透空桩基式防波堤
土木工程概论 第7章 港口工程(2016)
挖入式
Y形挖入式航道
平行挖入式航道
港口工程建设
老港口增加人工港岛
填筑式的布置，如果港口岸线 已充分利用，泊位长度已无法延伸， 但仍未能满足增加泊位数的要求时 可采用。
港口工程建设
4、港口分类
商港 海港 军港 按用途分 渔港 工业港 避风港 河港 湖港
按所在位置分
天然港
按成因分 人工港
港口工程建设 5、 港口水工建筑物
港口工程建设
直接护岸建筑：斜面式护坡、直立式护岸墙、混合式
护岸墙断面图
港口工程建设
间接护岸建筑 潜堤：利用潜堤促淤就是将潜堤布置在波浪的破碎水深以内而临近 于破碎水深之处，大致与岸线平行，堤顶高程应在平均水位以下，并将 堤的顶面作成斜坡状，这样可以减小波浪对堤的冲击和波浪反射，而越 过堤顶的水量较多。
港口工程建设
港口工程规范要求： （1）对水位差8m以下的货运的货运码头，宜建直立式； （2）对水位差8～17m的杂货码头，主要采用直立式，对散货码头主要 采用斜坡式； （3）对水位差17m以上，以建斜坡式为主，也可因地制宜建一些其它形 式。
港口工程建设
（4）按地理位置分类 海港，河港，水库港，河口港等。 （5）按结构型式分类 实体式（重力式，板桩式），透空式，混合式。
系船设施、防冲设施、工艺设施、安全设施、路面等
（1）上部结构的作用：直接承受船舶荷载和地面使用荷载，并将这些荷载 传给下部结构、将下部结构的构件连成整体、设置码头设施，如防冲设施、 系船设施等。 （2）下部结构的作用：支承上部结构，形成直立岸壁、将作用在上部结构和
本身上的荷载传给地基。
（3）码头设备：用于船舶的系靠和装卸作业等。
（5）必须注意环境保护、防治污染。港口建设应与环境保护同步规划、 同步实施、同步发展。 （6）港口建设必须认真贯彻节能方针，推广先进节能技术、节约能源 合理利用能源，降低能耗。 （7）港口水工建筑物的等级主要根据港口政治、经济、国防等方面的
防波堤的新结构型式
直立面） 防波堤； %水平式混合堤。 对#类的开孔消浪沉箱结构， 由开孔消浪矩形沉箱
・ "$ ・
总 %%) 期第 !! 期 &**! 年 !! 月
《水运工程》 6789 : ;/9<8=/> ?5@45<<845@
结语 （!） 本驳岸工程虽然规模不大， 但低桩承台后板桩结
构在厦门地区还是第一次采用。该结构因其投资较省、 施工便捷且对相临构筑物影响小等优点受到了建设单位 的好评， 已被评为厦门市优质工程。该结构在鹭江道改 造工程中的成功应用为今后在厦门地区采用该类结构打 开了思路， 积累了经验。 （+） 为积累低桩承台后板桩结构的运用经验， 设计原 要求对桩基及承台进行应力测试， 后由于工期紧、 资金限 制而没能实现。但从施工和工程竣工后的位移及沉降的 观测资料来看， 实际位移基本与设计计算值相符。 （,） ’&’&# () 程 序 对 桩 基 入 土 段 采 用 弹 性 地 基 梁 法， 因而合理选取 * 值是设计的关键， 这有待今后在工程 实践中加以总结。
石港大水深梯形沉箱防波堤、 柴山港双层圆筒防波堤、 宫崎港半圆型防波堤和熊本港的 “倒 !型着底式” 防波堤。 关键词： 防波堤； 新结构型式 中图分类号： +’*’ # " 文献标识码： , 文章编号： （"$$!） !$$" ( -)%" !! ( $$"$ ( $’
!"# $%&’(%’&" )*+", -. /&"01#0%"&,
码头的布置形式
码头的布置形式常规码头的布置型式有以下三种：1.顺岸式。
码头的前沿线与自然岸线大体平行，在河港、河口港及部分中小型海港中较为常用。
其优点是陆域宽阔、疏运交通布置方便，工程量较小。
2.突堤式。
码头的前沿线布置成与自然岸线有较大的角度，如大连、天津、青岛等港口均采用了这种型式。
其优点是在一定的水域范围内可以建设较多的泊位，缺点是突堤宽度往往有限，每泊位的平均库场面积较小，作业不方便。
3.挖入式。
港池由人工开挖形成，在大型的河港及河口港中较为常见，如德国汉堡港、荷兰的鹿特丹港等。
挖入式港池布置，也适用于泻湖及沿岸低洼地建港，利用挖方填筑陆域，有条件的码头可采用陆上施工。
近年来日本建设的鹿岛港、中国的唐山港均属这一类型。
黄岛油码头工程天津石化码头青岛港新建工程由于现代码头要求有较大陆域纵深（如集装箱码头纵深达350～400m）和库场面积，国内新建码头的陆域纵深有加宽的趋势，天津新港东突堤的平均宽度已达650m。
随着船舶大型化和高效率装卸设备的发展，外海开敞式码头已被逐步推广使用，并且已被应用于大型散货码头，我国石臼港煤码头和北仑港矿石码头均属这种类型。
此外，在岸线有限制或沿岸浅水区较宽的港口以及某些特殊要求的企业（如石化厂），岛式港方案已在开始发展，日本建成的神户岛港属于这一类型。
码头按其前沿的横断面外形有直立式、斜坡式、半直立式和半斜坡式。
直立式码头岸边有较大的水深，便于大船系泊和作业，不仅在海港中广泛采用，在水位差不太大的河港也常采用。
斜坡式适用于水位变化较大的情况，如天然河流的上游和中游港口。
半直立式适用于高水时间较长而低水时间较短的情况，如水库港。
半斜坡式适用于枯水时间较长而高水时间较短的情况，如天然河流上游的港口。
珠海高栏港码头码头按结构形式可分为重力式、板桩式、高桩式和混合式。
正在建设的码头重力式码头是靠自重（包括结构重量和结构范围内的填料重量）来抵抗滑动和倾复的。
这种结构一般适用于较好的地基。
海岸工程学复习
第一章 绪论一、海岸线、海岸带与海岸1、海岸线：海洋与陆地的交界线称为海岸线。
2、海岸带：海岸线两侧具有一定宽度的条形地带称为海岸带。
海岸带的宽度各国规定不尽相同，我国规定：一般岸段自海岸线向陆地延伸10km 左右；向海扩展到10-15m 等深线。
海岸带组成：潮上带、潮间带和潮下带。
位于高潮位之上的区域为潮上带(38%)，位于高潮位和低潮位之间的区域称为潮间带(7%)，位于低潮位以下的区域为潮下带(55%) 二、海岸类型：基岩海岸、砂砾质海岸、淤泥质海岸、生物海岸1、基岩海岸定义：一般是陆地山脉或丘陵延伸与海面相交，经过波浪作用形成的海岸。
2、砂砾质海岸定义：又称堆积海岸，主要是平原的堆积物被搬运到海岸边，再经波浪或风的改造堆积形成。
3、淤泥质海岸定义：主要由江河携带入海的大量细颗粒泥沙，在波浪和潮流的作用下输运沉积形成。
4 、生物海岸生物海岸包括红树林海岸和珊瑚礁海岸。
红树林海岸由红树植物与淤泥质潮滩组合而成；珊瑚礁海岸由热带造礁珊瑚虫遗骸聚积而成。
我国海岸带的环境特征:1、灾害性天气频繁2、大陆与海洋作用强烈-陆相:泥沙。
海相:风浪、海啸3、人类活动影响显著:径流和入海泥沙 海岸线冲淤变化的影响因素1.长期因素：海平面上升影响或地面沉降引起岸线蚀退。
2.短期因素：波浪、沿岸流、潮流、人类活动等四、海岸带开发与海岸工程（1）海岸防护工程 作用：保护沿海城镇、农田、盐场和岸滩，防止风暴潮的泛滥淹没，抵御波浪、水流的侵袭与淘刷。
分类：海堤（或海塘）、护岸、丁坝和保滩工程第二章 海岸动力因素第一节 波浪一、波浪1、波浪要素：波峰(谷)、波长、周期、波速(波型传播的速度)、波高(相邻波峰和波谷的垂直距离)、振幅、波陡(波高与波长之比)、波峰线(波峰的连线)、波向线(波浪传播方向，垂直于波峰线)。
2、设计波浪：平均波高（ ）、累积频率波高（ ）、1/10大波 （ ）、有效波高（ ）二、潮汐H %F H 101H 31H一、沿海潮汐的特征1、潮汐定义：海水在天体引潮力的作用下所产生的周期性运动。
新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究
第53卷 第8期 2023年8月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(8):123~131A u g.,2023新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究❋吴松源,赵 洋❋❋,刘 勇(中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100)摘 要: 为有效提高挡板式防波堤的掩护效果,同时抑制基床冲刷,本文提出了一种新型的挡板-堆石防波堤结构,并利用理论解析的方法,对其透㊁反射特性进行了研究㊂基于线性势流理论,通过多项G a l e r k i n 方法模拟垂直挡板两侧的压力差,建立边值问题,利用匹配特征函数法进行解析求解㊂通过结果收敛性分析和正确性验证,发现解析解收敛性良好,且与分区边界元方法的计算结果一致㊂基于算例分析,研究了挡板-堆石防波堤的结构参数对防波堤掩护效果的影响,为实际工程提供科学指导㊂关键词: 挡板-堆石防波堤;消浪特性;透射系数;反射系数;多项G a l e r k i n 方法;匹配特征函数中图法分类号: T V 31 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)08-123-09D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220119引用格式: 吴松源,赵洋,刘勇.新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(8):123-131.W u S o n g y u a n ,Z h a oY a n g ,L i uY o n g .T h e o r e t i c a l s t u d y o nt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fn e wt y p eb a f f l e -r o c k f i l l b r e a k w a t e r [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(8):123-131. