《厦门理工学院学报》  2021年第1期 68-72   出版日期:2021-02-28   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
双筒双板型浮式防波堤水动力试验研究


浮式防波堤具有易拼装、可移动、灵活性高、造价低等优点,特别适合地质条件差、水比较深的海域,可为养殖设施、海岛旅游、海上施工等提供避风条件。但浮式防波堤也存在对长波(波长与堤宽之比 L/B>6)的耗散效果差、极端风暴条件下结构自身稳定性难以保障、掩护效果不如坐底式防波堤等问题。为此,学者们提出了一些新型浮式防波堤结构型式,它们在消浪效果、结构受力、耐久性、安全性及自身稳定性等方面有一定改善,但大多仍处在理论研究阶段,较理想、成熟、可广泛应用的防波堤结构型式很少[12]。综合前人研究可以看出,浮式防波堤最新改进趋势包括以下几个方面:由刚性体转向刚柔性组合结构[3]、由单一浮体转向多浮体组合形式[4]、由传统的混泥土结构转向新型塑料多孔介质材料[5]。本文在此基础上,提出一种新型的可应用的浮式防波堤结构,并对其受力及消浪性能进行物理模型试验,以期为今后浮式防波堤的建设提供技术支撑。 1物理模型试验 11试验模型 图1双筒双板型浮式防波堤 Fig1Floating breakwater with double cylinders and plates试验模型为厦门理工学院海洋装备研究团队设计的,一种由浮筒、竖板及横向链接板组装而成的双筒双板型浮式防波堤 ( 如图1所示)。该防波堤采用装配式技术,易拼装,可移动,灵活性高。 12试验设备及布置 物理模型试验在厦门理工学院港航实验室进行,水槽长35 m,宽07 m,高08 m,有效水深06 m。水槽造波系统为推板式造波机,可模拟规则波和不规则波。造波机最大可模拟波高为02 m,最大可模拟周期为5 s。实验模型布置于水槽中离造波机约15 m处,在距模型前后15 m处各布置两个波高计,波高计之间间距03 m。物理模型实验平面布置具体如图2所示。 图2物理模型实验平面布置图 Fig2Plan of physical model experiment 厦门理工学院学报2021年 第1期万艳:双筒双板型浮式防波堤水动力试验研究 使用2000型数据采集分析系统,4个波高计同时采集数据,运用Goda两点法进行入射波与反射波的分离计算。波高计采样频率为001 Hz,采集时长为60 s,保证每一周期的平稳波个数大于15。 采用拉力传感器测量锚链拉力,传感器的信号经放大器和UTEK采集器后由计算机加以采集、保存和分析。模型试验中,拉力传感器与锚链及水槽底部的连接方式是:模型侧端—锚链—拉力传感器—锯条,锚链一端铰接于模型侧端,一端穿过固定于槽底的滑轮铰接于传感器。拉力传感器和锚链在水槽中的布置情况见图3。 图3拉力采集试验设计图 Fig3Design of tension collection test 试验所使用锚链是根据与原型锚链的弹性相似及重力相似原则设计的,通过控制锯条的厚度(双层或多层)和长度来实现原型锚链(主要考虑钢缆和尼龙绳)弹性指标模拟。按《波浪模型试验规程》734条[6],采用如式(1)所示的wilson公式确定模型缆绳拉力伸长关系: Tm=Cpd2p(ΔS/S)nλ3。(1) 式(1)中:Tm为模型锚链拉力Cp为原型锚链弹性系数(钢缆可取Cp=2697×104 MPa,尼龙缆取Cp=1540×104 MPa)dp为原型锚链直径;ΔS/S为原型锚链相对伸长,S为原型锚链初始长度;n为指数(钢缆取 15,尼龙绳取 3)。模型锚链采用在试验测力范围内基本无弹性的轻质细钢丝绳,模拟结果如图4所示。图4中,测试值是通过试验测量不同伸长长度和厚度的锯条拉力得到的,计算值由公式(1)计算得到。 图4锚链模拟曲线 Fig4Simulated curves of anchor chain 13试验工况 根据《波浪模型试验规程》,防波堤模型的设计按照重力相似准则,选取模型的缩尺比为λ=1∶20,模型的主要参数见表1,试验波况见表2。 