jù)微幅波理論,相同水深下波周期Ts的變化對(duì)應(yīng)于波長Ls的變化,在此采用相對(duì)水深d/Ls來反映波周期Ts對(duì)透浪系數(shù)的影響。此外,考慮到入射波高Hs對(duì)透浪系數(shù)的影響有限且面板相對(duì)超高△h′/Hs已含波高因子,在此不再單獨(dú)考慮Hs對(duì)透浪系數(shù)的影響。于是,采用因次分析的方法可得到以下關(guān)系式:
與前人計(jì)算公式的比較可知,Wiegel理論公式的Kt計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合最好,但該公式未考慮擋板上部越浪和堤面板消浪對(duì)透浪系數(shù)的影響,在此擋板相對(duì)超高、面板相對(duì)超高及相對(duì)堤寬等因素也需得以反映。根據(jù)透浪系數(shù)與單個(gè)物理因子的變化趨勢(shì)分析,在Wiegel理論公式的基礎(chǔ)上,可假定垂直擋板式透空堤的透浪系數(shù)公式結(jié)構(gòu)為:
其中,Wiegel理論公式
采用最小二乘法,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,得到式(2)的各經(jīng)驗(yàn)系數(shù)如下:
k1=0.976,k2=0.089,k3=0.185,k4=0.732,k5=0.544,k6=0.896。
最終,得到透浪系數(shù)的計(jì)算公式如下:
此公式的適用范圍如下:
式中:d為水深;t為擋板入水深度;k為波數(shù),k=2π/Ls;B為堤寬;Δh為擋板超高,即擋板頂部到靜水面的高度;Δh′為面板超高,即面板底部到靜水面的高度。
圖13為本公式的Kt計(jì)算值與試驗(yàn)值比較的情況,公式的相關(guān)系數(shù)為0.958,均方差為0.036 42,公式適用范圍較廣,擬合精度較高。此外,本公式充分考慮了擋板超高、面板超高、相對(duì)堤寬對(duì)透浪系數(shù)的影響,實(shí)用性更強(qiáng)。
為進(jìn)一步校驗(yàn)本公式的可靠性,收集了上?;瘜W(xué)工業(yè)區(qū)孚寶透空式碼頭工程、海安新港荔枝灣碼頭透空式防波堤工程、上海吳淞口炮臺(tái)灣船舶基地透空式防波堤工程三處實(shí)際工程的透浪系數(shù)Kt試驗(yàn)值,將相應(yīng)的各物理參數(shù)代入本文公式計(jì)算Kt,比較后發(fā)現(xiàn)該計(jì)算值與各工程的Kt試驗(yàn)值差異并不大(見圖14),再次印證了本文公式的合理性。考慮到本文公式結(jié)構(gòu)簡單、影響因子全面,可供今后垂直擋板式透空堤的透浪系數(shù)估算。
圖13 本文公式的Kt計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.13 Comparisons of the calculated values of Kt by present formula with the experimental values of Kt
圖14 三處實(shí)際工程采用本文公式的Kt計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.14 Comparisons of the calculated values of Kt by present formula of three practical projects with its experimental values of Kt
通過模型試驗(yàn),對(duì)不規(guī)則波作用下垂直擋板式透空堤的透浪系數(shù)進(jìn)行了探討,得到以下主要結(jié)論:
1)從入射波要素的角度分析,透浪系數(shù)Kt對(duì)入射波高Hs并不敏感,但會(huì)在一定范圍內(nèi)隨波周期Ts的增大而顯著增大。從透空堤結(jié)構(gòu)的角度分析,透浪系數(shù)Kt隨擋板相對(duì)入水深度t/d的增大而顯著減小,并隨相對(duì)堤寬B/Ls的增大而小幅減?。籏t隨相對(duì)擋板超高Δh/d增大而減小的程度不及Kt隨面板相對(duì)超高△h′/Hs增大而增大的程度,使得Kt總體上表現(xiàn)出隨結(jié)構(gòu)相對(duì)超高增大而小幅增大的趨勢(shì)。
2)在Wiegel理論公式的基礎(chǔ)上,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,得到了垂直擋板式透空堤透浪系數(shù)Kt的計(jì)算公式,公式充分考慮了擋板超高、面板超高和相對(duì)堤寬的影響,適用范圍較廣,擬合精度較高,經(jīng)三處實(shí)際工程Kt試驗(yàn)值的校驗(yàn)結(jié)果良好。本文公式可作為今后類似透空式防波堤結(jié)構(gòu)透浪系數(shù)的近似估算,具有一定的科學(xué)意義和工程意義。
3)考慮到垂直擋板式透空堤的結(jié)構(gòu)型式仍可進(jìn)一步細(xì)化,加之透空式防波堤的波能耗散原理至今未被完全掌握,下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)是更為深入的機(jī)理分析,并結(jié)合實(shí)際工程和模型試驗(yàn)輔以驗(yàn)證比較。
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An experimental study of the wave-permeating coefficient of vertical baffle permeable breakwater under irregular waves
SHAO Jie1,CHEN Guoping2,YAN Shichang2,YANG Qin3
(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary,Key Laboratory of Estuary and Coast of Zhejiang Province,Hangzhou 310020,China; 2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company,Nanjing 210014,China)
TV139.2;U656.2
A
10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.007
1005-9865(2016)01-0050-08
2015-04-13
浙江省自然科學(xué)基金(LQ16E090004);浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016F50019)
邵 杰(1984-),男,浙江寧波人,工程師,碩士,主要從事海岸及海洋工程研究。E-mail:hldss008@163.com