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(52001293)资助S u p p o r t e d b yt h eN a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (52001293)收稿日期:2022-03-01;修订日期:2022-04-21作者简介:吴松源(1997 ),男,硕士生㊂E -m a i l :132********@163.c o m❋❋ 通讯作者:E -m a i l :z h a o y2019@o u c .e d u .c n 透空式防波堤能够有效抵御外海波浪入侵,同时允许堤前后的水体自由交换,在海岸工程防护中具有很好的应用和发展前景㊂透空式的挡板防波堤由上部挡浪结构和下部桩基基础构成,挡板结构往往预制安装在由桩基支撑的承台上,具有结构简单㊁施工方便等优点,受到了国内外许多学者的关注㊂U r s e l l[1]最早研究了深水中垂直挡板对波浪反射的性能㊂L o s a d a 等[2]和A b u l -A z m [3]运用匹配特征函数展开法研究了多种波浪入射角度情况下垂直挡板的反射特性和透射特性㊂P o t e r 和E v a n s [4]引入G a l e r k i n 方法展开项建立了波浪作用下3种淹没形式的垂直挡板的解析解,该方法很好地解决了板端的流速奇异性问题,给出了问题的精确解㊂王科等[5]应用无限水深格林函数的方法研究了挡板透空式防波堤的水动力特性,发现该结构对短周期波浪具有很好的掩护效果,但是在较长周期波作用下,其掩护效果较差,波浪几乎全部透射㊂这也是实际工程中制约挡板透空式防波堤应用的主要问题㊂也有研究表明,增加挡板结构的相对吃水深度能够提高防波堤的掩护效果[6-9],但是随之也会出现挡板的结构连接处承受力矩过大㊁挡板底部流速过快和基床冲刷等问题,增加了工程的安全隐患[10-12]㊂对于海港和海岸工程问题而言,较多出现且影响显著的波浪是5~15s 周期的重力波(近岸以涌浪为主)㊂当波浪周期大于10s 时,则船舶断缆等工程事故发生的可能性大大增加㊂而挡板式防波堤对于此类长周期波浪的掩护效果较差;并且当底部流速过大时还存在基床冲刷的问题㊂实际工程中,常采用铺设块石的方式来保护堤底基床,如果增加块石高度,形成堆石结构,不仅能减缓堤底冲刷[13-14],还能在一定程度上耗散波浪能量㊁减少波浪透射[15-17]㊂基于以上考虑,本文提出一种新型的挡板-堆石防波堤,即在挡板结构的背浪侧设置堆石结构,其基本构想在于:当挡板相对吃水深度较小时,利用堆石结构辅助消浪,减少入射波特别是较长周期波作用下的透射系数;当挡板相对吃水深度较大时,针对底部流速过大的问题,堆石结构可以避免基床遭受较大的冲刷,提高结构安全性,同时也在一定程度上减少堤后透射㊂对于波浪作用下的堆石结构水动力特性,已有很多学者开展过深入的研究㊂P u t n a m [18]首先提出波浪与无限厚度透水底床的相互作用可基于线性波浪理论来推求其理论解,底床渗透满足达西定律,得出底床的透水性会带来波高降低的影响㊂S o l l i t t 和C r o s s [19]建立经典的多孔介质理论模型,并且利用多孔介质孔隙Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年率㊁惯性系数与线性阻力系数这三个特征参数来描述作用于多孔介质内的流体运动规律㊂R o ja n a k a m t h o r n 等[20]基于S o l l i t t 和C r o s s 的理论模型[19]对矩形多孔潜堤的水动力特性进行了研究,该理论结果同试验结果符合程度良好,进而验证了该理论模型的合理性㊂P ér e z -R o m e r o 等[21]对不同粒径构成的多孔介质结构开展了系统的物理模型试验研究,给出了多孔介质线性阻力系数的计算方法㊂本文采用理论解析的方法,研究波浪作用下挡板-堆石防波堤的水动力特性㊂1 数学模型1.1边值问题波浪作用于挡板-堆石防波堤的示意图如图1所示,挡板-堆石防波堤置于水深为h 的海域中,由于挡板厚度相比于入射波而言非常小,因此在计算中视其板厚为0,入水深度为a ,多孔堆石结构宽度为b =2l ㊁高度为c ,与挡板间距为w ㊂以多孔堆石中心竖直延长线与静水面的交点为原点建立二维平面坐标系,其中x 轴正方向水平向右,z 轴正方向竖直向上㊂将整个流域分为5个子区域,区域1为挡板迎浪侧水域,区域2为挡板与堆石之间的区域,区域3为堆石正上方水域,区域4为堆石内部区域,区域5为堆石背浪侧水域㊂将堆石结构简化为均匀㊁连续的多孔介质,多孔介质的基本特征通过3个参数来表示:堆石孔隙率ε㊁惯性系数s 和线性阻力系数f[19]㊂图1 波浪作用于挡板-堆石防波堤的示意图F i g .1 S c h e m a t i c d i a gr a mo fw a v e a c t i o n o n b a f f l e -r o c k f i l l b r e a k w a t e r假定流体为无黏㊁无旋㊁不可压缩的理想流体,对于圆频率为ω的规则入射波,可以分离出时间因子e-i ωt ,将速度势表示为:Φx ,z ,t ()=R e φx ,z ()e -i ωt []㊂(1)式中:x ,z 为水质点坐标;t 为时间;R e 表示取实部;i =-1;φx ,z ()表示只取决于空间坐标的复速度势函数㊂每个区域内流体的速度势满足拉普拉斯方程:2φj x ,z () x 2+ 2φj x ,z () z2=0,j =1,2,3,4,5㊂(2)除了满足控制方程即式(2),各个区域的速度势还需要满足以下边界条件㊂(1)自由水面边界条件: φj x ,z () z =ω2g φj ,j =1,2, ,5,z =0㊂(3)(2)水底边界条件: φj x ,z () z =0,j =1,2, ,5,z =-h ㊂(4)(3)远场条件:l i m x ң-¥ x+i k 0æèçöø÷φ1-φ0()=0,(5)l i m x ң+¥ x-i k 0æèçöø÷φ5=0㊂(6)式中:k 0为入射波波数;φ0为入射波速度势,其表达式为φ0=c o s h k 0z +h ()()c o s h k 0h ()e i k 0x ㊂(7)式中h 为水深㊂(4)潜堤表面边界条件:φ3=s +i f ()φ4,z =-d ,-l <x <l ,(8) φ3 z =ε φ4 z,z =-d ,-l ɤx ɤl ,(9)φ2=s +i f ()φ4,-h ɤz ɤ-d ,x =-l ,(10) φ2 x =ε φ4 x,-h ɤz ɤ-d ,x =-l ,(11)φ5=s +i f ()φ4,-h ɤz ɤ-d ,x =l ,(12) φ5 x =ε φ4 x ,-h ɤz ɤ-d ,x =l ㊂(13)(5)挡板处边界条件: φ1x=0,-a ɤz ɤ0,x =-w -l ,(14)φ1-φ2=ð¥q =0E qp q (z ),-a ɤz ɤ0,x =-w -l ㊂(15)式中:E q 和p q 分别为待定系数和基函数;q 表示基函数的级数㊂式(15)采用多项G a l e r k i n 方法近似的方法,将垂直挡板两侧的压力差展开为以切比雪夫多项式表示的级数解,从而正确模拟挡板下端点处流体速度的平方根奇异性,提高解析解的收敛性和精度㊂根据文献[4]中式(2.49)㊁(2.52)可得:^p q (z )=p q (z )-ω2gʏz -a p q(t )d t ,(16)421Copyright ©博看网. All Rights Reserved.8期吴松源,等:新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究^p q (z )=2-1()q 2π2q +1()ah a 2-z 2N 2q -z a æèçöø÷,-a ɤz ɤ0㊂(17)式中:g 为重力加速度;N n z ()为第二类n 阶切比雪夫多项式:N n z ()=s i n n +1()a r c c o s z ()/s i na r c c o s z ()㊂(18)以上控制方程及边界条件构成了波浪作用于挡板-堆石防波堤的完整边值问题,下面通过匹配特征函数法进行理论求解㊂1.2理论解析基于分离变量法[22],满足控制方程㊁自由水面边界条件㊁水底边界条件㊁潜堤上表面边界条件式(8) (9)和远场条件的各区域速度势级数表达式为:φ1=ei k 0x +w +l ()+R 0e -i k 0x +w +l ()()Z 0(z )+ð¥m =1R m e k m x +w +l ()Z m (z ),(19)φ2=A 0e i k 0x +w +l ()+B 0e -i k 0x +l ()()Z 0(z )+ð¥m =1A m e -k m x +w +l ()+B m ek mx +l ()()Z m (z ),(20)φ3=ð¥m =1C m c o s λmx ()c o s λml ()U m z ()+ð¥m =1D m s i n λmx ()c o s λm l ()U m z (),(21)φ4=ð¥m =1C m c o s λmx ()c o s λm l ()V m z ()+ð¥m =1D m s i n λmx ()c o s λm l ()V m z (),(22)φ5=T 0e i k 0x -l ()Z 0(z )+ð¥m =1T m e-k m x -l ()Z m (z )㊂(23)式中:R m ㊁A m ㊁B m ㊁C m ㊁D m ㊁T m为待定系数;Z m (z )㊁U m (z )㊁V m (z )为垂向特征函数:Z 0z ()=c o s h k 0z +h ()()c o s h k 0h (),(24)Z m z ()=c o s k m z +h ()()c o s k m h (),m =1,2,3, ,(25)U m z ()=c o s h λm z +h ()()-P m s i n h λm (z +h )()c o s h λm h ()-P m s i n h λmh (),m =1,2,3, ,(26)V m z ()=1-P m t a n h λm a ()s +i fc o s h λm z +h ()()c o s h λm h ()-P m s i n h λm h (),m =1,2,3, ,(27)P m =1-ε/s +i f ()[]t a n h λma ()1-ε/s +i f ()ta n h 2λm a (),m =1,2,3, ㊂(28)波数k 0㊁k m 满足色散关系:ω2=g k 0t a n h k 0h ()=-gk m t a n k m h (),m =1,2,3, ㊂(29)复波数λm 满足复色散方程:ω2-g λm t a n h