新型消浪板結(jié)構(gòu)的水動力模型試驗(yàn)研究

作為防波壩和涂料工程的重要組成部分，護(hù)岸材料的設(shè)計和選擇是防波壩和涂料工程的重要組成部分。涂層的水力性能直接關(guān)系到防洪水庫、涂料等結(jié)構(gòu)材料的安全，包括大壩截面的大小和大壩頂部的高度。因此,研究穩(wěn)定性好、反射小、爬高低、經(jīng)濟(jì)且易施工的護(hù)面塊體是一個重要的技術(shù)課題。目前,用于斜坡式防波堤的護(hù)面消浪塊體已有100余種。然而,前人研究的多種護(hù)面塊體的形式已逐漸不能適應(yīng)某些復(fù)雜的地質(zhì)及氣候環(huán)境。而新型消浪板結(jié)構(gòu)正是在這種情況下進(jìn)行的研究,提出新的結(jié)構(gòu)體系來解決斜坡式防波堤表面的消能和受力問題,該結(jié)構(gòu)主要包括上層開孔板和下層實(shí)心板兩部分,通過波浪與開孔以及雙層板之間的相互作用來消能,根據(jù)之前的分析研究,該消浪板結(jié)構(gòu)具有較好的消能效果,因此本文主要研究在波浪作用下結(jié)構(gòu)的水動力特性。1規(guī)則波的采樣、檢測和測點(diǎn)布置本次模型試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程試驗(yàn)室的波浪水槽中進(jìn)行。點(diǎn)壓強(qiáng)和波高的量測均采用水利部北京水利水電研究院的DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)及其配套的傳感器、浪高儀。其中點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器的量程為10kPa。試驗(yàn)遵循《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。進(jìn)行波浪模擬試驗(yàn)時,在模型斷面的中心軸線處放置浪高儀,調(diào)整水槽中的水位至所設(shè)定的值后進(jìn)行造波試驗(yàn),測定原始波高。由計算機(jī)完成選定分析和采樣工作。規(guī)則波試驗(yàn)的實(shí)測波高、周期和目標(biāo)平均波高、周期的偏差控制在士5%以內(nèi)。根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》,在試驗(yàn)中規(guī)則波采樣每秒30次,采集20s。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。在每組模型試驗(yàn)中,需要進(jìn)行以下三方面的實(shí)測:入射波高與反射波高、波浪爬高與回落深度以及堤身點(diǎn)壓強(qiáng)。其中入射波高與反射波高是在造波機(jī)和堤前設(shè)定的距離各擺放一臺浪高儀。波浪爬高與回落深度的測量是在開孔板兩端設(shè)置標(biāo)尺,試驗(yàn)過程進(jìn)行錄像,然后通過計算機(jī)分析出讀數(shù)。堤身的點(diǎn)壓強(qiáng)是在堤身的設(shè)定部位開孔,將點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器置于其中測得。測點(diǎn)壓強(qiáng)的模型共安裝8個點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器(每種試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷狞c(diǎn)壓強(qiáng)的測試個數(shù)、位置相同)。傳感器的位置如圖1~4所示。在上層板上,安放4個點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器(1~4號);在底層板上安放了4個點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器(5~8號),這4個傳感器的位置正好與上層板的開孔位置對應(yīng),以便測得底板受到的波浪力。2橢圓開孔結(jié)構(gòu)模型模型試驗(yàn)幾何比尺λl取為1∶10,模型采用有機(jī)玻璃制成,寬度為80cm(略小于水槽寬度),縱向長90cm,板厚度為3cm,兩層板間距取10cm,坡度為1∶1.5,試驗(yàn)水深為33cm,開孔板開孔分別取5cm和10cm的圓孔以及橢圓孔。橢圓開孔形式結(jié)構(gòu)模型立體圖如圖5所示。為了盡量減小波浪反射對試驗(yàn)的影響,除堤后設(shè)有消波裝置(消能網(wǎng))外,試驗(yàn)時將模型放置在水槽中后部,距離造波板足夠遠(yuǎn)的地方,保證模型處不會受二次反射波浪的影響。距離造波機(jī)10m處放置1號浪高儀,距離堤前2m處放置2號浪高儀,模型在水槽中的布置如圖6。