挡板式防波堤影响下的沙质岸滩剖面变化实验.docx

1、交通科学与工程JOURNALOFTRANSPORTSCIENCEANDENGINEERING文章编号：1674-599X(2016)01-0072-05挡板式防波堤影响下的沙质岸滩剖面变化实验肖宇成，陈杰2,高清洋2,管培2,崔懿秋2,曹城2(1.湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南长沙410004；2.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410004)摘要：基于波浪水槽实验，对不同型式挡板式防波堤作用下的沙质岸滩剖面变化开展研究。实验选取规则波为入射波，考虑防波堤挡板的不同位置，同时选取不设置挡板式防波堤时岸滩演变的实验结果进行对比。实验结果表明：在有防波堤的情况下，岸滩可有效减小波浪对岸滩的

2、破坏情况，保持岸滩稳定。同时，将防波堤挡板设在后侧对岸滩的影响较小，最大程度地保护了岸滩。关键词：挡板式防波堤；岸滩演变；规则波；实验研究中图分类号:TV142文献标识码：AExperimentofsandybeachprofilechangesundertheeffectofthebafflebreakwaterXIAOYuU2,CHENJie2,GAOQing-yang2,GUANZhe2,CUIYi-qiu2,CAOCheng2(1.HunanProvincialWaterTransportationConstruction&InvestmentGroupCo.,Ltd.,Cha

3、ngsha410004,China；2.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&TechnologyChangsha410004,China)Abstract:Aseriesofwaveflumeexperimentswereperformedtoinvestigatethesandybeachprofilechangesundertheeffectofdifferenttypesofbafflebreakwater.Theincidentwavewasusedasregularwave.Thedifferent

4、locationsofbafflewereconsidered.Theexperimentalresultsshowthatthebafflebreakwatercouldeffectivelyreducescouringandprotectthesandybeach.Meanwhile,it'sthebestprotectionofthebeachwhenthebaffleislocatedattherearofthebreakwater.Keywords:bafflebreakwater；beachprofilechanges；regularwave；experimentalstu

5、dy收稿日期：20150722基金项目：国家自然科学基金项目(51409022);高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20124316120003)；湖南省教育厅科学研究项目(13B130,YB2O15BO34)；港口航道泥沙工程交通行业重点实验室开放基金项目；湖南省研究生科研创新项目(CX2O15B36O)作者简介：肖宇(1992),男，湖南省水运建设投资集团有限公司助理工程师。挡板式防波堤作为一种护岸建筑物，可有效减小波能，在实际工程中日益受到重视。因此，众多学者开展了大量的研究工作。NeelamaniCF等人对挡板式防波堤与波浪相互作用进行了研究。Kouno4F等人对挡板式防

6、波堤波压力特性进行了研究。王科19等人对挡板式防波堤消浪特性进行了研究。王国玉停一等人还对挡板式防波堤水动力特性和波压力特性进行了研究。可见,现阶段的研究主要集中在水动力方面，其研究结果表明：挡板式防波堤的修建会改变近岸地区的水动力条件。水动力条件的变化会对岸滩剖面造成影响。目前，学者们分别对桥墩m"、潜堤口5-”及沿海公路Cis-19影响下的岸滩剖面变化开展了研究，但对于挡板式防波堤影响下的岸滩剖面变化鲜有报道。为弥补现有研究的不足，作者拟基于波浪水槽实验，开展挡板式防波堤影响下的沙质岸滩剖面变化研究工作。1实验概述实验在长沙理工大学水利实验中心的波浪水槽中进行。水槽长40.0m,

7、宽0.5m,高。.8mo建立以岸坡起点为坐标原点，波浪传播方向为1轴正方向，与水槽底部垂直方向为了轴正方向的二维直角坐标系。岸滩坡度为1：10和1：20的复合坡。实验中使用通过人工筛分所得到的无粘性沙。本实验采用标准筛筛分的方法得到，平均中值粒径50=0.369mm,平均不均匀系数（C。=o/dio）为2.82,平均曲率系数（Cc=4o/以260）为1.117。k.o项图1实验布置示意（单位：m）Fig.1Layoutofexperiments（unit:m）（b）防波堤模型20.09-/（c）防波堤模型3现有实验结果表明：挡板位置的变化会使波浪沿水平板传播变形情况、破碎消能能力和防波堤反射波

8、浪消能能力产生不同。本实验考虑了挡板在前、在后和在中间的3种不同型式，如图2所示。面板长0.5m,宽0.2m,厚0.03m；挡板长0.5m,宽0.02m,高0.04mo实验水深0.35m,选择规则波作为入射波。相关实验参数见表1。本实验采用6个浪高仪（采样频率为50Hz,采集误差为0.4%）、2个超声波水位计（测量精度为0.1mm,采集频率为20Hz）和1台地形测量仪（测量精度为1mm）进行测量。在实验开始之前,对各类仪器进行测试和检查，保证实验中造波机和地形仪等仪器的重复性和稳定性良好。实验开始前，先筛取实验需要使用的无粘性沙，对所需的仪器进行准备测量、校准和率定。将所有仪器布置在对应的位置

