南金剛，上官子昌，王志云，尚付瑤

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

0 引言

隨著對海洋資源的不斷開發(fā)和利用，海洋周邊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)愈來愈受到關(guān)注，沈雨生等人在浮式防波堤研究進(jìn)展中表明：多種透射系數(shù)的計算方法均具有一定的局限性，并提出了今后的研究中宜采用物理實驗的方法得出透射系數(shù)的經(jīng)驗公式[1]。賀大川在板式浮筒型防波堤波浪力與運動響應(yīng)分析中指出：在不同工況條件下，隨著波長的逐漸減小，浮式結(jié)構(gòu)比潛式結(jié)構(gòu)更早達(dá)到波浪力和運動幅值的極大值[2]。王環(huán)宇在多孔浮式防波堤的實驗研究與數(shù)值模擬中得出，對于同一結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)排布、纜繩系泊方式以及鏤空與否等對裝置的消浪效果影響較大[3]。楊彪等人對雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤的消浪性能研究表明：相對寬度是影響結(jié)構(gòu)的水動力特性的主要因素，而錨鏈剛度主要影響錨鏈的受力，剛度越大受力越大[4]。董國海等人對板-網(wǎng)結(jié)構(gòu)浮式防波堤消浪性能進(jìn)行的研究表明：防波堤的寬度越大其消浪效果越好，通過對在平板下部添加網(wǎng)衣和增加其剛度可以提高浮式防波堤的消浪性能[5]。姚卓琳在新型半潛式開孔防波堤水動力特性的研究中提出，開孔板與實體底板相比，隨著相對板間距的增大其透射系數(shù)呈增大趨勢；而對于無底板來說，周期對其透射系數(shù)的影響呈非線性變化趨勢[6]。

在總結(jié)以往對浮式防波堤研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計并提出了一種新型半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)消浪結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)造價便宜、施工方便，易海水交換，減少海域內(nèi)的泥沙淤積、不會影響海面景觀。模型采用輕型耐腐蝕性塑料管和金屬錨鏈銜接而成，自重輕、制作簡單，同時其下部可以系一些網(wǎng)兜用于海水養(yǎng)殖，在保護(hù)海岸帶設(shè)施及環(huán)境的同時可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設(shè)備及儀器

試驗在大連海洋大學(xué)遼寧省海岸工程重點實驗室的波浪水槽（長40 m，寬0.7 m，高1 m）中進(jìn)行。一端安裝有造波機，可產(chǎn)生波形平穩(wěn)、可重復(fù)性好的單向規(guī)則波、不規(guī)則波，另一端安裝消能網(wǎng)用來吸收波浪能量從而防止由于波浪反射導(dǎo)致實驗結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。水槽兩側(cè)采用角鋼骨架焊接固定鋼化玻璃做槽壁，以便于實時對實驗狀況的觀察和控制。造波機、DS30型64通道浪高儀等儀器均由計算機系統(tǒng)控制，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集和處理。試驗前對所有測量儀器均進(jìn)行了精度標(biāo)定和校準(zhǔn)，從而保證最終能夠測得精確有效的試驗數(shù)據(jù)。

1.2 試驗波浪要素

試驗結(jié)合營口白沙灣常年的波浪數(shù)據(jù)，綜合考慮波浪水槽尺寸、消浪結(jié)構(gòu)以及設(shè)計波浪要素和水深等因素，并按照重力相似準(zhǔn)則確定模型比尺為1頤20。波浪要素如表1所示，其中波浪模擬時規(guī)則波以H1%控制，不規(guī)則波以H13%控制。

表1 試驗波浪要素Table1 Test wave elements

1.3 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗?zāi)Ｐ筒捎弥睆綖?6 mm的空心管和三通彎頭制成，為防止模型內(nèi)部進(jìn)水減小模型浮力，在每個接口處都采用密封膠封死，單個模型單元如圖1所示。