3相對開孔對消能效果的影響各個點(diǎn)壓強(qiáng)測點(diǎn)的具體位置(如圖1~4所示)。本次對點(diǎn)壓強(qiáng)進(jìn)行測量時,無論是不同開孔形式還是不同波要素情況下,其測點(diǎn)的相對位置不變。本文以規(guī)則波為例,對消浪板結(jié)構(gòu)的點(diǎn)壓強(qiáng)進(jìn)行分析比較。消浪板結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下的點(diǎn)壓強(qiáng)值如表1,圖7列出了部分測點(diǎn)上的點(diǎn)壓強(qiáng)過程線。從以上圖表中可以看出,規(guī)則波作用時各種條件下結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)壓強(qiáng)有以下的特點(diǎn)。1)無論哪種開孔形式,上層板各測點(diǎn)上的壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測點(diǎn)(為3號測點(diǎn))。向下隨著入水深度的增加,點(diǎn)壓強(qiáng)有規(guī)律地減小;靜水面以上的點(diǎn)壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。2)壓強(qiáng)具有尖陡的峰值和短暫的作用時間,體現(xiàn)了近破波的性質(zhì)。除個別情況,壓強(qiáng)時間過程線相對平穩(wěn),不同時刻采集的壓強(qiáng)最大值相差不是很大,有些情況下甚至很接近。3)上層板上的1號測點(diǎn),在一些小波(波高較小的波浪)作用下未能作用到該測點(diǎn),并且還有少量大波(波高較大的波浪)在周期較大時也未能作用到該測點(diǎn)。而對于相同波高和周期情況下,相對開孔較小時,上層板上的1號測點(diǎn)有點(diǎn)壓強(qiáng)存在,這說明相對開孔較小時波浪爬高較大,能作用到該測點(diǎn),從而可得出相對開孔較小時結(jié)構(gòu)的消能效果相對較差。4)在相同波高和周期情況下,相對開孔較小時板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值要比相對開孔較大時板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值大,尤其是1號和2號測點(diǎn),不同開孔狀態(tài)下,點(diǎn)壓強(qiáng)相差較大。測試結(jié)果證明,橢圓形開孔的消浪板結(jié)構(gòu)不僅具有較好的消能效果,而且其上層板表面受到的波壓力也較小。5)對于底板,與上層板開孔相對應(yīng)的位置上布置了5號、6號、7號和8號測點(diǎn),從上層板開孔射入箱室的水體直接作用于與開孔相對應(yīng)的底板測點(diǎn)上,加上進(jìn)入箱室的波能擴(kuò)散受阻,從而導(dǎo)致底板測點(diǎn)壓強(qiáng)較大。從表1中可以看出,底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值一般都比與之相對應(yīng)的上層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值大。此外,對于相同波高和周期情況下,不同開孔形式的消浪板結(jié)構(gòu)的底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值相差較大,以橢圓形開孔結(jié)構(gòu)底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值最大(7號和8號測點(diǎn)),而且其點(diǎn)壓強(qiáng)作用范圍也最大,這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對較大。根據(jù)研究,相對開孔是影響消浪板結(jié)構(gòu)消能效果的最主要因素,消能系數(shù)隨相對開孔的增大而明顯增大,即相對開孔越大,結(jié)構(gòu)的消能效果越好;然而,從波浪作用下結(jié)構(gòu)承載能力角度看,應(yīng)該盡量減小底層板上受到的波壓力,這就限制了對結(jié)構(gòu)開孔的設(shè)計,并非相對開孔尺寸越大越好,因此綜合考慮消能和受力兩方面因素,確定采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式,既有好的消能效果,也能夠滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。4開孔結(jié)構(gòu)下點(diǎn)合理點(diǎn)壓力值將各個測點(diǎn)的壓強(qiáng)峰值取平均值后,繪制出不同波要素情況下的壓強(qiáng)包絡(luò)圖。