9、，并清洗波浪水槽。同时，制作防波堤模型。将模型沙混合均匀，铺设在实验水槽中。之后向水槽进水，当水位达到相应位置时，开始进行地形测量，再将水位缓慢降低到实验所需水位，当水面平静后，开始造波。造波总时长为30min。由预备实验可知，各组实验波浪作用时长均确保岸滩剖面达到平衡状态。当图2防波堤模型示意（单位：m）Fig.2Experimentalmodels（unit：m）表1研究工况Table1Researchcases组次防波堤的型式挡板位置防波堤位置x/m平均入射波高H/cm入射波平均周期T/s1无防波堤1.8-2.06.091.02无防波堤1.82.09.141.03无防波堤1.8-2.01

10、2.041.04防波堤模型1在前1.8-2.06.191.05防波堤模型1在前1.82.08.921.06防波堤模型1在前1.82.012.011.07防波堤模型2在后1.82.06.041.08防波堤模型2在后1.82.09.171.09防波堤模型2在后1.82.012.201.010防波堤模型3在中间1.82.06.041.011防波堤模型3在中间1.82.09.131.012防波堤模型3在中间1.8-2.012.031.0波浪造波结束后，给水槽内缓慢进水，直到达到地形仪所需水位高度，等待水面平静以后，开始进行地形测量。地形仪数据采集完毕后，开始放水。每完成一组实验，都要把整个斜坡的沙子全

11、部翻动，以确保下一工况进行时斜坡上泥沙已经混合均匀。接着，重复以上步骤，直至实验结束。2实验结果与分析2.1修建防波堤的影响防波堤修建前、后岸滩剖面变化的实验结果如图3所示。从图3中可以看出，设置防波堤后50r50(a)组次4X/cm505050514433221挡板式防波堤静水面J初始地形505005450她50300350200250有防波堤30min无防波堤30min(b)组次650rX/cmX/cm150200250300350400450500550X/cm(d)组次12(c)组次950r形形.地地后后.图3防波堤影响下岸滩剖面变化的实验结果Fig.3Experimentalresu

12、ltsonbeachprofilechangeundertheinfluenceofbafflebreakwater沙质岸滩剖面冲淤变化减小，静水面以上波浪对岸滩的影响消除，最大淤积高度和最大冲刷坑深度均明显减小，最大淤积点位置向近岸方向移动。从图3(b),(c),(d)中可以看出，不同型式的防波堤经过相同波高的波浪作用时，最大淤积高度和最大冲刷坑深度均随着挡板向向岸方向移动而减小，最大淤积点位置向向岸方向移动。同时，在挡板式防波堤的挡板前、后出现泥沙淤积。2.2挡板位置的影响分析同一模型不同入射波高情况下冲淤相对高度变化的结果分别如图4(a)(c)所示，其中：相对高度变化由规则波作用30mi

13、n后的地形值减去初始地形值得到。在防波堤下方的岸滩，经过6cm和9cm规则波作用后，对岸滩影响由大到小的排列顺序依次为模型2、模型1及模型3；经过12cm规则波作用后，对岸滩影响由大到小的排列顺序依次为模型3、模型2及模型1。在防波堤后方的岸滩经规则波作用后，对岸滩影响由大到小的排列顺序依次为模型1、模型2及模型3。当波浪遇到防波堤时，出现破波现象，水体出现紊乱，向防波堤两侧散开，能反射部分入射波能量，使在防波堤前侧水面出现紊动和漩涡，流速下降，部分水流携带的泥沙淤积在防波堤挡板前，使其前侧出现大量泥沙淤积。同时，防波堤对消除反射波能量有一定作用，泥沙因水流流速下降而淤积在防波堤挡板后侧。综上

14、所述，对岸滩影响较小，且变化相对稳定的是模型2。2.3波高的影响分析不同模型在相同入射波高情况下相对高度变化结果分别如图4(d)(f)所示。从图4中可以看出，模型1和模型2在挡板前、后会出现“一峰突起”的情况，模型1的淤积处在挡板前，模型2的淤积处在挡板后；而模型3在挡板前、后会出现“两峰并立”的地形，且2个淤积处分别位于防波堤挡板的前、后两侧。模型1和模型2的挡板前、后淤积高度均大于模型3的。设有挡板式防波堤的岸滩，规则波对岸滩的影响随波高的增加而增加。设有模型1或模型2的岸滩，规则波对岸滩的影响与波高呈现正相关性。设有模型3的岸滩，规则波对岸滩的影响随波高的增加而减小。当波浪传播至挡板式防

15、波堤处，波浪破碎为卷破波，波峰卷曲呈舌状向下、向后翻滚入水。这X/cmX/cm5<«俺共英«悝斐¥X/cm6420-2-4-6-挡板式防波堤初始床面6cm波高9cm波高12cm波高I250300350400450500550X/cm(e)模型21502006420-2-4-6rv."'nA初始床面-挡板式防波堤6cm波高9cm波高12cm波高I1I150200250300350400450500550X/cm图4岸滩冲刷影响因素分析图4岸滩冲刷影响因素分析Fig.4Influencefactoranalysisonbeachprofilec

