何夢程 ，單潛瑜 ，白興蘭 ，張兆德

(1.浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022)

浮式防波堤相對于固定式防波堤，有一定的優(yōu)勢，其一結構為透空式，在與水體交換過程中減輕了對港區(qū)內(nèi)以及海域水體的污染；其二建造和拆遷方便，施工周期短，工程耗材少；其三對地質(zhì)的要求低，適應于各種地形。同時浮式防波堤還存在一些缺點：對于不同周期的波浪削減能力相差大，對短周期波的消浪效果較好，對長周期波不理想；浮式結構在使用過程中所需要的保養(yǎng)維護費高。這些缺陷制約了它成為被廣泛采用的消波結構的主要因素。因此，國內(nèi)外學者圍繞浮式防波堤的消波性能、水動力性能以及結構形式等方面展開了眾多研究，為浮式防波堤的設計與工程應用提供理論支持。

SYED，et al[1]對由3個浮箱組成的浮堤的消浪性能進行了研究，研究表明多浮箱式浮堤可提高消浪效果，其消浪效果除了受浮箱寬度、吃水和錨固方式等因素影響外，受浮箱間距的影響較大。KORIAM，et al[2]通過試驗研究了垂向插板對浮堤消浪效果的影響，結果表明隨著垂向插板層數(shù)增加透射系數(shù)減小，當布置4層垂向插板時透射系數(shù)可小于0.25。李亞斌[3]建立了系纜浮式結構的SPH模型，考慮結構長度、淹沒水深、結構密度等方面對浮式防波堤水動力性能的影響。同時通過測試分析反射波高和透射波高來研究該結構的消波能力。王志磊[4]基于粘性理論建立了二維數(shù)值水槽，給出了浮式防波堤試驗方案，得到了運動響應幅值、系泊纜最大張力和透射系數(shù)。王環(huán)宇[5]提出了一種多孔浮式的防波堤結構，由菱形模塊拼裝而成的，對結構的消浪性能以及系泊型式、對系泊力的影響因素進行了探索分析，證明該結構的幾何特征具有優(yōu)良的性能。王金勝[6]針對雙圓筒浮式的構型設計，建立了相應的水動力、質(zhì)量以及結構三種相應模型，基于結構有限元分析軟件，完成了浮式防波堤結構的局部強度計算與校核。董華洋[7]提出了垂直導樁錨泊和錨鏈錨泊這兩種浮箱-水平板式結構型式，并通過試驗和數(shù)值計算與單一浮箱結構的水動力特性進行了對比分析。袁盛良[8]運用模型試驗來探索浮箱式防波堤在規(guī)則波作用下的透射系數(shù)和波浪大小對其沖擊壓強作用以及系泊力大小，分別闡述了波陡、相對板寬、錨鏈剛度系數(shù)、拉角、預拉力和有無消浪孔等參數(shù)對結構水動力特性的影響。鄭艷娜等[9]選取了單箱、雙箱和板網(wǎng)這三種型式的浮式防波堤，通過試驗獲取了防波堤在規(guī)則波作用下的消浪效果，結果表明：板網(wǎng)式的結構效果最好。楊彪等[10]選取了相對寬度、相對波高和錨鏈剛度等為變量，分別對防波堤的消浪性能、運動響應和錨鏈受力進行試驗分析，并與雙浮箱結構的試驗結果進行了對比分析。蔣昌波等[11]通過模型試驗研究規(guī)則波作用下，透射系數(shù)與頂板相對入水深度、相對板間距、相對板長以及頂板開孔之間的關系。ERIK，et al[12]針對浮筒式、翼板式浮筒和翼板式附加多孔介質(zhì)三種結構進行模型試驗和二維數(shù)值模擬，主要研究由波浪輻射和粘滯阻尼引起的防波堤阻尼機制。EVA，et al[13]針對帶柔性接頭的系泊浮式模塊化浮防波堤開展了水彈性和結構響應的試驗研究，認為：防波堤的水彈性響應和結構響應很大程度上依賴于波周期，而波高和入射角在低頻范圍內(nèi)對結構響應影響較大。DAI Jian，et al[14]對浮式防波堤的研究和發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，浮式防波堤主要包括箱式、浮筒式、框架式、墊式、系泊式、水平板式等結構類型，并對它們的性能進行了對比和討論。

