低基床规则波作用下开孔沉箱反射系数的试验研究

摘 要:通过波浪试验水槽内的规则波试验,分析研究了低基床上开孔沉箱在规则波作用下反射系数与消浪室相对宽度、相对水深和开孔率等影响因素的相关关系,给出了在规则波作用下,低基床上波浪反射系数的拟合关系式,从而得出了有价值的结果。所得经验关系式可供工程设计和进一步研究时参考。

关键词:低基床 反射系数 规则波

中图分类号:O427文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-065-03

1前言

近年来,开孔沉箱已经在实际工程中得到广泛应用,其原因在于开孔沉箱可以显著降低结构物的反射系数和波浪力,从而减轻结构自重,在保证结构安全的前提下产生良好的经济效果,而且对港池和航道内的水面平稳也有利。而开孔沉箱自60年代提出以来已有许多学者就开孔沉箱结构对波浪的反射特性进行了研究。Urashima S. ,Fugazza M 等分别用线性波浪理论和Stokes波浪理论分析开孔沉箱的反射率和波浪力,给出理论曲线。Tanimoto和Yoshimoto 对开孔沉箱的反射系数及其主要影响因素作了广泛的实验和理论研究,陈雪峰、李玉成等 通过试验分析研究了带开孔板沉箱的反射率及总水平力比与各影响因素的相互关系,并得出了相应的经验关系式。

在以上的研究中,开孔结构物前的水深是恒定的。而在实际工程中,开孔沉箱防波堤有时候是修建在明基床上的。Tanimoto等 对不规则波与明基床上开孔沉箱的相互作用进行了试验研究,分析了结构的反射系数和越浪量;Park等 试验测量了规则波作用下明基床上局部开孔沉箱的反射系数;Suh等 测量了局部开孔沉箱在不规则波作用下的反射系数,并利用了伽辽金特征函数法 计算了明基床上局部开孔沉箱的反射系数,由于该方法要求计算域内水深变化是连续的,Suh等 在计算中把局部开孔沉箱前直立墙下端不开孔部分假定为一陡坡。Zhu和Chwang 也利用伽辽金特征函数法分析了明基床上由一多孔直立墙(具有一定厚度)和一后实体墙组成的直立消波结构的反射特性;李荣庆和谢世楞 根据线性长波理论,给出明基床上全开孔沉箱前的波高分析方法,可用来估算结构前的波高;刘勇等 给出了明基床上局部开孔沉箱防波堤反射系数的近似计算方法,刘勇等 在计算中将明基床假定为一直立墙。国内外对明基床上开孔沉箱的反射系数的理论研究方面尚未形成实用的计算方法;试验研究方面大部分都是基于暗基床上开孔沉箱的成果,给出的经验关系式未考虑基床方面的影响因素。

本文通过试验,分析研究在规则波作用下,低基床上开孔沉箱反射系数与主要影响因素间的相互关系,并给出相应的经验关系式,这些经验式为实际工程提供有价值的计算方法。

2试验概况

本次试验是在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的二维水槽内进行,水槽尺寸长为56m、宽为0.7m、最大试验水深为0.7m,水槽的一端安装有液压式不规则波造波机。模型布置在距离造波机35m处,模型及浪高仪的布置如图1所示。

2.1 试验条件

试验模型设计为前墙开孔、后墙实体,前开孔板开孔率为20%和40%,孔型采用矩形开孔,开孔幅度为水下0.2m至顶。明基床高度为10cm,采用以重量为1.22g左右、粒径均匀的石子铺垫。开孔区以下区域以同种类型的石子填充。试验水深保持基床前水深0.4m不变。

明基床高度为0.10m,根据标准 ,本次试验基床属于低基床范畴。规则波周期分别为0.86s、1.0s、1.2s、1.4s;波高分别为0.06m、0.08m、0.10m、0.12m。消浪室宽度分别为0.15m、0.2m、0.3m。对于每种组合工况,重复试验3次,取平均值作为试验值。

