長(zhǎng)沙理工大學(xué)波浪與防波堤試驗(yàn)指導(dǎo)書本部

1、波浪與防波堤相互作用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆啦ǖ淌歉劭谒そㄖ锏闹匾M成部分，能夠有效的防御波浪的港區(qū)的 侵襲，在港工建筑物逐步進(jìn)入深水區(qū)域時(shí)，傳統(tǒng)意義上的防波堤因其造價(jià)較高、 技術(shù)復(fù)雜、施工困難等已不能適應(yīng)深水港發(fā)展的要求，且傳統(tǒng)意義上的防波堤 在水體交換、環(huán)境保護(hù)等方面有所欠缺，港口工程結(jié)構(gòu)型式正逐步向透空式結(jié) 構(gòu)、消能式結(jié)構(gòu)及多功能型結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。但是現(xiàn)有的透空式防波堤結(jié)構(gòu)相對(duì) 復(fù)雜，造價(jià)較高，且消浪效果不佳。而且外海施工條件惡劣，迫切需要一種施 工簡(jiǎn)單，施工周期短，安裝、拆卸方便，且消浪效果好的新型防波堤結(jié)構(gòu)。圖1新型透空式雙層板型防波堤（1- 支撐樁，2-下橫梁，3-預(yù)制板，4-上橫梁）本實(shí)

2、驗(yàn)針對(duì)一種新型透空式雙層板型防波堤(見圖1)的消波性能進(jìn)行研 究。該防波堤施工成本低廉，利用預(yù)制的小型鋼筋混凝土構(gòu)件，在海上現(xiàn)場(chǎng)裝 配成相互鎖扣的框架，因而施工方便、安全，海上施工工期縮短，適用于軟土 地基，并且能實(shí)現(xiàn)內(nèi)港與外港之間海水的循環(huán)。本實(shí)驗(yàn)的目的是，根據(jù)不同的 波浪參數(shù)，得出防波堤的相對(duì)波高、相對(duì)水深及相對(duì)預(yù)制板間隙與透射系數(shù)的 關(guān)系，驗(yàn)證此種型式的防波堤有效性和安全性，為在實(shí)際工程中的使用提供參 考。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是對(duì)防波堤的透射系數(shù)和反射系數(shù)進(jìn)行分析。透射系數(shù)是指透射波與入射波的波高比值：式中：H i為堤前入射波咼，H t為堤后透射波咼。反射系數(shù)是值反射波與入射波的波高

3、比值：K=H/Hi式中：Hi為堤前入射波高，Hr為反射波高。三、實(shí)驗(yàn)裝置及儀器設(shè)備(1) 造波系統(tǒng)及水槽(金盆嶺校區(qū)港航中心港工廳)波浪水槽長(zhǎng)X寬X高=45m x o.5m x 0.8m，最 低工 作水深0.2m，最高工作水 深0.6m，模型布置在水槽中心位置。造波機(jī)后側(cè)設(shè)有直立式消能網(wǎng)，水槽的另 一端設(shè)有消能坡，以消除波浪反射影響。(2) 防波堤模型根據(jù)波浪模型試驗(yàn)規(guī)程JTJ/J234-2001 ，依重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)正態(tài)模型, 根據(jù)試驗(yàn)室內(nèi)波浪槽尺度及防波堤尺寸、水深、波浪要素和試驗(yàn)儀器測(cè)量精度， 本模型采用幾何比尺為1:10。模型高度0.4m ,順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度B=1m，寬與水 槽寬度相同為