λm h =P m ω2t a n λm h -g λm (),m =1,2,3, ㊂(30)复波数需要通过摄动法[23]进行求解㊂各子区域的速度势函数满足速度连续和速度势连续条件:φ1=φ2,-h ɤz ɤ-a ,x =-w -l ,(31) φ1 x = φ2 x,-h ɤz ɤ-a ,x =-w -l ,(32)φ2=φ3,-d ɤz ɤ0,x =-l ,(33) φ2 x = φ3 x,-d ɤz ɤ0,x =-l ,(34)φ5=φ3,-d ɤz ɤ0,x =l ,(35) φ5 x = φ3 x,-d ɤz ɤ0,x =l ㊂(36)将速度势级数表达式(19) (23)代入到边界条件(10) (15)及式(31) (36)中,利用匹配特征函数展开法可得到关于未知系数的线性方程组㊂例如,将速度势式(19)带入到边界条件(13)中并将级数m ㊁n 截取至M 项,可得:ðM -1m =0k ^m R m Z m =k ^0Z 0,(37)将上式两边同乘p q z (),且将级数q 截取至Q 项,并沿着z 轴正方向积分可得一组线性方程:αq m []Q ˑM R m {}M =βq {}Q ㊂(38)类似的,按照以上步骤依次建立等式,然后将等式两端同乘特征函数Z n z (),并沿着水深方向积分,采用相同的截断数,可建立线性方程组,整理如下:αq m []Q ˑM R m {}M =βq {}Q ,(39)I []M ˑM R m {}M +I []M ˑM A m {}M -ek ^nw I []M ˑM B m {}M =γn {}M ,(40)-I []M ˑM R m {}M +I []M ˑM A m {}M +e k ^nI []M ˑM ㊃B m {}M +χn q []M ˑQ E q {}Q =γn {}M ,(41)e k ^nw I []M ˑM A m {}M +I []M ˑM B m {}M -δn m []M ˑM C m {}M +ηn m []M ˑM D m {}M =0,(42)ek ^nw I []M ˑM A m {}M -I []M ˑM B m {}M -μnm []M ˑM C m {}M -νn m []M ˑM D m {}M =0,(43)δn m []M ˑM C m {}M +ηn m []M ˑM D m {}M -I []M ˑM T m {}M =0,(44)-μnm []M ˑM C m {}M +νn m []M ˑM D m {}M -I []M ˑM T m {}M =0,(45)式中:I 为单位对角阵;其他系数矩阵表达式见表1㊂521Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年表1 线性方程组式(39) (45)中系数表达式T a b l e 1 E x pr e s s i o n o f c o e f f i c i e n t l i n e a r e qu a t i o n s (39) (45)系数C o e f f i c i e n t表达式E x pr e s s i o n αqm ðM -1m =0k ^m Fqm χn qðQ -1q =0Fq nʏ0-h Z 2ndz δn mʏ0-d U m Z n dz +s +i f ()ʏ-d -h V m Z nd z ʏ0-h Z 2ndz ηn mt a n λml ()ʏ0-d U m Z n d z +s +if ()ʏ-d -h V mZ ndz ʏ0-h Z 2ndz γn1n =00n ʂ0{βq k ^0F q 0μn m λmʏ0-d U m Z n d z +εʏ-d -h V mZ ndz k ^nʏ0-h Z 2ndz νn mλmt a n λml ()ʏ0-d U m Z n d z +εʏ-d -h V mZ ndz k ^nʏ0-h Z 2ndz k ^ni k 0n =0-k nn ʂ0{F q mʏ0-a p q (z )Z 0(z )d z =(-1)qI 2q +1k 0a ()k 0d ,m =0,ʏ-a p q (z )Z m (z )d z =J 2q +1k m a ()k md ,m =1,2, ìîíïïïï表1中,J 2q +1k m a ()㊁I 2q+1k 0a ()分别为第一类贝塞尔函数和第一类虚宗量贝塞尔函数㊂将线性方程组(39) (45)联立求解可以得到各待定系数的值㊂定义反射系数K r 为反射波高与入射波高的比值,透射系数K t 为透射波高与入射波高的比值,挡板-堆石防波堤的反射系数和透射系数分别为:K r =R 0,(46)K t =T 0㊂(47)当挡板与堆石结构之间的间距w 较大时,能够忽略结构间非传播模态波的影响,此时可以按照宽间距假设法[24-25],利用单个结构分别存在时复数域的透㊁反射系数(包含了对波浪相位的影响),得到整体结构透㊁反射系数的显式表达式㊂但是当挡板与堆石结构之间的间距w 较小时,还是需要基于本文所建立的解析模型进行求解㊂2 模型验证2.1收敛性检验为保证解析模型的计算结果收敛且具有较高的计算精度,需要选取合适的截断数㊂定义无因次波数κ为波数k 和水深h 的乘积(κ=k h ),表2给出在不同无因次波数κ下的反射系数K r ㊁透射系数K t 随截断数M 的变化,计算条件为:挡板相对入水深度a /h =0.7㊁堆石相对高度c /h =0.3㊁挡板与堆石相对间距w /h =0.3㊁堆石相对宽度b /h =1.0㊁堆石孔隙率ε=0.4㊁惯性系数s =1.0㊁线性阻力系数f =2.0且截断数Q =8㊂表3给出在不同无因次波数下反射系数K r ㊁透射系数K t 随截断数Q 的变化,计算条件为:a /h =0.6㊁c /h =0.5㊁w /h =0.2㊁b /h =1.0㊁ε=0.4㊁s =1.0㊁f =2.0㊁M =120㊂从表2和3可以看出,当截断数M 为120㊁截断数Q 为8时,计算结果均可以达到三位有效数字精度㊂在本文解析计算中,截取数均取M =120㊁Q =8㊂表2 在不同无因次波数下透㊁反射系数随截断数M 的变化T a b l e 2 T h e c h a n g e o f t r a n s m i t t a n c e a n d r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n tw i t h t r u n c a t i o n n u m b e r M a t d i f f e r e n t d i m e n s i o n l e s sw a v e n u m b e r s截断数M T r u n c a t e d n u m b e r Mκ=0.2κ=1.0κ=2.0κ=3.0K r K t K r K t K r K t K r K t 200.17120.95850.63490.69710.97680.17410.99860.0341400.16460.96010.61520.71300.97480.18320.99850.0364800.16310.96050.61030.71680.97420.18550.99850.03691200.16270.96050.60930.71760.97410.18600.99850.03711600.16260.96050.60880.71790.97400.18620.99850.0371注:κ为无因次波数;K r 为反射系数;K t 为透射系数㊂κi s t h e d i m e n s i o n l e s sw a v e n u m b e r ;K r i s t h e r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t ;K t i s t h e t r a n s m i s s i o n c o e f f i -c i e n t .621Copyright ©博看网. All Rights Reserved.8期吴松源,等:新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究表3 在不同无因次波数下透、反射系数随截断数Q 的变化T a b l e 3 T h e c h a n ge of t r a n s m i t t a n c e a n d r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n tw i t h t r u n c a t i o n n u m b e r Q a t d i f f e r e n t d i m e n s i o n l e s sw a v e n u m b e r s 截断数T r u n c a t e d n u m b e r Qκ=0.2κ=1.0κ=2.0κ=3.0K r K t K r K t K r K t K r K t 20.20250.90760.52210.66750.93870.22960.99360.067940.20250.90760.52210.66740.93870.22960.99360.067960.20260.90760.52220.66730.93870.22950.99360.067980.20260.90760.52230.66730.93880.22950.99360.0679100.20260.90760.52230.66720.93880.22940.99360.0678注:κ:无因次波数D i m e n s i o n l e s sw a v e n u m b e r ;K r :反射系数R e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t ;K t :透射系数T r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t㊂2.2分区边界元结果对比为检验解析解的正确性,本文利用分区边界元法[26]求解了挡板-堆石防波堤的反射系数K r ㊁透射系数K t ,并同理论计算结果进行对比㊂同理论解析方法相比,边界元法的计算效率较低,但能够适用于复杂形状的海岸结构物[27]㊂图2中对比了在两种算例下理论解和分区边界元方法的计算结果,其中横轴为无因次波数κ,纵轴为相应的透㊁反射系数的值㊂((a )算例1下透㊁反射系数对比C o m pa r i s o n o f t r a n s m i t t a n c e a n d r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t s o f E x a m p l e 1;(b )算例2下透㊁反射系数对比C o m pa r i s o no f t r a n s m i t t a n c e a n d r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t s o f E x a m p l e 2.a /h =0.7,c /h =0.3,w /h =0.2,b /h =0.8,ε=0.4,s =1.0,f =2.0.)