桩基开孔斜挡板消浪特性试验研究

张之琳，黄本胜，吉红香，李 明，程香菊

(1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；3. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635；4. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641)

板式防波堤将挡板直接固定于打在深海中的桩基上，下部悬空，不仅施工方便、造价较低，还有利于港内外水沙交换，可有效防止泥沙淤积、保持港内良好水质条件。这种符合海洋生态文明建设的结构，利用挡板阻挡集中在表层水体中的大部分波浪能量的传播，减小后方的透射波高，近年来在国内外工程中得以成功实施，具有广阔的应用前景[1]。

堤后透射波高与堤前入射波高的比值(透浪系数)越小，挡板消浪性能越好。国内外学者对桩基挡板结构的透浪系数进行了理论推导[2-5]和试验研究[6-8]。试验结果表明，挡板相对入水深度是影响透浪系数的最主要因素。大量研究[1，8-10]得出在规则波和不规则波作用下，透浪系数随相对入水深度的增加而减小的结论。数模试验[10-11]和理论解析[12]也得出同样结论。但唐雯等[13]对规则波试验得出防波堤出水后的消浪性能优于淹没状态下的结论。可见对挡板入水深度影响的研究还未形成统一规律，有待进一步开展。

现有研究多为垂直档板结构，而范玉平等[14]表明在相同水深和波浪要素时，开孔斜挡板的透浪系数均比开孔平挡板小；虞丹君等[15]的结果也显示开孔挡板所受相对波压强明显小于不开孔挡板。而且，对海啸波的消减作用是防波堤保障水安全的重要体现，但现有文献中少有对海啸波等极端气候条件下挡板性能的研究。因此，本文考虑不规则波和孤立波作用，研究挡板入水深度对桩基开孔斜挡板消浪特性的影响，对护岸工程技术应用具有实用价值。

1 物理模型试验概况

1.1 试验设备

物理模型试验在广东省水利水电科学研究院水动力学应用研究重点实验室的波浪水槽中进行。水槽长80.0 m、宽1.8 m、高2.6 m，其工作水深范围为0.2～2.0 m，平均波高范围为0.05～0.8 m，平均波浪周期范围为0.5～5.0 m。水槽的一端配有造波设备和造流设备，可通过造波系统软件控制推波板造出试验所需波浪。另一端为消波装置，用来减少波浪反射对试验带来的影响。

1.2 试验模型及试验布置

广东沿海护岸工程多受重力波影响，本次模型按重力相似原则进行设计。试验模型所使用的长度比尺取为1：10。造波机后约39.7 m布设1：20的缓坡将平台垫高0.5 m，模拟原型中从深海到近海的过程。在平台上稳定6.6 m后布设挡波板桩基，其中桩基为前后各倾斜15°的三角架；挡板宽40 cm，梅花形布设开孔，孔直径为2.5 cm，透空率为9.8%。以汕尾市海滨大道西段为原型布设断面，包括3.2 m长的抛石护岸、4.2 m长的绿化带及机动车道(见图1)。

图1 波浪水槽布置全局示意

试验共设置7支电容式波高仪(G1～G7)测量波高的沿程变化；其中挡板前每隔1.0 m布设1支，挡板1.5 m后每隔0.5 m布设1支。设置7台压力传感器(P1～P7)测量地面和堤面所受压力的延程变化(见图 2)。护岸越浪量的测量是在堤顶机动车道后安装容器收集越顶水体，然后称重得到越浪量。

图2 波浪水槽及模型布置局部示意

1.3 试验内容

水位设计为1.0 m，对应的滩地水深为0.5 m。造波机所造不规则波来自原型工程所在海域水深5.0 m处重现期为100年一遇工况，对应模型中有效波高为0.202 m，周期为3.746 s，试验采集1/10H、1/3H两种波高；所造孤立波设计最大波高为0.340 m，周期为1.732 s，试验采集最大波高Hmax。

试验重点研究挡板入水深度对波浪的消减作用，分别以a、b代表挡板在静水面以上、以下宽度，单位为cm。试验包括a、b为30/10、20/20、10/30、0/40及无挡板空白试验5种工况，前4种工况对应相对入水深度为0.2、0.4、0.6、0.8。各组试验造波时长330 s，重复3次取平均值。