4、0.5m，模型上下板間距S=0.1m，單個(gè)預(yù)制板：長(zhǎng)X寬X厚=0.5 X 0.05 x 0.01m，預(yù)制板之間的間隙可調(diào)，調(diào)動(dòng)范圍為0.010.03m ，由上下板及 前后板組成的消浪室，其上下位置可變動(dòng)。(3) 浪高儀布置為避免模型處受到造波機(jī)二次反射波浪影響，模型放置在距離造波板綣處，模型順?biāo)鞣较虻膶挾菳為1m，板間距S可調(diào)。共布置1#-5#共5個(gè)浪高 儀，浪高儀布置如圖2所示。1#、2#和3#浪高儀布置在模型迎浪側(cè)，其中3# 浪高儀位于模型前X3處，1#和2#浪高儀的間距為，2#和3#浪高儀的間距為 .%, ； 4#和5#浪高儀布置在模型的后面，其中4#浪高儀位于模型后X4處，4# 和5

5、#浪高儀的間距為. -：x4。圖2實(shí)驗(yàn)布置圖四、實(shí)驗(yàn)方案4.1試驗(yàn)波浪參數(shù)實(shí)驗(yàn)采用規(guī)則波進(jìn)行，首先調(diào)節(jié)好防波堤上下板間距，往水槽放水，測(cè)出 預(yù)制板間隙、模型入水深度，模型水面以上高度，以保證模型頂面極少產(chǎn)生越 浪。模型安裝完畢后，使用造波機(jī)造波，記錄好試驗(yàn)波浪參數(shù)，選取新的造波 參數(shù)（波高H、波周期T），重新開始實(shí)驗(yàn)，至少進(jìn)行5組試驗(yàn)，見表1。表1試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn) 組次水深 d（ m）波高H （ m）波周期T（ s）預(yù)制板間隙j （ m）上下板間距S（ m）模型入水深度 q（ m）12345如果時(shí)間允許，可改變水深或上下板間距進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢后， 對(duì)模型參數(shù)及試驗(yàn)波況參數(shù)根據(jù)比尺關(guān)系進(jìn)行換

6、算，將其換算為原型參數(shù)，見 表2。表2原型與模型對(duì)照表參數(shù)模型原型寬度(m)高度(m)預(yù)制板間隙(m)上下板間距(m)防波堤入水深度(m)防波堤水面以上高度(m)波高(m)波周期(s)波長(zhǎng)(m)4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法試驗(yàn)中通過5個(gè)浪高儀分別同步記錄了堤前及堤后的波面過程數(shù)據(jù)。對(duì)模型前 的1#、2#和3#測(cè)點(diǎn)的波面數(shù)據(jù)，選取其中不同的兩點(diǎn)，應(yīng)用Goda的兩點(diǎn)法（見 附錄），分離出模型前的入射波高和反射波高，然后平均求得最后的入射波高 和反射波高，并計(jì)算透射系數(shù)和反射系數(shù)；對(duì)模型后的3#與4#測(cè)點(diǎn)的波面數(shù) 據(jù)，同樣應(yīng)用兩點(diǎn)法，分離出模型后的透射波高，以消除水槽尾端消能網(wǎng)的反 射影響，從而可更為準(zhǔn)確

7、地確定模型的反射系數(shù)和透射系數(shù)。要求同學(xué)們根據(jù) 附件（Goda兩點(diǎn)法計(jì)算波浪反射系數(shù)）的原理，計(jì)算出反射系數(shù)和透射系數(shù)。 根據(jù)波浪參數(shù)，分析透射系數(shù)、堤前反射系數(shù)隨相對(duì)板寬、相對(duì)板間距、相對(duì) 水深和波陡等參數(shù)變化的關(guān)系。4.3實(shí)驗(yàn)步驟1）確定浪高儀測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)出Xm、厶、X3、X4、X4等坐標(biāo)值；2）測(cè)定防波堤上下板間距，往水槽放水，測(cè)出水深、模型入水深度、模型水 面以上高度；3）啟動(dòng)造波機(jī)程序，開始造波；4）啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件，通過各浪高儀記錄下各測(cè)點(diǎn)波面數(shù)據(jù)，用照相機(jī)記錄 下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；5）Goda兩點(diǎn)法FORTRAN 程序計(jì)算反射系數(shù)、透射系數(shù)，繪制相關(guān)曲線；6）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)