基于上述學者的研究，發(fā)現(xiàn)對影響浮式防波堤水動力性能的影響因子研究較少，因此對箱-板組合浮式防波堤開展模型試驗，提出了三種不同影響因子——浮箱入水深度、底板與浮箱間距以及底板長度，并研究其對結構運動響應、錨鏈系泊力以及透射系數(shù)的影響，提出結構優(yōu)化措施，為結構的數(shù)值模擬與工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗方法

本次模型試驗地點位于浙江海洋大學近海海洋工程技術重點實驗室的水槽中進行，水槽尺寸為20 m×0.8 m×1 m，采用推板式造波機，可產(chǎn)生周期為0.5～3 s，滿足試驗所需波浪要求，在遠離造波機的一側安裝消浪網(wǎng)，以減少反射波作用帶來的不利影響。根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》有關相似準則的規(guī)定，波浪物理模型采用正態(tài)模型，波浪與建筑物相互作用模型的設計應滿足重力相似(Froude準則)，浮式建筑物斷面模型的試驗比尺應滿足λ≤80。因此，考慮試驗條件及實際工程應用，試驗比尺，λL=30。

該浮式防波堤由兩部分組成，分別是兩個浮箱組成的上部結構和底板組成的下部結構，箱體之間通過桿件剛性連接。模型實物如圖1所示。方箱和底板材質(zhì)均為亞克力板，單個方箱設計尺寸為：長0.4 m、寬0.2 m、高0.167 m，方箱間距為0.133 m。方箱頂部設計成設有開口，通過方箱壓載可以改變結構吃水。底板尺寸為：寬0.4 m、厚0.05 m，底板長度分別為0.533 m、0.67 m，以研究底板長度對浮體水動力的影響，且底板間距可調(diào)、可拆卸，以研究底板與浮箱的相對間距對結構水動力的影響。

結構模型通過兩側分別布置兩根平行的錨鏈來定位，如圖1所示，錨鏈選用直徑1 mm軟鋼絲代替，錨鏈長度滿足幾何相似，將重物懸掛于錨鏈上模擬懸鏈線。錨鏈一端與浮體下底板底部相連，另一端通過固定于水槽底端的定滑輪拉出水面與拉力傳感器相連，拉力傳感器另一端固定。前后錨點間距為20 cm，左右錨點間距為103.3 cm。在模型正上方固定組合慣導，使其與模型組合成一體，做好防水。在距離模型正上方一定距離處，布置激光測距儀，并在試驗前測量出模型與激光測距儀間距。試驗水深為50 cm，在放置裝置模型前，確定每組波要素對應的造波機參數(shù)。

圖1 試驗儀器設備Fig.1 The test equipment

圖2 模型布置示意圖Fig.2 Overall layout of the structural model

1.2 試驗工況

入射波為規(guī)則波，波高0.05 m，試驗水深為0.5 m，浮箱靜吃水深度為0.1 m。試驗模型設計兩種不同的底板長度，分別為0.533 m和0.667 m。模型底板層數(shù)為兩層，兩底板間距為0.035 m，底板與浮箱的間距分別設為0.06 m和0.09 m。模型結構參數(shù)匯總如表1。

表1 試驗模型匯總Tab.1 Test model summary

1.3 測量設備

通過SDI-CH-2組合慣導測量橫搖與縱搖。該慣導通過內(nèi)部的慣性器件如陀螺、加速度計等，獲得當前位置信息，具有精確度高、可通訊和攜帶方便等優(yōu)點。將慣導水平固定于浮體正上方，慣導與模型保持相對靜止，則慣導的運動即為模型的運動。

垂蕩的大小通過激光測距傳感器測量，儀器通過測量激光的往返時間最后得到往返間距，具有極高的準確性。將激光傳感器水平懸空布置于模型正上方，并測量此時激光測距儀與模型的相對間距。最后將得到的相對間距減去初始間距即為模型的垂蕩運動。

錨鏈系泊力的大小通過拉力傳感器測量。由于拉力傳感器并不防水，因此通過定滑輪的原理，將定滑輪布置于水槽底端，錨鏈通過定滑輪拉出水面進行測量。拉力傳感器的連接方式是：模型—錨鏈—錨點—錨鏈—拉力傳感器—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即錨鏈與拉力傳感器相連，拉力傳感器一端通過磁鐵與水槽固定，另一端與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)相連，并將數(shù)據(jù)實時顯示并保存。每完成1組試驗工況，進行1次平衡清零。

