船行波在斜坡護(hù)岸上爬高的試驗(yàn)研究

船行波在斜坡護(hù)岸上爬高的試驗(yàn)研究

1試驗(yàn)設(shè)備和研究方法1.1波浪水池水池試驗(yàn)與波浪水槽和波浪水池進(jìn)行。波浪水槽尺寸為1.8m×1.8m×62.0m(寬×高×長(zhǎng)),水槽工作段分隔成0.6和1.2m兩部分,模型斷面鋪設(shè)在0.6m寬的部分,另一部用以擴(kuò)散二次反射波能。水槽兩端均設(shè)斜坡式消波器,減少波浪反射的影響。水槽一端安裝從丹麥引進(jìn)的不規(guī)則造波機(jī),用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制,可產(chǎn)生模型試驗(yàn)所需的船行波波列。波浪水池尺寸為52.0m×17.5m×1.4m(長(zhǎng)×寬×深),模型布置在水池中間,模型和水池邊壁間留有一定空隙以擴(kuò)散二次反射波能。水池兩端分別設(shè)立斜坡式和直立式消波器,以減少波浪反射的影響。波浪一端安裝從美國引進(jìn)的MTS不規(guī)則造波機(jī)系統(tǒng),用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制,可產(chǎn)生模型試驗(yàn)所需的船行波波列。1.2船行波概化試驗(yàn)依據(jù)珠江三角洲典型航道現(xiàn)有堤岸及其護(hù)面情況調(diào)查,對(duì)護(hù)岸斷面進(jìn)行了概化,選擇單坡1∶1.5、1∶2、1∶3的斷面,并考慮有平臺(tái)的復(fù)坡斷面及波浪入射角β的影響。護(hù)岸的護(hù)面層分別用t=0.37、0.41和0.48m干砌塊石一層和50kg塊石拋填兩層,以作為試驗(yàn)研究的典型斷面,如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄到的快速雙體船船行波進(jìn)行分析,結(jié)合已有室內(nèi)船行波試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行概化,供本次模型試驗(yàn)研究時(shí)使用。圖2為概化后的船行波過程線實(shí)例。模型試驗(yàn)研究分別在波浪水槽和波浪水池內(nèi)進(jìn)行。在波浪水槽中分別進(jìn)行了不同坡度的單坡拋石護(hù)岸和砌石護(hù)岸試驗(yàn),考慮了有平臺(tái)的復(fù)坡護(hù)岸,測(cè)取了船行波的爬高;在波浪水池中主要進(jìn)行了船行波不同入射角對(duì)爬高的影響。2模擬船運(yùn)輸波2.1船行波和風(fēng)力波場(chǎng)的傳播方向引導(dǎo)下一種波波系的基船行波是船舶在水體中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的波浪。風(fēng)浪則是由作用在水體上的風(fēng)而形成的波浪。它們之間的異同如下:1)無論船行波或風(fēng)浪都屬于重力波。在進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究時(shí),都遵循重力相似定律。2)兩者形成的原因不同。船行波是由于船首不斷排擠水體,使該處水面局部升起而形成船首波;船體移動(dòng)留出的空間,則使該處水面下降,從而形成船尾波系。風(fēng)浪則由于風(fēng)吹在水面上,給水體能量而形成,隨風(fēng)力的增大,風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)的增加,使風(fēng)浪尺度增大。但當(dāng)風(fēng)浪成長(zhǎng)到一定時(shí)候,其尺度不再增加。3)船行波和風(fēng)浪在向岸邊傳播過程中都遵循一定的規(guī)律,但它們傳播過程中的衰減規(guī)律不同。一般來說船行波沿程衰減,離船舶愈遠(yuǎn)船行波愈小,但沿程衰減程度不盡相同,開始時(shí)衰減較快,并具有冪數(shù)衰減規(guī)律。另外,船行波沿程的衰減程度與船舶相對(duì)航速成反比。而風(fēng)浪由深水向岸邊淺水區(qū)的傳播過程中的變形主要與水下地形引起的折射、底部摩擦、淺水變形以及諸如島嶼、半島、岬角等引起的繞射有關(guān)。有時(shí)甚至可能引起波能集中,而增大風(fēng)浪尺度。4)船行波和風(fēng)浪的傳播方向不同。船舶航行產(chǎn)生的散波波峰中心連線與船舶航線間的夾角理論解為19°82′,它與航速無關(guān),而與船體線型有關(guān)。文獻(xiàn)指出其試驗(yàn)船模實(shí)測(cè)值約為18°。散波大小與方向同船型、航速等均有關(guān)系,當(dāng)它脫離船體后即形成一系列的后續(xù)散波波系,其移動(dòng)方向總是垂直于散波波峰線,以一定的波速向兩側(cè)岸邊傳播。