图2 解析解与分区边界元数值解的计算结果对比F i g .2 C o m p a r i s o n b e t w e e n a n a l yt i c a l s o l u t i o n a n dm u l t i -d o m a i n b o u n d a r y el e m e n t s o l ut i o n 从图3中也可以看出,两种方法的反射系数K r 和透射系数K t 的计算结果一致,验证了理论解的正确性㊂2.3极限情况下与物模试验对比验证为检验解析模型的合理性,本文将堆石高度为0和挡板入水深度为0两种极限情况下,解析模型的计算结果与试验数据进行对比验证㊂当堆石高度为0时,模型可视为半潜的单个挡板结构,对于单挡板的透㊁反射系数研究,I s a a c s o n 等[28]进行过物模试验研究,本文利用解析计算结果与其试验结果进行了对比㊂图3给出了水深h =0.45m ,挡板入水深度a =0.225m 下,当前解析模型的计算结果与试验数据的对比情况,其中横轴表示无因次波数κ,纵轴表示相应的透㊁反射系数;图中可以看出当无因次波数κ=1.9时,试验所得的反射系数要远小于解析解的计算结果㊂基于挡板防波堤的水动力特性,其反射系数应随着入射波波数的增加而增加,而κ=1.9时的反射系数试验数据明显不合理,可能是人为操作失误导致㊂除此之外,整体解析解计算结果与试验数据吻合良好,说明了当堆石高度为0时,解析模型的合理性㊂图3 挡板解析解(线)与试验数据(点)的对比F i g .3 C o m p a r i s o n o f b a f f l e a n a l yt i c a l s o l u t i o n (l i n e )w i t h t e s t d a t a (po i n t )721Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年当挡板入水深度为0时,模型可视为单个多孔堆石潜堤结构,L o s a d a 等[29]就多孔潜堤的透㊁反射系数进行了物理模型试验研究㊂其中多孔潜堤开孔率实测值为0.521㊂本文解析模型中堆石结构惯性系数s =1.0㊁线性阻力系数f 根据P ér e z -R o m e r o 等[21]的研究通过以下方法计算:f =0.31D 0k 0()-0.57㊂(48)式中:D 0为堆石中值粒径,根据其试验确定为2.09c m ;k 0为入射波波数㊂图4给出了当前解析计算结果与L o s a d a 等[29]试验结果的对比,其中试验水深h =0.475m ,堆石高度c =0.385m ,堆石宽度b =0.8m ;横轴为无因次波数κ,纵轴为相应的透㊁反射系数的值;可以看出堆石潜堤透㊁反射系数的试验数据与解析解吻合较好,也说明本文解析解能够较好的反映多孔堆石的水动力特性㊂图4 多孔堆石解析解(线)与试验数据(点)的对比F i g .4 C o m p a r i s o n o f p o r o u s r o c k f i l l a n a l yt i c a l s o l u t i o n (l i n e )w i t h t e s t d a t a (po i n t )3 算例分析传统垂直挡板防波堤的水动力特性已有学者进行了深入分析[2-4],因此,本章主要讨论多孔堆石结构参数对挡板-堆石防波堤反射系数K r 和透射系数K t 的影响,主要包括:堆石相对高度c /h ㊁挡板与堆石相对间距w /h ㊁堆石孔隙率ε以及堆石相对宽度b /h ㊂算例分析中,f 的值均根据式(48)计算得到㊂3.1堆石相对高度c /h 的影响图5㊁6分别给出了不同堆石相对高度下的波浪透射系数K t 和反射系数K r 随无因次波数κ增大的变化情况㊂其计算条件为:a /h =0.5,w /h =0.5,b /h =1.0,ε=0.4㊁s =1.0㊁D 0/h =0.025㊂从图5可以看出,透射系数K t 在不同工况下,均随着无因次波数κ的增加而逐渐减小,并且相对高度c /h 越大,透射系数K t 越小㊁掩护效果越好㊂当κ<1.5时,堆石相对高度c /h =0.6相较于c /h =0的工况,其透射系数K t 降低了0.2左右,表示在背浪侧设置堆石结构可以有效降低防波堤的透射系数,同时也说明了堆石相对高度c /h 的增加能够显著降低较长周期波浪作用下的透射系数K t ;当κ>2.0时,短周期波浪作用时,不同的堆石相对高度下透射系数K t 均较小,说明挡板-堆石防波堤对短周期波浪的掩护性较好,且此时堆石相对高度对透射系数K t 的影响不大㊂图5 不同堆石相对高度c /h 对透射系数K t 的影响F i g .5 E f f e c t o f d i f f e r e n t r e l a t i v e r o c k f i l l h e i gh t c /h o n t r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t Kt图6 不同堆石相对高度c /h 对反射系数K r 的影响F i g .6 E f f e c t o f d i f f e r e n t r e l a t i v e r o c k f i l l h e i gh t c /h o n r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t K r从图6可以看出,在κ<0.5时,堆石相对高度对波浪的反射系数K r 的影响较为显著,其相对高度越高,对波浪反射作用越强㊂就曲线变化趋势而言,在堆石相对高度大于0.4时,反射系数K r 随无因次波数的增加先增大后减小,在κ=0.8附近达到极小值,之后821Copyright ©博看网. All Rights Reserved.8期吴松源,等:新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究一直增大㊂总体而言,挡板-堆石结构在短周期波作用下具有良好的波浪反射性能;在较长周期波浪作用下,其掩护效果欠佳,但是随着堆石相对高度的增加,防波堤的掩护性能提升十分显著,这也意味着适当的堆石高度就可以较好的提升防波堤掩护能力,在实际工程中,堆石高度的增加会相应的提高工程造价,综合考虑,堆石相对高度设置在0.4~0.6之间较为合理㊂3.2挡板与堆石相对间距w /h 的影响图7㊁8分别给出不同挡板与堆石相对间距w /h下,透射系数K t 和反射系数K r 随着无因次波数κ增加的变化情况,计算条件为:a /h =0.5,c /h =0.5,b /h =1.0,ε=0.4㊁s =1.0㊁D 0/h =0.025㊂图中考虑了5种的挡板与堆石相对间距,其值分别为0.1㊁0.3㊁0.5㊁0.7和0.9㊂图7 挡板与堆石相对间距w /h 对透射系数K t 的影响F i g .7 E f f e c t o f r e l a t i v e s p a c i n g be t w e e n b af f l e a n d r o c k f i l l w /h o n t r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t Kt图8 挡板与堆石相对间距w /h 对反射系数K r 的影响F i g .8 E f f e c t o f r e l a t i v e s p a c i n g be t w e e n b af f l e a n d r o c k f i l l w /h o n r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t K r从图7和8可以看出,当κ较小时,即在较长周期波作用下,随着挡板与堆石相对间距的减小,反射系数K r 逐渐增大,而透射系数K t 逐渐减小,在一定程度上提高了防波堤的掩护性能当κ较大时,即在短周期波作用下,挡板与堆石相对间距w /h 的变化对透射系数和反射系数的影响很小㊂总的来说,挡板和堆石的相对间距在较长周期波作用下对透射系数和反射系数的影响较大,在短周期波作用下的影响较小;相对较小的挡板和堆石间距更有利于提高防波堤的掩护性能,结合图7和8可以看出,较为合适的堆石与挡板相对间距为0.1~0.3㊂3.3堆石相对宽度b /h 的影响图9和10分别给出了在不同的堆石结构相对宽度b /h 下,透射系数K t 和反射系数K r 随着无因次波数κ增加的变化情况㊂其计算条件为:a /h =0.5㊁c /h =0.7㊁w /h =0..5㊁ε=0.4㊁s =1.0㊁D 0/h =0.025㊂图中考虑了5种堆石相对宽度b /h 的影响,其值分别为0.2㊁0.6㊁1.0㊁1.4和1.8㊂如图9所示,当κ<1.7时,随着堆石相对宽度的增加,防波堤的透射系数K t 逐渐降低,说明堆石相对宽度的增加可以提高防波堤对较长周期波的掩护效果㊂从消浪机理上分析,其可能原因在于堆石相对宽度的增加,能够提高防波堤对于波浪的反射能力和波能耗散能力㊂图10所示为不同堆石相对宽度对防波堤反射系数的影响,当κ<0.5时,宽堆石结构对较长周期波的反射起主要作用;当0.5<κ<1.0时,宽堆石结构对较长周期波的耗散起主要作用㊂此外,随着堆石结构相对宽度的增加,防波堤达到反射系数极小值时所对应的无因次波数也越小㊂可以看出,堆石宽度的增加对于短波的掩护效果提升较小,而对于较长周期波的掩护效果有一定改善,但比较有限,在工程实际中,不建议通过增大堆石宽度来提高防波堤的消浪效果㊂图9 