8、驗(yàn)報(bào)告應(yīng)該包括如下幾部分：1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x2）實(shí)驗(yàn)概述（包括實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)布置描述包括造波 機(jī)位置、消浪設(shè)施、浪高儀布置等，繪制出實(shí)驗(yàn)布置圖，給出浪高儀坐標(biāo) 位置表）3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟（具體的實(shí)驗(yàn)步驟，每個(gè)步驟測(cè)量過程和內(nèi)容描述）4）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述（波浪在防波堤前、防波堤中、防波堤后的現(xiàn)象描述）5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（計(jì)算透、反射系數(shù)，并分析透射系數(shù)和反射系數(shù)隨相對(duì)板 寬B/L、相對(duì)板間距S/L、相對(duì)水深d/L和波陡H/L等參數(shù)變化的關(guān)系，繪 制相關(guān)的關(guān)系曲線；并將模型參數(shù)及試驗(yàn)波況參數(shù)根據(jù)比尺關(guān)系進(jìn)行換算， 將其換算為原型參數(shù)）表3透射系數(shù)、反射系數(shù)計(jì)算波高（m）周期（s）波長(zhǎng)

9、（m）波陡相對(duì)水深相對(duì)板寬相對(duì)板間 距透射系 數(shù)6）實(shí)驗(yàn)結(jié)論（實(shí)驗(yàn)總結(jié)，主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)論）7）實(shí)驗(yàn)收獲與體會(huì)實(shí)驗(yàn)圖表應(yīng)該規(guī)范。繪圖要有圖號(hào)、圖名。圖內(nèi)應(yīng)標(biāo)明設(shè)備的名稱、浪高 儀的距離等詳細(xì)信息。坐標(biāo)軸應(yīng)有名稱和單位。表格應(yīng)有表號(hào)和表名，不要忘 記寫單位。公式應(yīng)該分別編號(hào)。六、實(shí)驗(yàn)要求1）各小組根據(jù)本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自行設(shè)計(jì)方案（設(shè)計(jì)表1表3）,于實(shí)驗(yàn)當(dāng)天上 交。2）實(shí)驗(yàn)前先預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)前每人登錄網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提交預(yù)習(xí)報(bào)告，無預(yù)習(xí)報(bào)告 的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)榱?，?shí)驗(yàn)前抽查實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果；實(shí)驗(yàn)時(shí)每人帶上一份實(shí)驗(yàn)指 導(dǎo)書；實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告的組成：1 ）談?wù)勀闼私獾姆啦ǖ蹋?2 ）查閱文獻(xiàn)回答問題1和問題2。 問題1 :查閱相

10、關(guān)資料簡(jiǎn)述傳統(tǒng)型式防波堤和新型透空式防波堤的優(yōu)缺點(diǎn)？問題2 :查閱相關(guān)資料，選擇一種防波堤解釋其消浪機(jī)理？3）實(shí)驗(yàn)時(shí)每組帶一個(gè)照相機(jī)和一個(gè)U盤；4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須要有實(shí)驗(yàn)照片，報(bào)告中無照片或用其他組實(shí)驗(yàn)照片的，實(shí)驗(yàn) 成績(jī)不及格；5）實(shí)驗(yàn)完成后，原始數(shù)據(jù)必須要有指導(dǎo)老師的簽字，否則實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)榱恪?）本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書只作為參考，實(shí)驗(yàn)報(bào)告以實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的情況來寫。 附主要參考文獻(xiàn)：1）殷偉，盧學(xué)軍，儲(chǔ)標(biāo)，劉映輝，呼萸俊多個(gè)波高儀實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)法分離合成波 浪港工技術(shù)，2007：4-62）唐琰林.雙層水平板型透空式防波堤消波性能研究大連理工大學(xué)碩士學(xué) 位論文,20063）王國玉.特種防波堤結(jié)構(gòu)型式及水動(dòng)力特性研究大