而橫波波峰線與岸線方向垂直,其波高比散波波系小得多。但與散波疊加后,在歧點(diǎn)處的合成波高將有所增加。因而,對(duì)堤岸而言,應(yīng)考慮上述二波系的合成作用。而風(fēng)浪的傳播方向,一般與風(fēng)向一致,但傳播過程中受水下地形折射和島嶼、建筑物的繞射影響。5)船行波和風(fēng)浪對(duì)岸坡作用有差異,有時(shí)則非常相似。文獻(xiàn)通過物理模型試驗(yàn)和原體測(cè)量得出了一個(gè)重要結(jié)論,即除了船行波和風(fēng)浪本身形成的原因以外,兩者對(duì)岸堤的作用是非常相似的。2.2船行波對(duì)堤岸的作用對(duì)船行波的理論研究是探索船行波波動(dòng)機(jī)理的重要途徑之一。但是由于理論研究是對(duì)問題加以概化和預(yù)先給出一些假定的情況下進(jìn)行的。因此有時(shí)會(huì)得出一些與實(shí)際情況不相符合的結(jié)論,難以直接解決工程中實(shí)際問題;而利用流體力學(xué)及微幅波理論求得的某些單型體的理論解答,對(duì)解決實(shí)際工程問題仍有不少差距。至于藉助現(xiàn)場(chǎng)觀察或?qū)嵈囼?yàn)來探求設(shè)計(jì)護(hù)坡所需的數(shù)據(jù),其系統(tǒng)性和完整性往往不足。為彌補(bǔ)上述不足,船行波及其對(duì)岸坡作用的研究逐漸轉(zhuǎn)向室內(nèi)模型試驗(yàn)。室內(nèi)模型試驗(yàn)當(dāng)研究船行波本身的機(jī)理、船行波傳播規(guī)律等問題時(shí),往往通過拖曳船舶模型或自航舶模型產(chǎn)生所需的模型船行波。至于當(dāng)研究船行波對(duì)岸坡作用時(shí),船行波用何種方法模擬,則應(yīng)根據(jù)具體情況而定。除了上述方法外,也有用機(jī)械造波機(jī)產(chǎn)生波浪模擬模型船行波的。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知,船舶在較窄的航道和人工運(yùn)河中航行時(shí),由于船首的排水作用,水面發(fā)生壅高,當(dāng)船舶通過后,兩側(cè)水體迅速回補(bǔ)船體排水,引起水面大幅度下降,并產(chǎn)生較大的回流速度,船行波在岸坡上發(fā)生激烈破碎,有可能致使岸堤毀損。此時(shí),船行波及船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的回流對(duì)岸坡綜合作用產(chǎn)生的破壞機(jī)理與風(fēng)浪對(duì)岸坡的作用差別較大。因此,模擬這種情況下的船行波對(duì)堤岸的作用,應(yīng)該用拖曳模型船舶或自航模型船舶來模擬模行船行波。文獻(xiàn)曾在長(zhǎng)110m、寬6.0m的拖曳船水池中進(jìn)行了運(yùn)河中船行波的研究。當(dāng)水面寬闊(航道很寬或海岸處),船舶吃水又淺,船舶斷面占水體斷面比例很小,船舶航行引起水升降不大時(shí),船舶產(chǎn)生的船行波對(duì)堤岸的作用與風(fēng)浪對(duì)岸坡作用非常相似,它們都遵循重力相似定律。此種情況下,研究船行波對(duì)護(hù)岸建筑物的作用時(shí),可采用機(jī)械造波機(jī)產(chǎn)生的波浪來模擬模型船行波。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和已有的模型試驗(yàn)記錄到的堤岸坡腳處的實(shí)測(cè)船形波過程線來看,一組船行波大約有20個(gè)較明顯的連續(xù)波(衰減至最大波高的1/5)。因此,從安全和簡(jiǎn)單的角度出發(fā),認(rèn)為可以用機(jī)械造波機(jī)產(chǎn)生規(guī)則波系來模擬船行波,進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。根據(jù)珠江三角洲內(nèi)河航道快速客船船行波現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和室內(nèi)船模試驗(yàn)結(jié)果,由于高速客船船速快,吃水小,過水?dāng)嗝嫦禂?shù)C小,離岸距離相對(duì)較大,岸邊水面無明顯降水過程,回流速度也很小,因此,可采用不規(guī)則波造波機(jī)模擬船行波對(duì)護(hù)岸的作用過程。為了減小模型比尺效應(yīng),模型盡量制作得大,模型長(zhǎng)度比尺取1∶10。進(jìn)行這樣處理的模型試驗(yàn)結(jié)果,比以往的船行波對(duì)岸坡作用的模型試驗(yàn)結(jié)果精度更高,更加接近實(shí)際情況。