不同堆石相对宽度b /h 对透射系数K t 的影响F i g.9 E f f e c t o f d i f f e r e n t r e l a t i v e r o c k f i l l w i d t h b /h o n t r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t K t921Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年图10不同堆石相对宽度b/h对反射系数K r的影响F i g.10E f f e c t o f d i f f e r e n t r e l a t i v e r o c k f i l l w i d t hb/h o n r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t K r4结论(1)增加多孔堆石结构的相对高度,能够有效降低较长周期波作用下挡板-堆石防波堤的透射系数,是实际工程需要考虑的关键参数;比较合理的堆石相对高度为0.4~0.6㊂(2)在较长周期波作用下,较小的挡板与堆石结构相对间距更有利于提高防波堤的掩护性能;较为合理的挡板与堆石相对间距为0.1~0.3㊂(3)通过合理设计,新型挡板-堆石防波堤可以提高对涌浪这类较长周期波的掩护性能,具备较好的工程应用潜力㊂参考文献:[1] U r s e l l F.T h e e f f e c t o f a f i x e dv e r t i c a l b a r r i e r o n s u r f a c ew a v e s i nd e e p w a t e r[J].M a t h e m a t i c a l P r o c e e d i n g s o f t h eC a m b r i d g eP h i l o-s o p h i c a l S o c i e t y,1947,43(3):374-382.[2]L o s a d a I J,L o s a d aM A,R o l dánAJ.P r o p a g a t i o n o f o b l i q u e i n c i-d e n tw a v e s p a s t r i g i d v e r t i c a l t h i nb a r r i e r s[J].A p p l i e dO c e a nR e-s e a r c h,1992,14(3):191-199.[3] A b u l-A z m A G.W a v e d i f f r a c t i o n t h r o u g h s u b m e r g e db r e a k w a t e r s[J].J o u r n a lo f W a t e r w a y P o r tC o a s t a l a n d O c e a nE n g i n e e r i n g, 1993,119(6):587-605.[4]P o r t e rR,E v a n sD.C o m p l e m e n t a r y a p p r o x i m a t i o n s t ow a v e s c a t-t e r i n g b y v e r t i c a l b a r r i e r s[J].J o u r n a l o fF l u i d M e c h a n i c s,1995, 294:155-180.[5]王科,许旺.平板及立板型式防波堤透射及反射系数研究[J].船舶力学,2010,14(5):487-494.W a n g K,X u W.S t u d y o n t r a n s m i s s i o na n d r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t s o f f l a ta n dv e r t i c a lb r e a k w a t e r[J].J o u r n a lo fS h i p M e c h a n i c s, 2010,14(5):487-494.[6]陈德春,茆福文,沈丽宁,等.桩基挡板式透空堤透浪系数计算及试验研究[J].水利水运工程学报,2012(5):83-87.C h e nDC,M a o FW,S h e nLN,e t a l.C a l c u l a t i o n a n d e x p e r i m e n-t a l s t u d y o f w a v e p e n e t r a t i o n c o e f f i c i e n t o f b a f f l e p e r m e a b l e d i k e o n p i l e f o u n d a t i o n[J].H y d r o-S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,2012(5):83-87.[7]严以新,郑金海,曾小川,等.多层挡板桩基透空式防波堤消浪特性试验研究[J].海洋工程,1998(1):68-75.Y a nY X,Z h e n g JH,Z e n g X C,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n w a v e d i s s i p a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p e r m e a b l e b r e a k w a t e r w i t hm u l-t i l a y e r b a f f l e p i l ef o u n d a t i o n[J].T h e O c e a n E n g i n e e r i n g,1998(1):68-75.[8]冯卫兵,丁文林,叶小红.桩基挡板透空式防波堤透浪特性研究[J].水运工程,2014(3):62-67+79.F e n g WB,D i n g WL,Y e XH.S t u d y o nw a v e p e n e t r a t i o n c h a r a c-t e r i s t i c s o f p e r m e a b l e b r e a k w a t e r w i t h p i l e b a f f l e[J].M a r i n eT r a f-f i c E ng i n e e r i n g,2014(3):62-67+79.[9]许旺.平板与立板型防波堤水动力特性研究[D].大连:大连理工大学,2009.X uW.S t u d y o nH y d r o d y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o f F l a t a n dV e r t i c a lB r e a k w a t e[D].D a l i a n:D a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2009.[10]符家英,潘桓本,刘宪博.挡浪板入水深度对桩基透空式防波堤的关键作用[J].水运工程,2020(7):81-87.F u J Y,P a nHB,L i uXB.T h e k e y f u n c t i o n o f t h e e n t r y d e p t h o fw a v e b a f f l e o nt h e p e r m e a b l eb r e a k w a t e ro f p i l e f o u n d a t i o n[J].M a r i n eT r a f f i c E n g i n e e r i n g,2020(7):81-87.[11]孙艺,肖仕宝.板桩码头前防冲刷计算方法研究[J].水运工程,2012(11):94-96.S u nY,X i a o S B.S t u d y o n c a l c u l a t i o nm e t h o d o f s c o u r p r e v e n t i o ni n f r o n t o f s h e e t p i l e w h a r[J].M a r i n eT r a f f i cE n g i n e e r i n g,2012(11):94-96.[12]史青法,李富会.港口码头前沿基床冲刷检测方法分析与防护[J].港工技术,2020,57(4):101-105.S h i QF,L i FH.A n a l y s i s a n d p r o t e c t i o n o f s c o u r d e t e c t i o nm e t h-o d f o r w h a r f f r o n t f o u n d a t i o n b e d[J].P o r t E n g i n e e r i n g T e c h n o l o-g y,2020,57(4):101-105.[13]张志涛,拾兵,吴殿春.一种新型抛石潜堤对砂质海滩防护作用的试验研究[J].海洋湖沼通报,2021,43(4):16-22.Z h a n g ZT,S h iB,W uD C.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n p r o t e c t i v ee f f e c t o f a n e wr i p r a p s u b m e r g e d d i k e o n s a n d y b e a c h[J].T r a n s-a c t i o n s o fO c e a n o l o g y a n dL i m n o l o g y,2021,43(4):16-22.[14]廖绍华,姬自亚,祝卫东.胜利滩海油田潜堤促淤工程研究及实践[C]//中国水利学会2006学术年会论文集.