基于物模试验的平板与弧板式防波堤水动力特性对比*

张俊斌,李雪艳,2，王 庆,伊 锋,张金芝,王丽雪,张之晨,李 钦,王嘉睿,王玉坤

(1.鲁东大学海岸研究所，山东 烟台 264025；2.鲁东大学跨海工程研究院，山东 烟台 264025)

防波堤是沿海港口的重要组成部分，其主要功能是减弱波浪冲击以维护港池内水面平稳，保证船舶安全停靠以及保护近岸结构物。目前常见的重力式防波堤的类型主要有斜坡式和直立式防波堤，这两种类型的防波堤具有很好的消浪效果，但随着水深的不断加大，防波堤用料也就越来越多，且施工难度加大。此外，该类型防波堤完全阻断港区内外水体的流通，对港内水质和生态环境有不利影响。同时，由波浪理论可知，波能主要集中在水体表层，且主要集中于水体表层2～3倍波高内，故由桩基基础和上部防浪结构组成的透空式防波堤的消波性能研究逐渐受到广泛关注。本文主要对比平板式防波堤和弧板式防波堤的水动力特性。

关于板式防波堤消浪性能研究，前人做了大量的理论、试验和数值模拟研究工作。最简单的透空堤形式由邱大洪等[1]提出，为仅有一个单板构成的透空式防波堤。之后学者们在此基础上进行了改进[2-4]；王晶等[5]对新型透空板式防波堤的消浪性能进行物理模型试验；王科等[6-7]对近自由水面水平板式防波堤消波特性进行了研究。还有许多学者进行了数值模拟[8-11]；近年来，吴瑶瑶等[12]利用数值模型的方法讨论了相对潜深、入射波周期、相对波高、相对板宽和结构形式对透射系数的影响；程永舟等[13]提出了一种新型透空格栅板式防波堤，探讨了上下层平板相对间距以及格栅板间隙对消波效果的影响。本文通过对比平板式透空堤与弧板式透空堤的波面高程、透射系数、反射系数、压力和流场，给出两者在不同工况下水动力特性的差异。

1 试验设置

1.1 试验与模型设计

该物模试验在鲁东大学港口航道与海岸工程实验室进行，配有长60.0 m、宽2.0 m、高1.8 m的大波流水槽，其最大工作水深为1.5 m，由造波区、试验区以及消波区组成。水槽一侧采用伺服电机驱动的推板式造波机，推波板宽为2.0 m。消波区采用不规则棱角石块堆积而成的斜坡消浪，其水平长度6.8 m、垂直高度1.3 m、坡度约为1:5。数据采集过程中的波面高程和测点压力分别采用浪高仪和压力传感器测量。

本试验模型包括单弧板式防波堤和单平板式防波堤两种。其中，单弧板式防波堤如图1a)所示，沿波浪传播方向弧板长0.45 m、宽0.79 m、厚0.01 m；单平板式防波堤如图1b)所示，平板沿波浪传播方向长0.45 m、宽0.79 m、厚0.01 m。两种防波堤均由有机玻璃制作，模型可拆卸。防波堤布置在水槽试验区的中后部，如图2所示。沿防波堤模型的迎浪向与背浪向共布置3根浪高仪，编号为1#～3#，其中1#和2#浪高仪位于迎浪向，3#浪高仪位于背浪向。

图1 防波堤结构

图2 防波堤布置(单位：m)

1.2 试验工况

本试验采用规则波浪，涉及的主要参数有水深d、波高H、周期T以及潜深h。试验中平板式与弧板式防波堤所采用的水深均为0.6 m，波高包含0.06、0.10 m，周期分别为1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 s。潜深定义为结构物上表面顶点距静水面的距离，为别为-0.03 m(表示结构物位于静水面以上)、0 m(表示结构物位于静水面处)和0.03 m(表示结构物位于静水面以下)。为深入探讨透射系数与反射系数与各变量间的变化关系，采用无量纲化参数进行讨论，故本文采用相对波高H/d分别为0.10、0.17，相对潜深h/d分别为-0.05、0、0.05。

2 结果分析

2.1 波面高程变化

周期T=2.0 s、相对波高H/d=0.1、相对潜深h/d为0.05和-0.05时，平板式与弧板式防波堤不同位置测点处的波面历时曲线如图3所示。在相对潜深h/d=0.05时，平板式防波堤迎浪向的波面高程与弧板式防波堤的相当，而背浪向的波面高程明显小于弧板式防波堤的波面高程；在相对潜深h/d=-0.05时，平板式防波堤迎浪向的波面高程仍与弧板式防波堤的相当，而背浪向的波面高程明显大于弧板式防波堤的波面高程。由此可知，在出水状态时，弧板式防波堤消浪效果优于平板式防波堤，而入水状态时则相反。