16、hange(f)模型3一过程给水体的冲击力较大，使水体出现紊动，产生旋转和气泡。水体的能量大量耗散，水流挟沙的能力降低，产生淤积。水流在向向岸区域传播时，传播速度迅速下降，水流携带的泥沙因为流速下降而沉降，使静水面以上区域发生了少量淤积,同时水跃引起对岸滩的淘刷，在接近静水面区域形成宽浅型冲刷坑。同时实验发现，由于冲刷程度和过堤后波浪对水体的影响深度有关，因此波浪对岸滩的破坏作用起伏波动。3结论对挡板式防波堤影响下沙质岸滩剖面冲淤变化进行了实验研究，得到的结论为：1) 由于防波堤存在对波浪的阻碍作用，相较于无防波堤布置时，使最大淤积点位置朝向岸方向移动。岸滩在设有防波堤的情况下，能有效减小波浪

17、对岸滩的破坏，保证岸滩的稳定性。2) 设有防波堤时所产生的最大淤积点均比无防波堤时产生的淤积点低。因此，防波堤对保护岸滩能起到良好作用。3) 由于冲刷程度和过堤后波浪对水体的影响深度有关，因此波浪对岸滩的破坏作用起伏波动。挡板在后侧的防波堤对岸滩的影响较小。综上所述，挡板在后侧的防波堤对岸滩防护的效果相对最好。参考文献(References):1 NeelamaniS»RajendramR.WaveinteractionwithtypebreakwatersJ.TheOceanEngineering,200229：561-589.2 NeelamaniS,RajendramR.Wav

18、einteractionwith_L-typebreakwatersCJ.TheOceanEngineering2002,29：151-175.3 NeelamaniS,GayathriT.WaveinteractiontwinplatewavebarrierJ.TheOceanEngineering,2006133；495-516.4 KounoT>NakamuraT.Jacket-typebreakwaterswithwaterchambersindeepseaR.Osaka,Japan：TheInternationalSocietyofOffshoreandPolarEnginee

19、r,2009.5 CheongP.ReflectionandtransmissioncharacteristicsofregularandrandomwavesfromasubmergedhorizontalplateJ.CoastalEngineering.1989113：161182.6 NeelamaniR.WavetransmissionandreflectioncharacteristicsofpartiallyimmersedrigidverticalbarrierEJl.TheOceanEngineerings1992,19(3)：313325.7 王科.潜式水平板型防波堤消浪效

20、果研究D.大连：大连理工大学*2001.(WANGKe.StudyonthewavedissipationundertheeffectofsubmergedhorizontalplatebreakwaterD.Dalian：DalianUniversityofTechnology,2001.(inChinese)王国玉，刘丹，任冰，等.多层水平板衰减波浪的影响因素分析J.水利水电科技进展，2011,31(1)：3336.(WANGGuo-yutLIUDan»RENBin,etal.Influencefactorsanalysisofattenuatedwaveofmultilayer

21、horizontalplateJ.AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResources9201131(1)：33一36.<inChinese)黄璐.T型透空式防波堤消波性能分析D.大连：大连理工大学，2013.(HUANGLu.TheanalysisofwavescattingperformanceofT-typebreakwaterD.Dalian：DalianUniversityofTechnology,2013.(inChinese)8 王国玉.特种防波堤结构形式及水动力特性研究EDI大连：大连理工大学，2005.(WANGGuo-yu.In

22、vestigationonthestructuretypeandperformanceofthespecialbreakwaterQD.Dalian：DalianUnver-sityofTechnology,2005.(inChinese)Ell何军，蒋昌波，王珍，等.T型防波堤水平板波浪冲击压强试验研究J.水道港口.2009,30(5)：305310.(HEJun,JIANGChang-bo,WANGZhen,etal.ExperimentalstudyonimpactpressureofwavesonahorizontalplateofT-typebreakwaterJ.Journalof

23、WaterwayandHarbor2009,30(5)：305310.(inChinese)12 何军，蒋昌波，李冬，等.T型防波堤与波浪相互作用数值研究J.海洋工程,2010.28(1)：5057.(HEJun,JIANGChang-bo,LIDong,etal.NumericalstudyonT-typebreakwatersinteractionwithwaveJ.TheOceanEngineering,2010,28(1)：5057.(inChinese)ZankeUCE,HsuT,RolandA.Equilibriumscourdepthsaroundpilesinnoncohesi

24、vesedimentsundercurrentsandwatersTJ1.CoastalEngineeringt2011»58：986-991.13 DebuathK,ChaudhuriS.Effectofsuspendedsedimentconcentrationonlocalscouraroundcylinderforclay-sandmixedsedimentbedsJTEngineeringGeology,2011,117：236245.14 YoungDM,TestikFY.OnshorescourcharacteristicsaroundsubmergedverticalandsemicircularbreakwatersLJCoastalEngineering,2009,56:868-875.口6陈杰，肖桂振，蒋昌波，等.潜堤对海啸波作用下岸滩剖而变化影响试验J.长沙理工大学学报：自然科学版，2014,11(3)：5864.(CHENJie,XIAOGui-zhen,JIANGChang-bo,etal.Experimentalstu