北京:中国水利水电出版社,2006:249-253.L i a o SH,J i ZY,Z h uW D.R e s e a r c h a n d p r a c t i c e o f s i l t i n g p r o-m o t i o n p r o j e c t b y s u b m e r g e d d i k e i nS h e n g l i B e a c hO i l f i e l d[C]//P r o c e e d i n g s o f2006A n n u a l C o n f e r e n c e o f C h i n e s eH y d r a u l i c S o-c i e t y.B e i j i n g:C h i n aW a t e r&P o w e r P r e s s,2006:249-253.[15]S u l i s zW.W a v e r e f l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o na t p e r m e a b l eb r e a k-w a t e r o f a r b i t r a r y c r o s s-s e c t i o n[J].C o a s t a l E n g i n e e r i n g,1985,9(4):371-386.[16]邹红霞,陈国平.不规则波作用下潜堤透射系数的计算方法及统计分布[J].水运工程,2010(3):11-16.Z o uH X,C h e nGP.C a l c u l a t i o nm e t h o d a n d s t a t i s t i c a l d i s t r i b u-t i o n o f t r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t o f s u b m e r g e de m b a n k m e n t u n d e ri r r e g u l a rw a v e a c t i o n[J].M a r i n eT r a f f i cE n g i n e e r i n g,2010(3):11-16.[17]冯卫兵,王明明,崔川川.潜堤透浪系数的试验研究[J].水运工031Copyright©博看网. All Rights Reserved.8期吴松源,等:新型挡板-堆石防波堤水动力特性的理论研究程,2012(9):1-6.F e n g W B,W a n g M M,C u iCC.E x p e r i m e n t a l s t u d y o nw a v ep e n e t r a t i o n c o e f f i c i e n t o f s u b m e r g e dd i k e[J].M a r i n eT r a f f i cE n-g i n e e r i n g,2012(9):1-6.[18]P u t n a mJA.L o s s o f w a v e e n e r g y d u e t o p e r c o l a t i o n i n a p e r m e a-b l e s e ab o t t o m[J].T r a n s ac t i o n sA m e r i c a nG e o p h y s i c a lU n i o n,1949,30(3):349-356.[19] S o l l i t tC K,C r o s sR H.W a v e t r a n s m i s s i o nt h r o u g h p e r m e a b l eb r e a k w a t e r s[C]//P r oc e ed i n g so ft h e13t h C o a s t a lE n g i ne e r i n gC o n f e r e n c e.N e w Y o r k:A m e r i c a n S o c i e t y o fC i v i lE n g i n e e r s,1972:1827-1846.[20] R o j a n a k a m t h o r nS,I s o b eM,W a t a n a b eA.Am a t h e m a t i c a l m o d-e lof w a v et r a n s f o r m a t i o n o v e ras u b m e rg e d b r e a k w a t e r[J].C o a s t a l E n g i n e e r i n g i n J a p a n,1989,32(2):209-234.[21]Pér e z-R o m e r oD M,O r t e g a-S a n c h e zM,M o n i n oA,e t a l.C h a r-a c t e r i s t i c f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d s c a l e e f f e c t s i no s c i l l a t o r yp o r o u sf l o w[J].C o a s t a l E ng i n e e r i n g,2009,56(9):931-939.[22]李玉成,滕斌.波浪对海上建筑物的作用[M].北京:海洋出版社,2015.L i YC,T e n g B.W a v eA c t i o no n M a r i t i m eS t r u c t u r e s[M].B e i-j i n g:M a r i t i m e P r e s s,2015.[23] M e n d e z FJ,L o s a d a I J.A p e r t u r b a t i o nm e t h o d t o s o l v e d i s p e r-s i o n e q u a t i o n s f o rw a t e rw a v e s o v e r d i s s i p a t i v em e d i a[J].C o a s t a lE n g i n e e r i n g,2004,51(1):81-89.[24]W uJ,L i uLF.I n t e r a c t i o n so fo b l i q u e l y i n c i d e n tw a t e rw a v e sw i t h t w o v e r t i c a l o b s t a c l e s[J].A p p l i e dO c e a nR e s e a r c h,1988,10(2):66-73.[25] L i n t o nC M.W a t e rw a v e so v e ra r r a y so fh o r i z o n t a l c y l i n d e r s:B a n d g a p s a n dB r a g g r e s o n a n c e[J].J o u r n a l o fF l u i d M e c h a n i c s,2011,670(1):504-526.[26] L i uY,L iHJ.I t e r a t i v em u l t i-d o m a i nB E M s o l u t i o nf o rw a t e rw a v e r e f l e c t i o n b y p e r f o r a t e d c a i s s o n b r e a k w a t e r s[J].E n g i n e e r i n gA n a l y s i sw i t hB o u n d a r y E l e m e n t s,2017,77:70-80.[27]L i uY,L iHJ,L i YC.An e wa n a l y t i c a l s o l u t i o n f o rw a v e s c a t-t e r i n g b y as u b m e r g e dh o r i z o n t a l p o r o u s p l a t ew i t hf i n i t e t h i c k-n e s s[J].O c e a nE n g i n e e r i n g,2012,42:83-92.[28]I s a a c s o nM,P r e m a s i r i S,Y a n g G.W a v e i n t e r a c t i o n s w i t h v e r t i c a ls l o t t e db a r r i e r[J].J o u r n a lo f W a t e r w a y,P o r t,C o a s t a l,a n dO c e a nE n g i n e e r i n g,1998,124(3):118-126.