圖1 模型單元圖示Fig.1 Illustration of a model unit

圖2 模型在水槽內(nèi)布置情況Fig.2 Layout of the model in thesink

每個模型單元之間采用柔性連接方式，受水槽寬度影響，橫向布置兩個模型單元，其間距為6 cm；根據(jù)不同工況，縱向分別布置3、4、5、6個模型單元，其排布單元整體長度分別為220 cm、240 cm、290 cm、340 cm；豎向排布方式采用單層模型單元布置和雙層模型單元布置，雙層模型單元之間垂直凈間距分別為2 cm、4 cm、6 cm。

水槽內(nèi)部布置情況如圖2所示，從左到右依次是造波機寅1號浪高儀寅2號浪高儀寅試驗?zāi)Ｐ鸵?號浪高儀寅4號浪高儀寅消能網(wǎng)，其間距依次為20 m、2 m、2 m（模型前端到2號浪高儀之間的距離）、2 m（模型末端到3號浪高儀之間的距離）、2 m、8.6~9.6 m，其中浪高儀用于量測入射波高和透射波高；每組試驗數(shù)據(jù)均采集3次，取其3次試驗的平均值，其采樣間隔為0.02 s，試驗中，待波形穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)，采樣個數(shù)為1 024個。

2 試驗結(jié)果分析

本次試驗重點研究半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的消浪性能，即透射系數(shù)，其表達(dá)式為Kt=Ht/Hi，其中Hi為入射波高，Ht為透射波高，即經(jīng)過模型消浪后的波高。對入射波和反射波進(jìn)行分離，得出對應(yīng)條件下模型透射系數(shù)Kt。

2.1 不同周期及波高對透射系數(shù)的影響

在水深d=0.5 m，模型單元采用橫2縱6布局情況下，分別取波高H=0.06 m、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.10 m，周期T=0.8 s、1.1 s時，透射系數(shù)變化曲線見圖3。

圖3 周期、波高與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between period,wave height,and transmission coefficient

由圖3看出，無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波，隨著波高的改變，模型透射系數(shù)變化范圍很小，其相鄰兩個波高的波動范圍在0.002耀0.010之間；而周期的改變對模型透射系數(shù)影響效果顯著，當(dāng)周期從0.80 s變化到1.10 s時，透射系數(shù)的增長范圍在0.28耀0.35之間。綜上所述：周期對模型的消浪效果影響顯著，隨著周期的增大其消浪效果逐漸減弱，而此時波高對模型的消浪效果影響并不明顯。

2.2 相對寬度B/L對透射系數(shù)的影響

在水深d=0.5 m保持不變，模型單元采用橫2縱6布局結(jié)構(gòu)情況下，通過改變模型的布置寬度。分別取波高H=0.07 m、0.10 m情況下分析本裝置的消浪效果，其變化曲線如圖4所示。

由圖4看出，隨著相對寬度的逐漸增大，透射系數(shù)逐漸減小，也就是說結(jié)構(gòu)的消浪能力越來越強；但是顯然可以看出相對寬度B/L在1.52耀2.33之間變化時，在B/L=1.91處出現(xiàn)了一個峰值點，在B=3.41 m、T=1.1 s的情況下，結(jié)構(gòu)消浪能力明顯減弱，盡管其相對寬度較小，而結(jié)構(gòu)縱向布置寬度最大，說明并不是結(jié)構(gòu)布置的越寬越好，當(dāng)以結(jié)構(gòu)布置凈間距為15 cm即相對寬度為B=2.41 m時，結(jié)構(gòu)消浪效果最佳；這種情況對大周期的波浪消浪能力有所減弱，但其透射系數(shù)Kt<0.7，滿足要求。同一波況下，規(guī)則波的消浪能力明顯強于不規(guī)則波，當(dāng)B=2.41 m，B/L臆2.33時，規(guī)則波和不規(guī)則波的消浪效果差別不大。

圖4 相對寬度與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative width and transmission coefficient

