透空式防波堤透浪系数物理模型研究

摘要: 透空式防波堤并达到挡潮消浪效果的关键因素是透浪系数，而透浪系数取决于工程区域的水深、波浪要素和透空堤结构尺度，本文通过物理断面模型试验研究透空堤透浪系数的影响因素和变化规律，得出透空堤在不同水位、不同挡浪板入水深度条件下堤后不同距离间的透浪系数，得出透浪系数的影响因素，进而推荐出最佳断面尺寸。

关键词: 透空堤透浪系数物理模型试验

中图分类号：TH128文献标识码： A

桩基透空式防波堤是港口水域防浪建筑物中具有发展前景的一种防波堤结构型式，它根据波能分布主要集中于水体表层的特点,设计成上部挡浪下部透流的型式，与传统的实体防波堤相比，桩基透空式防波堤优点十分明显：结构简单，适用软基，造价相对较低；堤身下部透空，有利于港区水域内外水体交换，减少港区泥沙淤积[1-2]。

从实际出发，建设地点的水深与波要素关系常常不在规范给出的透浪系数计算范围内[3]、且拟建的透空式防波堤断面结构也与规范中不尽相同，对此，则需依据物理模型试验测定拟建透空式防波堤断面的透浪系数，再确定合理的透空式防波堤结构。本文结合浙江省椒江大陈岛透空式防波堤建设，通过物理模型试验，在不同水位、不同挡浪板入水深度等条件下的堤后波高分布情况，从而得出不同条件下透浪系数的影响因素，可为类似条件透空堤建设透浪系数的确定提供经验，确定合理的透空式防波堤结构。

一．物理模型设计与量测方法

1.1 防波堤结构型式

根据透空堤所在堤线位置以及当地波浪、潮流特点，透空堤设计断面采用高桩墩台式结构。透空段总长为196m，宽10m，排架间距均为4m，设7跨8个排架，两端的悬臂长均为1.5m。各段基础均选用600×600mm预应力混凝土方桩，每榀排架均设4根方桩，4根桩组成两对斜度为4:1的叉桩。由于桩基需打入块石层，所以方桩低面加上H型钢桩尖，形成组合桩。各段的上部结构布置相同，均由钢筋混凝土预制前、后挡板、现浇钢筋混凝土桩台底板、现浇混凝土前后挡浪墙、回填石渣以及现浇混凝土地坪组成[5-6]。断面型式见图1-1

图1-1 中咀避风港透空式防波堤断面图

1.2试验水位和波要素

为充分了解桩基透空堤的消波性能和堤身结构承受的波浪力，试验中除采用极端高水位5.71m和设计高水位4.41m外，还增加三级水位，即5.06m、3.50m和2.50m，各级水位时50年一遇波要素见表3-1。

表1-1 透空堤堤前设计波要素（50年一遇）

注：＊—为增加水位。

二．透空堤断面波浪透浪系数试验结果

桩基透空堤断面的透浪系数定义为：不规则波作用下，测量的透空堤后波浪有效波高（Hs）与入射波有效波高之比。

分析设计断面（图1-1）可知，本桩基透空堤断面两侧设置挡浪板挡潮消浪，因此，挡浪板的高度（即入水深度）对透浪系数的影响较大，试验中共研究了四种挡浪板入水深度的消浪效果，即：

（1）方案一：透空堤两侧挡浪板入水深度至0.9m；

（2）方案二：透空堤两侧挡浪板入水深度至1.1m；

（3）方案三：透空堤两侧挡浪板入水深度至1.3m；

（4）方案四：透空堤两侧挡浪板入水深度至1.5m；

2.1 各方案透空堤断面波浪透浪系数试验结果

在各级水位与不规则波浪作用下，桩基透空堤断面透浪系数有：

表1-2：桩基透空堤两侧挡浪板底高程0.9m时透浪系数（方案一）。

表1-3：桩基透空堤两侧挡浪板底高程1.1m时透浪系数（方案二）。

表1-4：桩基透空堤两侧挡浪板底高程1.3m时透浪系数（方案三）。

表1-5：桩基透空堤两侧挡浪板底高程1.5m时透浪系数（方案四）。

表1-2不规则波作用下透空堤透浪系数（方案一、挡浪板底高程0.9m）

注：1.＊—为增加水位；2．Hs—有效波高；3．K—实测的有效波高/入射有效波高。

表1-3 不规则波作用下透空堤透浪系数（方案二、挡浪板底高程1.1m）

注：1.＊—为增加水位；2．Hs—有效波高；3．K—实测的有效波高/入射有效波高。

表1-4不规则波作用下透空堤透浪系数 （方案三、挡浪板底高程1.3m）

注：1.＊—为增加水位；2．Hs—有效波高；3．K—实测的有效波高/入射有效波高。

表1-5不规则波作用下透空堤透浪系数 （方案四、挡浪板底高程1.5m）

注：1.＊—为增加水位；2．Hs—有效波高；3．K—实测的有效波高/入射有效波高。

图1-35.71m时透空堤各设计方案堤后有效波高值

图1-4 5.06m时透空堤各设计方案堤后有效波高值

图1-54.41m时透空堤各设计方案堤后有效波高值

图1-6 3.50m时透空堤各设计方案堤后有效波高值

图1-7 2.50m时透空堤各设计方案堤后有效波高值

2.2 各方案结果分析

1、方案一试验结果

由表1-2可知：从5.71m到2.50m的五组试验水位中， 各级水位自堤后5m～120m范围，有效波高分 别为0.66～0.45m、0.58～0.42m、0.54～0.45m 、0.57～0.53m、0.52～0.49m；透浪系数Kt分别为0.30～0.21、0.29～0.21、0.30～0.25、0.33～0.31、0.37～0.35。