[29] L o s a d a I J,P a t t e r s o n M D,L o s a d aM A.H a r m o n i c g e n e r a t i o np a s t a s u b m e r g e d p o r o u s s t e p[J].C o a s t a l E n g i n e e r i n g,1997,31(4):281-304.T h e o r e t i c a l S t u d y o n t h eH y d r o d y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c s o f N e wT y p eB a f f l e-R o c k f i l l B r e a k w a t e rW uS o n g y u a n,Z h a oY a n g,L i uY o n g(S h a n d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o fO c e a nE n g i n e e r i n g,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h es h e l t e r i n g e f f e c to fb a f f l eb r e a k w a t e re f f e c t i v e l y a n d p r e v e n t t h e s c o u r i n g o f f o u n d a t i o nb e d,an e wk i n do f b a f f l e-r o c k f i l l b r e a k w a t e r i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r,a n d i t s t r a n s m i s s i o n a n d r e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a r ew e l l s t u d i e db y u s i n g t h em e t h o do f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s.B a s e d o n t h e l i n e a r p o t e n t i a l f l o wt h e o r y,t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e o nb o t h s i d e s o f t h e v e r t i c a l b a f f l e i s s i m u l a t e db y m u l t i p l eG a l e r k i nm e t h o d s o t h e b o u n d a r y v a l u e p r o b l e mi s e s t a b l i s h e d,a n d t h em a t c h e d e i g e n f u n c t i o nm e t h o d i s a d o p t e d t o o b t a i n t h e a n a l y t i c a l s o l u t i o n.T h r o u g h t h e c o n v e r g e n c e a n a l y s i s a n d c o r r e c t n e s s v e r i f i c a t i o n o f t h e r e s u l t s,i t i s f o u n d t h a t t h e c o n v e r g e n c e o f t h e a n a l y t i c a l s o l u t i o n i s g o o d a n d t h e a g r e e m e n tw i t h t h em u l t i-d o m a i nb o u n d a r y e l e m e n tm e t h o d s o l u t i o n i s e x c e l l e n t.B a s e do n t h e d i s c u s s i o n s,t h e i n f l u e n c e o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o f b a f f l e-r o c k f i l l b r e a k w a t e r o n t h e p r o t e c t i o n e f f e c t i s i n v e s t i g a t e d,w h i c h c a n p r o v i d e s c i e n t i f i c g u i d a n c e f o r p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g.K e y w o r d s: b a f f l e-r o c k f i l lb r e a k w a t e r;w a v ed i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s;t r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t;r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t;m u l t i p l eG a l e r k i nm e t h o d;m a t c h e d e i g e n f u n c t i o nm e t h o d责任编辑高蓓131Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
基于Fluent的双侧挡浪板透空堤透浪特性的计算
基于Fluent的双侧挡浪板透空堤透浪特性的计算邹恒;陈德春;闫少华【摘要】基于Fluent软件平台,采用两相流与VOF模型,通过Fluent的UDF二次开发功能建立数值水槽模型,且对双侧挡浪板透空式防波堤透浪特性进行数值计算,经与物理模型试验结果进行对比,进而展开多组次计算试验,探究d/H＞5条件下双侧挡浪板透空式防波堤透浪特性的影响因素,基于此,拟合双侧挡浪板透空式防波堤透浪系数公式,可计算相应范围条件下双侧挡浪板透空式防波堤透浪系数.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】6页(P72-77)【关键词】防波堤;透浪系数;Fluent;公式拟合【作者】邹恒;陈德春;闫少华【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州310002【正文语种】中文【中图分类】U656.22013年8月，国务院批准设立上海自由贸易试验区，位于区内的芦潮港渔港(图1)也将建设成为一个具有综合功能的现代化渔港。
拟建渔港位于开敞海岸，水深、浪大，且地基为软基，渔港平面布置形式为东、南防波堤组成L型(图2)。
其中南防波堤为透空式，长542 m，堤前地形平缓，涂面高程为-11.0～-11.7 m(吴淞基面)；东堤由长562.5 m的透空堤、长400 m的透空引桥、长360 m的实体堤组成，东堤堤前地形变化明显，涂面高程-11.0～0.7 m。
透空式防波堤尺度与断面结构以水深条件较深的南防波堤(图3)为例，南堤挡浪墙顶高程9.5 m，前沿底高程-11.5 m,堤顶宽12 m、堤顶高程7.05 m，横梁顶高程3.9 m、底高程2.40 m。
前后设置挡浪板，挡浪板高度4.4 m，底高程-2.0 m。
排架间距为5.0 m，每榀排架布置4根35:1的预应力管桩，管径800 mm，组成2对叉桩。
防波堤概述zys
二、防波堤的纵轴线设计
防波堤的纵轴线由一段或几段直线组成 , 各段之间用圆弧或折 线相连接。 在布置防波堤时,防波堤轴线应避免向外拐折形成凹角 ,否则会 造成波能集中。如堤轴线必须向外拐折时 , 则两段堤轴线的外 夹角不宜小于 150°。否则,宜对凹角处进行局部加强,以保证 整个防波堤的安全工作。 沿突堤的纵轴线一般区分为三段:堤头段、堤身段和堤根段。岛 式防波堤只有堤头段和堤身段。 堤头处的水深大,波浪、水流流速也大,受力复杂,堤前水底易被 冲刷。 堤根一般处于浅水区, 多采用斜波式。 堤身是防波堤的主体段。
第八章 防 波 堤
•
•
•
• • ห้องสมุดไป่ตู้ • •
风来浪涌，如何在水面上形成一片不受风浪侵入的水域呢？人们建起了一种 专门用来防浪的堤坝，这种堤坝就是防波堤。 防波堤不仅可以用来防浪，还可以防泥沙和冰棱等入侵到受保护的水域。比 如，港口需要一定的水深，而海浪往往会带来一定的泥沙。防波堤就可以将 泥沙挡在外面，从而保证了港口内部不会因泥沙越来越多而变浅。因此，防 波堤是海港工程的重要组成部分。 防波堤可以与岸相连（叫突堤），也可以不与岸相连（叫岛堤），也可以由 突堤和岛堤组合而成。 防波堤的位置、方向、大小等的设计是至关重要的，既要保证船只的进出， 又要将浪挡在外面。而波浪的高度、风向、防波堤的角度及长度等等都是必 须计算准确的，否则不仅不能防波，可能反而会使波浪集中变大。 防波堤有重型和轻型之分。重型的就像是一条水坝；轻型的可以是透空堤、 浮堤、喷气堤和射水堤等。 为了减小波浪对堤的冲击与破坏，在有斜面的堤表面会用一些混凝土异形块 或大石块。透空堤是将防浪部分架在下边的支柱上，这样的堤下面的水是相 连的。这种堤适合于波浪小、水深的水域，可以降低建设成本。 浮堤则是用浮在水面上的一些设备来消减波浪，如排筏、气囊、空箱或其他 特殊形体，常用铁锚系在沉块上。 喷气堤和射水堤则是在水底安装空气压缩机或水泵，通过有孔的管道喷出气 泡或水流来消减波浪。这类堤一般多为临时性工程。
一种新型防波堤结构设计研究
一种新型防波堤结构设计研究作者：杨培杰庄宁杨文涛来源：《中国水运》2020年第12期摘要：针对现有传统防波堤结构用途单一，空间利用率不高的问题，本文提出一种新型防波堤结构型式。
新型防波堤结构依托于传统结构型式，对其内部构造进行创新改进，在满足原有防波消浪的功能上，进一步利用海洋风力、水体势能进行清洁发电，为未来海洋新能源发展提供借鉴和参考。
关键词：防波堤;新型结构;新能源1引言近年来，随着我国海洋事业的飞速发展，海上交通运输日趋繁忙。
在国家“一带一路”的倡议下，港口码头的建设步伐不断加快。
但随着优良岸线规划殆尽，以及船舶吨位的不断提高，对于码头及其配套设施的要求越来越高。
为保持港内水域平稳，便于船舶泊稳和船舶装卸作业的需要，通常在港池外侧设置防波堤，以减小港外水体对港池内船舶的影响。
结合防波堤工作原理，防波堤主要分为实体式和透空式两大类[1-2]，实体式防波堤主要采用抛石构造，结构简单，可较大程度减小外海侧波浪能。
透空式防波堤[3]包括梳式防波堤、喷气防波堤、喷水防波堤等，透空式防波堤投资较少，但消能效果较实体式差，故实际使用中以采用实体式防波堤居多。
现行实体式防波堤主要用于削弱波能，使用方向较为单一。
随着不可再生能源的不断消耗，人们对新型能源的开发和利用愈发重视，利用海洋上风能、波浪能进行发电的装置不断涌现。