2.2试验方法

沿波前进方向,在试验模型前不等间距布置5个浪高仪,以测量沉箱前的波面变化。浪高仪的间距不应为半波长的整数倍,一般在0.05~0.45倍波长范围内。对不同的波要素,应选取适合的浪高仪组合。

2.3试验数据整理

试验数据由计算机采集,采集间隔为0.02s。对于每种工况,规则波试验采样时间为20.48s(采样次数为1024)。

浪高仪所测数值为入、反射波叠加的结果,采用合田良实的两点法进行入、反射波的分离,并求得反射系数。

3试验成果分析

3.1影响反射系数(Kr)的主要因素

根据Li等 的研究分析,反射系数与其主要因素间的关系可由下述函数式表示:

其中,

bc为消浪室宽度,d为实验水深,Hi为入射波高,L为波长,为开孔率,q为沉箱开孔深度。

本试验沉箱开孔深度q不变。因此,本试验只考察反射系数Kr与消浪室相对宽度bc/L、相对水深d/L、波陡Hi/L以及开孔率的相互关系。试验中开孔率仅有两组,在试验范围内将其影响视为线性关系。本试验消浪室相对宽度bc/L、相对水深d/L、波陡Hi/L的变化范围分别为0.063~0.265、0.167~0.354、0.025~0.106、0~0.133。

3.2 分析试验数据

鉴于上述分析,将试验数据按单因次相关分析分别考虑:

(1) 保持消浪室宽度与波高不变,改变波长,分析bc/L与Kr之间的影响关系(见图2示例)。

(2) 保持波高与波长不变,改变消浪室宽度,分析bc/L与Kr之间的影响关系(见图3示例),由图2、图3均可知,Kr与bc/L之间呈二次曲线关系。

(3) 分析相对基床高度bc/L与Kr之间的变化趋势图(见图4所示)。

(4) 分析相对水深d/L、波陡Hi/L、开孔率分别与Kr之间的影响关系,反射系数沿各影响因素的变化如图5~8所示(图中虚线为只考虑一个因素时Kr的趋势线);其中波陡Hi/L改变对Kr影响关系较小,可不考虑波陡对其影响,相对消浪室宽度bc/L、相对水深d/L均称二次曲线关系,由于本次试验只才用了两组开口率,故开孔率影响关系取线性关系。

鉴于上述分析,在本试验范围内,影响反射系数的主要因素有消浪室相对宽度bc/L、相对水深d/L以及开孔率 ,前两项对反射系数的影响均呈非线性关系。

因此,本文采用最小二乘法拟合反射系数与四者的相关关系,得到下述相关关系式:

其相关系数,远大于拟合方程的相关性要求。而式(2)的计算值与试验值的对比情况如图8所示。图中实线为y=x,虚线为y=x的10%的包络线,可见绝大数点在包络线内,说明相关性较好。

由拟合关系式可看出消浪室相对宽度对反射系数影响最大,其次是相对水深。

根据多元函数极值定理,得出式(2)在消浪室相对宽度bc/L=0.184、相对水深d/L=0.167时,反射系数取得极小值。一般由理论分析得到的结果为消浪室相对宽度在0.25附近时反射系数取得最小值,此时入、反射波反相位叠加时,消能效果最好。但试验结果与理论结果存在一定的差异,这主要是因为理论分析忽略了流体本身的粘性及开孔板的阻力等因素的影响,而实际波浪在消浪室内的运动有一定的滞后,所以在bc/L小于0.25时反射系数取得极小值是合理的。

4结语

通过上述分析,可得以下结论,供进一步研究时参考:

(1) 在规则波作用下,低基床高度上的开孔沉箱消浪室相对宽度是影响开孔沉箱反射系数的主要因素,且与反射系数呈非线性关系。

(2)在规则波作用下,相对水深与反射系数呈非线性关系,波陡的影响可以忽略。

(3)在规则波作用下,反射系数在消浪室相对宽度bc/L=0.184、相对水深d/L=0.167时,取得极小值。

注释:

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