2、方案二试验结果

由表1-3可知：从5.71m到2.50m的五组试验水位中，各级水位自堤后5m～120m范围，有效波高分别为是0.66～0.47m、0.58～0.46m、0.69～0.49 m 、0.62～0.57m、0.56～0.53m；透浪系数Kt分别为0.30～0.22、0.29～0.23、0.38～0.27、0.35～0.33、0.40～0.37。

3、方案三试验结果

由表1-4可知： 从5.71m到2.50m的五组试验水位中，各级水位自堤后5m～120m范围，有效波高分别为:0.73～0.50m、0.62～0.50 m、0.71～0.52m 、0.67～0.61m、0.63～0.59m；透浪系数Kt在相应五个水位时的范围分别是0.34～0.23、0.31～0.25、0.39～0.29、0.38～0.35、0.45～0.41。

4、方案四试验结果

由表1-5可知：从5.71m到2.50m的五组试验水位中，各级水位自堤后5m～120m范围，有效波高分别为0.74～0.52m、0.72～0.54 m、0.71～0.58m 、0.67～0.61m、0.63～0.59m；透浪系数Kt在相应五个水位时的范围分别是0.34～0.24、0.31～0.25、0.39～0.29、0.38～0.35、0.45～0.41。

5、透浪系数试验结果分析

根据透空堤断面波浪透浪系数试验，得出以下结论：

（1）水位对透浪系数的影响：随水位自极端高水位5.71m下降到2.50m水位时，透浪系数逐渐增大。由于各水位入射波高自极端高水位5.71m下降到2.50m水位是逐渐减小的,经透空堤消浪后在堤后5m处产生的有效波高在0.74～0.45m范围。试验还观察到极端高水位5.71m和水位5.06m时，堤顶有越浪，并增加堤后波高；设计高水位4.41m～水位2.50m时，波浪经挡浪板底部穿过堤身，一部分波能消耗在两挡浪板之间，另一部分波能则进入湾内。55

（2）挡浪板入水深度对透浪系数的的影响。试验中观察到，由于挡浪板入水深度对入射波浪的阻挡作用，穿过透空堤断面的堤后波高已明显发生改变。相同水位波浪条件下，挡浪板入水深度增大，堤后波高值减小，透浪系数下降，消浪效果增强。例如设计高水位4.41m时，透浪系数分别为：方案一：Kt=0.30～0.25；方案二：Kt=0.38～0.24；方案三：Kt=0.39～0.29；方案四：Kt=0.39～0.32。其它水位时也有类似规律。

（3）透空堤后纵向有效波高分布：在五级水位与不规则波浪组合作用下，经透空堤挡潮消浪后，堤后最大波高位于透空堤后5m处，堤后纵向120m范围内有效波高值是沿程减小，且小于1.0m（见图1-3～图1-7）。

6、推荐设计断面

根据透空堤断面波浪试验结果可知，在各级水位与不规则波浪组合作用下，桩基透空堤起到了挡潮消浪作用，堤后有效波高沿程减小，且小于1.0m。试验中研究了透空堤挡浪板入水深度对透浪系数的影响，挡浪板入水深度大，消浪效果好，但是，随着挡浪板入水深度增大，外侧波浪近似于立波，波浪水平作用力也增大[4]；同时, 挡浪板入水深度增大，也影响潮流进出湾内；还有，波浪传入湾内时，一方面透射穿过堤身，另一方面沿防波堤堤头绕射进入，也就是说，湾内波浪是由这两部分叠加的。因此，综合考虑到波浪传入形式与减小波浪水平力，推荐方案三为设计断面。

三．小结

本文采用物理模型试验研究透空堤的透浪效果,通过四种不同方案的断面模型试验，量测出各水位堤后不同距离的透浪系数，分析研究出在不同水位条件下挡浪板入水深度与透浪系数的关系，提出比较合理的断面尺寸设计，为类似条件透空堤建设透浪系数的确定提供经验。

参考文献：

[1]颜宏.桩基透空式防波堤结构的分析研究[D] .南京：河海大学， 2003.

[2]钟瑚穗,徐昶,过达.桩基透空堤的透浪系数[J].中国港湾建设，2003.10

[3]交通部第一航务工程勘察设计院，JTJ298-98 防波堤设计与施工规范[S]. 北京：人民交通出版社，1999.

[4]刘峥.随机波浪作用下透空式防波堤安全性研究.南京,河海大学.2009.

[5] 舟山市交通规划设计院；台州市椒江大陈中咀避风港工程可行性研究报告2006.2

[6] 李瑞杰，台州市椒江大陈中咀避风港波浪数学模型报告。河海大学。2006.9