11、連理工大學(xué)博士學(xué)位論文,20054）何軍.特種板式防波堤消浪及波壓力特性研究.長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論 文,2009.附Goda兩點(diǎn)法計(jì)算波浪反射系數(shù)設(shè)水槽中任-點(diǎn)的波浪均由入射波系中和反射波系疊加而成它們可以分別表 示成：M6 （扯 0 =備 cos（ftmx - 2nfmt + 賂）（A.1）M族 M =工 + 2叮+ %）（A2）由兩個(gè)浪高儀同步測(cè)得的波形分別為（如圖AJ所示）：殆二仍（0 +族（嘰予（A3）加。=心+ %（f）L曲（A.4）圖兩點(diǎn)法示意圖 Fig A. 1 Skecth of two-point method另-方面，波形可展開成傅立葉級(jí)數(shù)*M7 (0 =工(心+ B伽

12、sin 2?rfmt)(A5)m=171(O = S(. cos2<Z + B2m sin 2/,/)(A£)將(AJ)及(A.2)帶入(AS)及(A4),并與(A+5)和(A.6)聯(lián)立，可解得入射波和反射波中 各組成波的振幅：刑-血QS山A/-幾sin忍A/) +"'肋=2|sin£(砥+sin 3Blm cosm 一 九 cos z + Blm sin *A/)2 +呱恥耶話(4(九一血 3 - Blm cos kmM)(A.7)10式(A.7)中的血九,俎和%是傅立葉系數(shù)。 當(dāng)?shù)葧r(shí)距采樣時(shí)，式(A/7)中的傅立葉系數(shù)可表示為雷7 n丄、>

13、!9 N/v問7 NJV (=7 Nzv i=lrlcos(2/>M/ N)T Icos2jw/2/)lsin(2/zn/N)(A.8)此處，N, T分別為樣本數(shù)和釆樣總時(shí)間；協(xié)“,2，MU#)：各組成波的頻 率為仁f km=2nlLm為各組成波的波數(shù)；4為兩個(gè)浪高儀之間的距離。式(A.8) 可用快速傅立葉變換法FFT)計(jì)算°在物理模型試驗(yàn)中，可測(cè)得一定位置處的波形帀(/)和% (r),由式(a.8)可算得 心 人駅和B”,代入式(A7)即可求得入射波和反射波各組成波的振幅 (加)和 絞(曲)，進(jìn)而可求得結(jié)構(gòu)物前波浪的反射系數(shù)：(A.9)W/ A/_ JW=l/ W=lKk代表

14、波系全體的平均反射系數(shù)。而入射波高和反射波髙可由K,和實(shí)測(cè)的合成 波高企(兩點(diǎn)的均備計(jì)算而得：(A.10)爲(wèi)二鳳/(1我瀘 弘= K”/(1 + K瀘對(duì)于規(guī)則波的情形.問題得到簡(jiǎn)化，以上各式中的波浪頻率為定值，即肛1°需要注意的是測(cè)量波面的兩點(diǎn)之間的距離山要正確的設(shè)計(jì)，即當(dāng)&圭rdJ2 (n = 0 or 1兩點(diǎn)法才可以使用.這是因?yàn)楫?dāng)AZ等于L/2或務(wù)和兔 值發(fā)散 Goda建議在實(shí)際應(yīng)用屮，可選取打在0至広9之間*這意味著兩點(diǎn)之闔的 最小距離心皿 為厶喚*由此可以測(cè)量最大波長(zhǎng)或最小頻率人兩點(diǎn)之間的 規(guī)大距離山叫 等于0.451 ,由此町以測(cè)量最小波長(zhǎng)或最大頻率人"為此 對(duì)于規(guī)則波AZM可變化于0,05-045的范圍內(nèi)，浪高儀與模型的距離不宜小 于(0.20-0.25) 對(duì)于