2 结果分析与讨论

2.1 挡板入水深度对越浪量的影响

海堤最重要的作用之一是减少越浪，本试验通过对不同工况下越浪量进行测量研究挡板对消减越浪的作用。不同工况下越浪量占无挡板空白试验的百分比见图 3。结果表明，挡板对减少越浪量具有明显作用；板在水下宽度10 cm即可消减75%以上的越浪；随着入水深度增大到30 cm，几乎没有越浪发生；但当挡板全部在水下后，越浪量稍有回升。这一规律为在一定范围内挡板入水深度越大透射的波浪能量越少，与前述多位学者结果相通；但同时挡板淹没状态下消浪性能差于出水挡板，与唐雯等[13]结果一致。李宗伟[16]对规则波的物模和数模试验结果表明，随着相对入水深度从0.4 逐步增加至0.8，挡板防波堤透浪系数可降低50%。可见，挡板入水深度正作用于消减波能只在一定范围内成立；整体来说，入水深度的影响不是单调的。

图3 不同挡板入水深度工况下越浪量占空白试验百分比

另一方面，试验工况中，挡板对孤立波的作用略好于不规则波，这对沿海地区保障水安全具有积极意义。

2.2 挡板入水深度对透射波高的影响

堤后透射波高反应挡板作用后波浪剩余的能量。不规则波作用时，本文考虑1/10H和1/3H两种波高；前者体现不规则波中的波高较大的波，后者则体现波高相对较小的波。图 4显示不规则波和孤立波通过挡板后波高较无挡板空白试验消减的百分比，其值为挡板后5台波高仪(G3～G7)数据分析后的平均值。结果表明，试验工况中，挡板对沿程平均波高消减程度为10%～24%。

图4 波高较无挡板消减百分比

挡板入水深度对不规则波和孤立波消减作用的影响有差异。不规则波作用下，随着入水深度增加，对1/10H的消减作用增加，对1/3H的消减作用先增加后趋于平缓；这反映波浪在传播过程中大部分能量都集中在表层水体内[8]。孤立波作用下，挡板入水深度为20 cm时效果最好，此时挡板出水部分对消减波浪起到关键作用；随着入水深度增加，对波高消减作用减小；这与通过规则波和不规则波试验得出的结论明显不同。考虑日常不规则波和极端气候孤立波，建议实际设计挡板时需根据实地断面及波浪要素进行确定。

2.3 挡板入水深度对波压力的影响

波浪不断拍打堤岸，对堤岸所受波压力的研究有利于研判堤岸稳定性。图 5为不规则波和孤立波作用下，断面所受最大正/负波压力较无挡板空白试验消减的百分比；由于部分工况下波浪未到达P6处，其值为5台压力传感器(P1～P5)数据分析后的平均值。结果显示，有无挡板对断面所受最大波压力的影响有限，在±11%以内；不规则波作用下，挡板稍微增加断面所受最大正波压力且减小最大负波压力；孤立波作用下，挡板的影响相反。同时，挡板入水深度对波压力的影响不明显。

图5 不规则波和孤立波最大正/负波压力消减百分比

3 结语

本文通过大比尺物理模型试验，研究了不规则波和孤立波作用下，挡板入水深度对桩基斜挡板消浪作用的影响，相关参数包括越浪量、透射波高和最大波压力，具体结论如下：

1) 布置挡板可以有效减少越浪量，消减率为75%以上，具有保障水安全的作用。

2) 入水深度对挡板消浪作用的影响不是单调的。试验工况中滩地水深0.5 m，对于越浪量，40 cm宽挡板在水下宽度为30 cm时消减作用最好；对于不规则波波高，挡板刚好淹没时效果最好；对于孤立波波高，挡板入水深度为20 cm时最好。

3) 有无挡板对断面所受最大波压力的影响有限，在±11%以内，且挡板入水深度的影响不明显。

4) 本文为机理研究，实际设计中应综合考虑越浪量、透射波高等参数设计挡板布置条件，建议结合实际需求根据实地断面及波浪要素进行确定。