2 試驗結果分析

2.1 浮體吃水深度對結構水動力分析的影響

采用兩種方式改變模型吃水深度：(1)對浮箱進行壓載；(2)增加底板與浮箱間距。研究浮體吃水對浮體運動幅值、錨鏈系泊力和透射系數(shù)的影響。

2.1.1 吃水深度對結構運動幅值的影響

圖3 吃水深度對結構運動幅值的影響隨W/L的變化曲線Fig.3 Variation of the motion amplitude with W/L for different draught depth of model

如圖3(a、b、c)分別為不同吃水深度下，結構各運動幅值隨相對寬度W/L的變化曲線，橫坐標W/L為結構寬度W與波長L的比值，縱坐標分別為運動位移幅值。試驗結果表明：(1)隨著W/L的增加，垂蕩和橫搖運動幅值都先減小后趨于平緩，而縱搖運動不同結構模型其變化趨勢有較大差異，但總體趨勢都隨W/L的增加而減??；(2)模型A的運動幅值始終大于其他兩種結構模型，說明增加浮箱入水深度和增加底板與浮箱間距都可以顯著減小結構運動響應。當浮箱入水深度增加30 mm時(即B模型)，模型的垂蕩運動幅值減小約15%，而橫搖和縱搖減小幅度不大；(3)當浮箱與底板間距增加30 mm時(即C模型)，結構的垂蕩運動減小約30%，橫搖運動減小約20%，而縱搖運動幅值影響程度略小。通過上述對比發(fā)現(xiàn)，兩種方法對模型垂蕩運動的影響最大，這是因為增加浮箱吃水深度，使得模型底部受到的浮托力變小，導致模型垂向運動減小。不同點在于，當模型吃水深度都增加30 mm時，模型B的運動響應明顯大于模型C，說明增加浮箱入水深度的方法對減小模型的運動響應效果更佳。

2.1.2 吃水深度對錨鏈系泊力的影響

如圖4(a、b)所示給出了結構不同吃水深度下，錨鏈系泊力隨相對寬度W/L的變化曲線。試驗結果表明：(1)相對寬度W/L越大，兩側系泊力均越小。迎浪側錨鏈力呈現(xiàn)先上下波動再急劇減小最后趨于平緩的趨勢，且W/L越大，不同結構類型的迎浪側系泊力越接近；而背浪側系泊力則是隨著W/L的增加逐漸減小。

圖4 浮箱吃水深度對錨鏈系泊力的影響隨W/L變化曲線Fig.4 Variation of the mooring force with W/L for different draught depth of model

(2)模型A的兩側錨鏈系泊力均大于其他兩種結構模型，說明增加模型吃水深度能有效減小兩側錨鏈系泊力。當浮箱入水深度增加30 mm時(即B模型)，迎浪側和背浪側系泊力均減小約20%；當浮箱與底板間距增加30 mm時，迎浪側錨鏈系泊力減小約30%。通過上述對比發(fā)現(xiàn)，增加浮箱入水深度來增加模型吃水的方法來說，對減小兩側錨鏈系泊力的影響效果更佳。因為增加浮箱入水深度時，浮箱重量因此增加，錨鏈將受到額外的力來平衡浮箱的慣性作用力。但同時發(fā)現(xiàn)，用軟鋼絲代替錨鏈進行試驗，由于軟鋼絲彈性模量較大，使得錨鏈受力時間過短，易出現(xiàn)突變值影響試驗結果。因此在軟鋼絲下懸掛重物模擬懸鏈線狀態(tài)，使錨鏈受力呈逐漸平緩上升狀態(tài)，降低試驗誤差。

2.1.3 吃水深度對模型透射系數(shù)的影響

圖5給出了不同吃水深度下，浮式防波堤透射系數(shù)隨相對寬度W/L的變化曲線。從圖5可以看出，模型相對寬度W/L對透射系數(shù)影響較大。在試驗范圍內(nèi)，W/L越大，模型透射系數(shù)越小。模型B和模型C的透射系數(shù)遠遠小于模型A，且W/L越大，差距越明顯。說明增加浮體的吃水深度對減小波浪侵襲有顯著作用，尤其是應對短周期波浪時，效果尤為明顯。