图3 平板式与弧板式防波堤波面历时曲线对比

2.2 透射系数

两种结构物的透射系数比对见图4，纵坐标为透射系数，横坐标W/L为相对板宽(W为板的宽度0.45 m,L为不同周期所对应的波长)。两种结构物在不同潜深条件下透射系数具有较大的差异。在波浪要素相同的情况下，相对潜深h/d=0时，两种结构物的透射系数大小相差较小；相对潜深h/d=0.05时，弧板式防波堤的透射系数明显高于平板式防波堤的透射系数；相对潜深h/d=-0.05时，平板式防波堤的透射系数明显高于弧板式防波堤的透射系数。由此可知，潜深对防波堤透射系数的影响较为显著。

图4 平板式与弧板式防波堤的透射系数对比

2.3 反射系数

两种结构物的反射系数Kr对比见图5。在波浪要素相同的情况下，相对潜深为0、0.05时，平板式防波堤的反射系数明显大于弧板式防波堤的反射系数；在相对潜深为-0.05时，情况相反。平板式与弧板式透空堤的反射系数均会随相对板宽的增大呈现波动增大的变化趋势。

在相对潜深h/d=0时，两种结构物透射系数大致相同，而反射系数有较大差异。分析其原因可能为，当结构物位于静水面时，平板与弧板顶部均刚好与静水面齐平，其对波浪的阻碍效果相当，故两者的透射系数差别不大；而在相同情况下时，由于弧板与平板在垂直方向上的高度不同，其对波浪的反射作用也不同，故两者的反射系数有较大差别。

图5 平板式与弧板式防波堤的反射系数对比

2.4 压力

在周期T=2.0 s、相对波高H/d=0.17、相对潜深h/d分别为0、0.05和-0.05时，两种结构物的压力包络线对比见图6，纵坐标为最大波压力，横坐标为相对板宽X/W(X为结构物开孔位置距迎浪侧板前端的距离,W为板的宽度),此处用X/W是为了确定开孔所测压力点在结构物上的相对位置，可以更准确地表明结构物不同位置处所受的压力；而图5中的相对板宽W/L，是为了表述透、反射系数与周期的关系，周期对应波长，为了使横坐标波长无量纲化，所以统一用板宽W除以波长L，得到相对板宽W/L。相对潜深为0时,平板式防波堤上表面正压与负压较为稳定；弧板式防波堤上表面正压较稳定，负压呈先减小后增大的趋势；下表面平板正压大于弧板正压，而平板负压小于弧板负压(图6a)、b))；相对潜深为0.05时，两种结构物的下表面正负压力差异不显著。两者上表面正负压差异显著，弧板上表面负压随相对板宽呈先减小后增大的变化趋势(图6c)、d))；相对潜深为-0.05时,两种结构物上表面的正压差异显著而下表面正压差异不明显(图6e)、f))。两种结构物上下表面的负压差异显著，弧板不同测点处负压随相对板宽呈现先减小后增大的变化趋势。

图6 平板式与弧板式防波堤的压力包络图对比

2.5 流场

两种结构物在水深d=0.6 m、入射波周期T=1.2 s、相对波高H/d=0.17、相对潜深h/d=-0.05时，时间t=0.25T和t=0.75T时的流场变化见图7。在一个波浪变化周期内，t=0.25T时，两种结构物迎浪向一侧水体明显高于背浪向，水体作用于结构物时波浪破碎显著；t=0.75T时，波浪已经完全越过结构物，此时水体处于回落状态，强烈冲击槽内水面。由于弧板式防波堤尺寸在垂直方向较大，波浪作用于结构物时存在一个爬升过程，与平板式防波堤相比，对波浪阻碍作用较大，故其透浪较少，消浪效果更优。

图7 平板式与弧板式防波堤的流场对比

3 结论

1)通过综合比较平板式与弧板式防波堤迎浪向与背浪向波面高程变化、透射系数与反射系数可知，在出水状态时(相对潜深h/d=-0.05)，弧板式防波堤的消浪效果明显优于平板式防波堤；在入水状态(相对潜深h/d=0.05)和静水面(相对潜深h/d=0)时，平板式防波堤的消浪效果明显优于弧板式防波堤。

2)平板式与弧板式防波堤上表面不同测点处压力差异显著，下表面不同测点处压力差异较显著。弧板式防波堤上表面负压随相对板宽呈先减小后增大的变化趋势，而平板上表面负压变化不显著。

3)板式防波堤的消浪效果较为优良，在维护港区内的水面平稳及促进水体交换方面作用较大。在实际工程应用中，建议潮差较小的出水状态时采用弧板式防波堤消浪；潮差较大的入水状态时采用平板式防波堤消浪。