部分壓強(qiáng)包絡(luò)圖如圖8所示。表2列出了不同波要素以及不同開孔條件下,1~4號測點(diǎn)的點(diǎn)壓強(qiáng)值。從包絡(luò)圖可以看出,無論何種波要素情況下,點(diǎn)壓強(qiáng)的最大值都出現(xiàn)在靜水面附近,隨著水深的增加,其壓強(qiáng)值隨之減小,靜水面以上的點(diǎn)壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。但是就靜水面附近的點(diǎn)壓強(qiáng)值而言,不同開孔形式的結(jié)構(gòu),在波要素一致的情況下,其點(diǎn)壓強(qiáng)值相差不大,比較接近。隨著波高的增大,靜水面附近的點(diǎn)壓強(qiáng)值明顯變大。5開孔結(jié)構(gòu)的波要素分析本文所討論的總力是指在不同波要素下,消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的總力大小,由點(diǎn)壓強(qiáng)積分所得(根據(jù)壓強(qiáng)包絡(luò)圖),其最大值和平均值如表3所示。雖然通過這種方式得到的總力和結(jié)構(gòu)所受的實(shí)際總力存在一定的誤差,但是用來表示不同開孔形式的結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受總力的不同,具有相對的合理性。綜合考慮消能和受力兩方面原因,最終確定開孔采用橢圓孔結(jié)構(gòu)形式。因此,表3中列出的是橢圓形開孔結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下所受的總力。由表3可知,結(jié)構(gòu)上受到的總力值的大小隨著波高的增加而增大,同時,在波高相同時,總力值的大小還受波長、相對板寬和波陡等因素的影響。在相同波要素情況下,除個別情況(總壓力值的最大值和平均值相差達(dá)35.85%),總壓力值的最大值和平均值相差不是很大,最大可達(dá)到18.31%,而最小僅有4.88%。最大值和平均值相差不大,這說明在波浪沖擊消浪板結(jié)構(gòu)時,雖然由于波浪的破碎而造成沖擊,但不會經(jīng)常出現(xiàn)過大的瞬時壓力,這樣對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和承載力的計算提供了很多方便。需要說明的是這里分析的總力,是指開孔消浪板結(jié)構(gòu)上層板受到的波壓力,而不包括波浪通過開孔進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部后到達(dá)底層板,同時引起的能量集中,產(chǎn)生較大的瞬時壓強(qiáng)。這是因?yàn)樗芯康脑诓ɡ藳_擊作用下,結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足要求,主要是針對上層板而言。雙層開孔消浪板結(jié)構(gòu)是一個整體,上層板受到的波壓力的總和遠(yuǎn)大于底層板,因此需要計算結(jié)構(gòu)的上層板在最大波壓力作用下承載力是否滿足,而對于穩(wěn)定性的計算,則需要整體結(jié)構(gòu)都能夠滿足穩(wěn)定性的要求。6層板及底層板壓力變化規(guī)律本文重點(diǎn)對消浪板結(jié)構(gòu)在不同波要素條件下的點(diǎn)壓強(qiáng)和總力的大小以及分布規(guī)律進(jìn)行了研究,并且將不同開孔形式下結(jié)構(gòu)的點(diǎn)壓強(qiáng)和總力進(jìn)行比較,得出以下規(guī)律:1)在點(diǎn)壓強(qiáng)方面,由于波浪的波要素和結(jié)構(gòu)形式的不同,導(dǎo)致了各個測點(diǎn)點(diǎn)壓強(qiáng)值和分布規(guī)律有所不同。但是無論哪種開孔形式以及波要素下,上層板各測點(diǎn)上的壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在靜水面附近的測點(diǎn)(為3號測點(diǎn))。向下隨著入水深度的增加,點(diǎn)壓強(qiáng)也有規(guī)律地減小;靜水面以上的點(diǎn)壓強(qiáng)也隨著離靜水面的距離增加而減小。2)由于波浪通過上層板的開孔進(jìn)入到消浪板結(jié)構(gòu)的箱室內(nèi)之后,在與上層板開孔位置相對應(yīng)的底板上產(chǎn)生了較大的壓強(qiáng)峰值。對于相同波高和周期情況下,以橢圓形開孔結(jié)構(gòu)底層板上的點(diǎn)壓強(qiáng)值最大,而且其點(diǎn)壓強(qiáng)作用范圍也最大,這就導(dǎo)致底層板受到的壓力相對很大。這樣,在考慮增大結(jié)構(gòu)開孔率以便提高結(jié)構(gòu)消能效果的同時也要