2.3 波陡H/L對透射系數(shù)的影響

在水深d=0.5 m保持不變，模型單元采用橫2縱6布局結(jié)構(gòu)情況下，通過改變模型的布置寬度。分別取波高H=0.06 m，0.10 m情況下結(jié)構(gòu)消浪能力，其曲線如圖5所示。

圖5 波陡與透射系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between wavesteepness and transmission coefficient

由圖5看出，隨著波陡的逐漸增大，透射系數(shù)逐漸減小，消浪效果較好，透射系數(shù)最小達(dá)到了0.22；在相同波陡條件下，不同布置寬度對結(jié)構(gòu)消浪效果的影響差別很大，說明結(jié)構(gòu)的消浪效果并不是由單一因素來決定的，應(yīng)當(dāng)綜合考量各個影響因素，選取最經(jīng)濟(jì)的優(yōu)選方案；在圖中很明顯的出現(xiàn)了小寬度大透射的現(xiàn)象，此情況是因為結(jié)構(gòu)布置寬度小，模型單元之間間距變小，此時的半潛式防波堤類似于直墻式防波堤，對波浪的反射較大，使波浪在堤前發(fā)生破碎，從而大大減小了波浪能量，這種情況也符合波浪運動規(guī)律[7]。

2.4 模型雙層布置層間距對透射的影響

在水深d=0.5 m，模型排布寬度B=2.2 m保持不變的情況下，改變模型排布為雙層柔性連接排布，分別取波高H=0.06 m、0.12 m，周期T=0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s、1.2 s，寬度層間距分別為0.02 m、0.04 m、0.06 m。其透射系數(shù)變化見圖6。

圖6 雙層情況下層間距改變Fig.6 Layer spacing changesin double layers

圖6 中在雙層情況下通過改變模型單元間的層間距來觀察結(jié)構(gòu)的消浪性能，可以看出，在層間距保持不變的情況下，周期在0.8耀1.0 s之間變化時，小波高消浪效果明顯優(yōu)于大波高，但周期在1.0耀1.2 s之間變化時，情況則相反，這是因為在水體2耀3倍波高的表層間大約集中了90%耀98%的能量[8]。在保持同一個周期不變的情況下，隨著層間距的逐漸增大，結(jié)構(gòu)的消浪效果反而變得越來越差，這意味著雖然模型豎向排布雙層結(jié)構(gòu)能夠增大其消浪效果，但是對于雙層結(jié)構(gòu)單元之間的層間距也不是說越大越好，相應(yīng)的要注意到試驗的波高數(shù)值，一般以2耀3倍波高來布置模型層數(shù)以及層間距，正確的布置方式有助于增大模型所發(fā)揮的作用；在間距為0.04 m時，其透射系數(shù)達(dá)到了最大的0.88，此時模型的消浪效果輕微，所以間距為0.04 m為最不理想的排布方式，應(yīng)當(dāng)以間距為0.06 m為最佳層間距排布。

3 結(jié)語

本文針對半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的消浪性能的試驗研究，分析了周期、波高、相對寬度、波陡以及層間距等因素對半潛條件下雙層四環(huán)網(wǎng)消浪結(jié)構(gòu)透射系數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

1）雙層四環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)消浪裝置的整體消浪效果顯著，尤其以結(jié)構(gòu)布置寬度為2.41 m，也就是說結(jié)構(gòu)單元之間的凈間距為20 cm時，模型的消浪效果表現(xiàn)最佳，其他排布次之。

2）波陡以及層間距的變化對于消浪效果的影響也比較明顯，不同排布對模型透射系數(shù)的影響差別很大，應(yīng)考慮其他因素綜合分析；由本次試驗可知，雙層結(jié)構(gòu)比單層結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢，雙層結(jié)構(gòu)的排布可以更大的改變波浪水質(zhì)點的運動軌跡，從而使波浪產(chǎn)生波能的衰減。

3）由于模型單元自身透空，可以減小波浪對模型造成的破壞使得其相對于其他同等類型結(jié)構(gòu)來說具有更加長的使用壽命。