以海上风机为例，重力式、单桩式、浮筒式等各种新型式结构出现在海洋上。
但海上风机多建于外海范围，在海上恶劣的海象条件作用下，结构施工时困难较大且后期防腐加固成本较大。
如果能够通过改进现有传统结构，实现功能多元化，提高结构的利用率，将使传统结构与绿色环保结合，实现效益最大化。
2结构设计原理2.1结构设计本文基于传统实体式防波堤结构，提出一种能够兼顾消能和发电的新型式防波堤，利用内部结构将海洋上风能和水体势能转化为电能，实现结构多元化利用。
如图1所示，防波堤采用重力式结构，防波堤中部设置沉箱，沉箱前后侧回填抛石，在减轻结构整体重量的同时保证结构抗滑稳定。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
板距对消浪效果的影响
低水位时：周期为1.2s,1.5s时方案4,5效果好 周期为1.8s时，5种方案效果相当 高水位时：对三种波周期来说，方案5稍好与方案4
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 实验分析
波高对消波的影响
消浪系数随着波高的增大而增大
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 实验分析
相 对 波 压 强
消耗的能量较大，此
前后错位开孔
时削浪效果最好
不开孔
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 结果分析
结论：1.水平力与波浪要素，前后挡板相对如水深度结构形式都
有关，其中前挡浪板相对入水深度是影响相对点压强分布
的主要因素； 2.前后挡浪板开孔与否对其水平相对点压强也有很大影响。
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 实验介绍
目的：研究波长对透空式防波堤透浪性能的影响
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 实验介绍
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 数据分析
Wiegel公式
《防波堤设计 与规范》公式
实验结果有较高的可信度
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 数据分析
长周期波浪的透浪特性更强。 ——《桩基挡板透空式防波堤透浪特性研究》 有效波高一定的情况下，波长越小，在透空堤前反射越厉害 ，越容易形成立波，从而 造成静水面以上波压力增大，由于反射对波能的消耗，静水面以下各点压强则逐渐减小。 ——《桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验与计算》
波长较短时，防波堤消浪效果较好，波长较长则反之 。
介绍
透空式防波堤介绍
透空式 防波堤 由不同结构形式的支墩和在支墩之间没入水中一定深度的挡浪 结构组成 ，利用挡浪结构挡住波能传播 ，达到减小港内波浪的目的。支墩采 用重力式 、桩式或管柱式结构。挡浪结构可采用箱式 、挡板式和带消能栅的 挡板式等形式。
优势：挡浪结构其掩护作用，能避免大量的用石 施工快捷 、拆除方便 对港口自然状况影响较小 可以不做地基处理 工程造价低 劣势：不能阻止泥沙入港 不能减小水流对港内水域的干扰
种不同开孔率，不同底高程多层直立挡 浪板透空式防波堤。
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 试验介绍
挡浪板1,3基于高水位情况开孔； 挡浪板2,4基于低水位情况开孔； 一块板上，孔数、孔长轴长度、孔短轴长度 从上到下依次减少
实验给出了5种板距布置方案
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 实验分析
1.板距布置方式对短周期波的消浪性能有较大的影响，延波浪传播方向，随
着板距的减小，消浪性能提升；
2.随着波高的增加，消浪性能增加； 3.低水位时，随着波长的增加，消浪性能先降低后提升;
高水位时，随着波长的增加，消浪性能提升;
模型对长波表现出较好的效果; 4.随着波坦的增加，消浪性能先降低后升高；波坦较大时，消浪效果较好， 高水位时，消浪效果更好，说明该防波堤更适用于水深较大的海域。
实验与研究结果
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 实验介绍
目的：针对在波浪要素不同，前后挡板如水深度 不同，前后挡板结构形式不同的情况下，
着重研究透空式防波堤水平受力问题
实验模型如右图
水槽模型如右图
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验
试验参数：通过改变水深度 t、有效波长 L 、有效周期等来研究水动力特性
实验结果有高的可信度
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 数据分析
相对水深、波陡较大相 对Βιβλιοθήκη 入 水 深 度透 浪 系 数
当入射波波陡较小时，试图通过加
大挡浪板入水深度来减小港内投射波高
，其效果并不理想； 挡浪板相对入水深度接近时，相
相对水深、波陡较小
相 对 入 水 深 度
对水深较大，防波堤消浪效果好，相对
试验方法和试验组次：间隙式生波方式
每组波列的持续时间约为5.0 —6.0min
波数约为 120 ～150 个，试验总计135组， 每组试验重复 3 次
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 结果分析
水平点压强随波坦变化规律
水平点压强分布规律
分析： 前挡板 静水面以上 波坦 静水面以下 波坦 后挡板 波坦 压强
压强 压强
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 结果分析
水平点压强随相对入水深度变化规律
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 结果分析
水平点压强随相对入水深度变化规律
1.前后挡浪板如水深度一致
相对如水深度 相对波压强
挡浪板如水深度越小，挡浪效果效果 越差
波压强
波压强
2.前后挡浪板如水深度不一致
——《波长对桩基透空式防波堤透浪性能的影响》
在不规则波作用下挡浪板相对入水深度是影响透浪系数的最重要因素。 ——《桩基挡板透空式防波堤透浪特性研究》
随着相对堤宽增大透浪系数降低 ，但大到一定程度时，继续增加其值对降低透浪系
数的效果并不显著。 ——《桩基挡板透空式防波堤透浪特性研究》
对比分析
关于波长对消浪效果的研究
研究结果 对比分析
对比分析
关于影响透空式防波堤消波能力的因素
前挡浪板相对如水深度是影响相对点压强分布的主要因素。 ——《桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验与计算》 断面宽度并非影响防波堤透浪的主要因素。 ——《波长对桩基透空式防波堤透浪性能的影响》 入射波波长是港内透射波波高大小的主要影响因素。
射波高大小的主要影响因素；
3.波长较短时，消浪效果好，波长较长时反之； 由以上三点还可得出：当外海入射波的周期较大时，应该避免使用透空式防
波堤，以使港内有良好的的泊稳条件。
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 试验介绍
新想法：波浪水质点做椭圆运动，不同波要素下
的水质点椭圆运动轨迹不同，可设计一
后挡浪板保持不变时
前挡浪板保持不变时
前挡浪板
后挡浪板
对相对波压强影响较大的因素是前挡 浪墙的入水深度
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 结果分析
水平点压强随挡板结构形式的变化规律
实验研究
桩基双挡板透空式防波堤水平压力实验 结果分析
水平点压强随挡板结构形式的变化规律
前后不错位开孔
开孔时，错位开孔所
透 浪 系 数
水深小则消浪效果欠佳。
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 数据分析
将带“*”的3组数据绘制成曲线如图所示
当防波堤达到同样的消浪效果时，波 陡越大时挡浪板的相对水深越小，反 之，波陡越小，则挡浪板如水深度越 大。
实验研究
波长对桩基透空式防波堤透浪性的影响 结论
1.工程1和工程2防波堤的断面宽度不同，桩基结构不同，但实测的透浪系数 与理论计算均较接近，说明通常情况下断面宽度并不是影响防波堤透浪的主 要因素； 2.通过对两个防波堤实测透浪系数的分对比可以得到，入射波波长是港内投
——《波长对桩基透空式防波堤透浪性能的影响》 在低水位0.67m时，模型对波浪的吸收反射能力随着波长的增大先小后增大；而在高水位
时，波长增大，消浪系数也在增大，未出现先减小后增大的情况。
——《多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能研究》
总结展望
请各位老师同学批评指正！
港口工程新结构—透空式防波堤 实验研究
组员：周秉轩、曹祝宾 日期：2017.03.08
0 1 0 2
研究背景
实验方法与研究结果
论题大纲
contents
0 3
研究结果对比分析
0 4
总结展望
研究 背景
研究背景
传统防波堤之构筑易阻碍港内外海水流通性，形成半封闭性 水域，堆积各种杂物，产生刺鼻异味，进而影响附近海域水 质环境，破坏当地水域生态。为此，上世纪末提出的透空式 防波堤受到环保人士及工程业界的广泛关注。该结构型式利 用柔性工法之理念，根据波浪能98%集中于距离水面三倍波 高范围内的特点，设计上部挡水，下部透水的结构型式，以 达到堤后水域稳定及水质改善的功效。。
波长对消波的影响
低水位时，消浪系数随波长的增加而先 变小后增大；高水位时 , 波长增大，消 浪系数也增大，未出现先减小后增大的 情况。
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 实验分析
波坦对消波的影响
消波系数随着波坦的增大呈现先减小后 增大的趋势。
实验研究
多层直立开孔挡板透空式防波堤消浪性能试验研究 实验结论