圖5 浮箱吃水深度對模型透射系數(shù)的影響隨W/L變化曲線Fig.5 Variation of the transmission coefficient with W/L for different draught depth of model

2.2 底板長度對模型運動響應的影響

2.2.1 底板長度對模型運動響應的影響

探究底板長度對模型運動響應的影響，圖6給出了不同底板長度下浮式防波堤運動響應隨相對寬度W/L的變化曲線。

從圖6可以看出，與模型A相比，增加底板長度可明顯減小模型的垂蕩運動幅值。而對縱搖和橫搖的影響與相對寬度W/L有關，當W/L在0.3～0.5之間時，底板長度對減小縱搖和橫搖運動幅值有顯著影響，當相對寬度W/L達到0.6時，底板長度對縱搖和橫搖運動幅值的影響很小。這是因為水平板長度的增加，不僅增加了模型的重量，降低了模型的整體重心位置，同時增加了模型的整體面積，使模型在垂向運動上有更大的阻力。因此，當浮體面對長周期波浪作用時，可以增加水平板長度，來減小其運動響應。而面對短周期波浪時，增加水平板長度僅對垂蕩的減小有幫助。

圖6 底板長度對模型運動響應的影響隨相對寬度W/L變化曲線Fig.6 Variation of the motion response with W/L for different plate lengths

將該模型進行數(shù)值模分析，驗證該結果合理性。試驗比尺λL=30，數(shù)值模擬結果如圖7所示。

從圖7的數(shù)值模擬結果可以看出，模型運動響應隨相對寬度W/L的增加而逐漸減小，且底板長度對垂蕩的影響更大，周期越大影響越顯著，與試驗結果相吻合。

2.2.2 底板長度對模型錨鏈系泊力的影響

探究底板長度對模型錨鏈系泊力的影響，圖8給出了不同底板長度下浮式防波堤錨鏈系泊力隨相對寬度W/L的變化曲線。

從圖8可以看出，底板長度越長，兩側錨鏈系泊力均越小，且影響作用與模型相對寬度W/L有關。當W/L越大時，底板長度對迎浪測錨鏈系泊力影響越小，對背浪側錨鏈系泊力影響越大。且當W/L達到0.9左右時，底板長度的改變對迎浪側錨鏈系泊力幾乎沒有影響，這是因為此時迎浪側錨鏈基本處于張緊狀態(tài)。因此在面對長周期波浪時，增加底板長度可以有效減小迎浪側錨鏈系泊力。

2.2.3 底板長度對模型透射系數(shù)的影響

探究底板長度對模型透射系數(shù)的影響，圖9給出了不同底板長度下浮式防波堤透射系數(shù)隨相對寬度W/L的變化曲線。

從圖9可以看出，底板長度越長，模型透射系數(shù)越小，且當相對寬度W/L越大，底板長度對模型透射系數(shù)的影響越大。說明在面對長周期波浪時，增加其底板長度難以有效提高結構的消浪性能。而對短周期波浪，合理的增加底板長度，可以有效提高浮體的消浪性能。

圖7 數(shù)值模擬結果Fig.7 Numerical simulation results

圖8 底板長度對模型兩側錨鏈系泊力的影響隨W/L變化曲線Fig.8 Variation of the mooring force with W/L for different plate lengths

圖9 底板長度對模型透射系數(shù)的影響隨W/L變化曲線Fig.9 Variation of the transmission coefficient with W/L for different plate lengths

3 結語

針對箱-板組合浮式防波堤結構，開展物理模型試驗，改變結構吃水、水平板長度對防波堤的運動響應幅值、系泊力與波浪透射系數(shù)的影響規(guī)律進行了分析，得到以下結論：

(1)通過改變浮箱入水深度和增加底板與浮箱間距來改變浮體吃水深度的方法，兩者均可減小浮體的運動響應，前者使浮體的運動響應更小，后者更有利于減小兩側錨鏈系泊力。

(2)底板長度對垂蕩運動幅值影響最大，而對橫搖和縱搖的影響與波浪周期有關。當長周期波浪作用時，增加底板長度有利于減小模型整體運動響應；短周期波浪作用時，僅對垂蕩運動的減小有作用。并通過數(shù)值模擬驗證該結果的合理性。

(3)增加模型吃水深度和底板長度對減小模型透射系數(shù)有顯著效果。