表1模型主要参数(静水) Table 1Main parameters of the model in still water单位:m 参数宽度长度圆筒直径竖版高度浸没深度模拟值0.40.690.10.10.1原型值8.0—2.02.02.0表2试验波况 Table 2Wave conditions 参数工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7水深/m050050050050050050050波高/m007007007007005009012周期/s0801161341561341341342试验结果及分析 21锚链拉力 211刚度对锚链拉力的影响 图5和图6分别给出了锚链材质为钢缆和尼龙绳时拉力随时间的变化过程。参数考虑试验水深05 m,波浪周期134 s,波高007 m。 图5锚链为钢缆时拉力随时间变化情况 Fig5Variation of tension with time when anchor chain is a steel cable 图6锚链为尼龙绳时拉力随时间变化情况 Fig6Variation of tension with time when anchor chain is a nylon rope 由图5~6可见,锚链刚性越大,其对模型的约束越强,因而受到的拉力越大;迎浪面的受力大于背浪面。迎浪面与背浪面各自两条锚链的拉力数值基本重合,因而在下面的研究中,将取迎浪面两条锚链拉力的平均值作为单根锚链的受力。 212波高、周期对锚链拉力的影响 图7不同周期下锚链拉力随波高变化情况 Fig7Variation of anchor chain tension with wave height at different periods由于浮式防波堤迎浪面的锚链拉力远大于背浪面,因此,主要对迎浪面的锚链力进行分析。本工况所模拟的锚链为钢缆,取拉力计1与拉力计2数据曲线的平均峰值作为单根锚链受力的最大值。不同周期(分别为080、116、134、156 s) 下,锚链拉力随波高的变化情况如图7所示。由图7可见,波高增大,锚链拉力也增大,但不同周期情况下,锚链拉力随波高增加的趋势差异较大,周期越大,锚链拉力随波高增长的速率越快。为此,需重视长周期波对锚链拉力的影响。 22透射系数 定义透射系数为 Ct=HtH。(2) 式(2)中,H为入射波高,Ht为透射波高,Ct由Goda 两点法计算求得。 周期为080、116 s时,不同状态下(防波堤刚性固定、锚链分别为钢缆和尼龙绳),透射系数随波高的变化情况如图8所示。 图8不同状态下浮式防波堤透射系数随波高变化情况 Fig8Variation of transmission coefficient of floating breakwater with wave height under different states 由图8可见,浮动状态下(钢缆锚固或尼龙绳锚固时),透射系数的变化规律与刚性固定时是一致的,即透射系数随波高的增大变化不明显,随周期的增大而增大。但浮动状态下,防波堤的消浪效果明显差于刚性固定的情况,且锚链的相对刚度越小,消浪效果越差。如周期为08 s时,防波堤刚性固定时,透射系数仅为02左右;而浮动状态下,均达到05以上(钢缆大于05,尼龙绳大于06)。 3结论 本文在总结概括传统浮式防波堤的分类、存在问题和浮式防波堤发展趋势的基础上,提出了一种基于新型 HDPE 材质的浮式防波堤结构,并开展了共物理模型断面实验,研究了防波堤的受力及消浪性能,试验结果表明:锚链刚性越大,其对模型的约束越强,所受到的锚链拉力越大;防波堤的透射系数及锚链拉力随周期的增大而增大;波高对透射系数的影响不大,但锚链拉力随波高的变化较明显,随波高的增大而增大,且周期越大,锚链拉力随波高增长的速率越快。 本研究可为浮式防波堤的工程研制提供可靠的技术支持。