船行波實(shí)測(cè)過程線與模型模擬過程線如圖2所示。由圖可以看出,生波機(jī)可以較好地模擬船行波的波動(dòng)過程。3重力作用下的算法每個(gè)船行波傳至斜坡式護(hù)岸時(shí),部分能量被反射,部分能量至使水體沿坡面上爬。在波浪水體上爬的過程中不斷消耗能量,最終爬至最高點(diǎn)后在重力作用下,水體回落;在緊接的下一個(gè)船行波作用下又開始上爬,如此反復(fù)。這里定義的波浪爬高R,是指每個(gè)船行波在坡面上爬的最高點(diǎn)至靜水位間的垂直距離。波浪爬高R值是確定護(hù)岸堤頂高程的重要依據(jù),它主要與波要素大小、護(hù)岸斜坡坡度、有無平臺(tái)護(hù)岸護(hù)面層及墊層等因素有關(guān)。3.1影響船舶運(yùn)行波元素的影響在同樣試驗(yàn)條件下,隨著船行波波高的增加,相應(yīng)地爬高也增大。由表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到,船行波波浪爬高與船行波波高具有較好的線性關(guān)系。3.2小護(hù)岸護(hù)面板試驗(yàn)用拋填50kg塊石二層和干砌塊一層(厚度t=0.37m,約相當(dāng)于50kg左右,塊石護(hù)面層坡度1∶1.5)的兩組小護(hù)岸護(hù)面層試驗(yàn),結(jié)果如表1和表2所示,并把該兩表數(shù)據(jù)繪成圖3。從上述圖表可以看出,在同樣的船行波作用下,拋石護(hù)面時(shí)的最大爬高Rmax要比干砌時(shí)小。這是由于拋石護(hù)面的孔隙率和糙率相對(duì)較大的原因,波浪在上爬過程中,護(hù)面層孔隙率和糙率越大,消耗的能量也越大,波浪爬高就相對(duì)越小。3.3干斑塊石的確定比較在相同試驗(yàn)條件下不同干砌塊石厚度t對(duì)爬高的影響,并把試驗(yàn)結(jié)果繪于圖4。可見在相同試驗(yàn)條件下,干砌塊石一層t=0.37m時(shí),爬高Rmax值最大;t=0.42m次之;t=0.48m時(shí)最小。這主要也是由于護(hù)面層孔隙率和糙率的變化引起的。3.4相同條件下,dm優(yōu)勢(shì)比較在相同試驗(yàn)下不同護(hù)岸坡比對(duì)爬高的影響,并將試驗(yàn)結(jié)果繪于圖5。由上述圖表可見,隨著m的增加,在相同條件下,Rmax減小。m=2.0和m=1.5時(shí)的爬高是很接近的。一般認(rèn)為m=1.5～2附近的爬高是最大的。有關(guān)護(hù)岸坡比對(duì)波浪爬高的影響,許多學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究,因而本次試驗(yàn)未做詳細(xì)研究。3.5船行波最大確定參數(shù)在d=6.0m、m=2、干砌一層(t=0.42m)護(hù)面的條件下,進(jìn)行了β=0°、18°、36°、60°的試驗(yàn)研究,β的不同影響最大波浪爬高Rmax值。將試驗(yàn)結(jié)果繪于圖6。從圖6可知,隨著β值的增加,在相同試驗(yàn)條件下的船行波最大爬高Rmax隨之減少。其中,β=0°、β=18°和β=36°結(jié)果相差不大;β=60°時(shí)與上述三種情況相差較大。將試驗(yàn)中波浪入射角β對(duì)波浪爬高的影響繪于圖7,圖7中的橫坐標(biāo)為波浪入射角β,縱坐標(biāo)Kβ=(Rmax)β(Rmax)0Κβ=(Rmax)β(Rmax)0。這里(Rmax)β為波浪入射角β時(shí)的最大爬高;(Rmax)0為正向波作用下(即β=0)的最大爬高。在圖7中用Kβ=(cosβ)0.5的曲線來擬合試驗(yàn)點(diǎn)據(jù),從圖中可見它們吻合得很好。3.6平臺(tái)和平臺(tái)之間波浪檢高比較試驗(yàn)還研究了護(hù)岸塊石干砌一層(t=0.42m,d=7.5m,m=2)無平臺(tái),以及m=2、在靜水位7.5m處設(shè)置平臺(tái)的情況,平臺(tái)寬分別為1和2m。試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)合已有研究成果分析表明,在相同試驗(yàn)條件下,設(shè)有平臺(tái)的復(fù)坡波浪爬高比單坡小,平臺(tái)寬度和位置對(duì)波浪爬高有較大影響。平臺(tái)寬度越大,對(duì)波浪爬高的影響也越大;當(dāng)平臺(tái)位于靜水位上下一倍波高的范圍內(nèi),波浪作用在堤坡上,受平臺(tái)的影響較大,加劇了波浪的破碎,水體的劇烈紊動(dòng)損耗大量能量,波浪爬高顯著減小,最大可減小40%左右;當(dāng)平臺(tái)位于靜水位上下二倍波高以外的范圍內(nèi),平臺(tái)對(duì)波浪爬高基本沒有影響。3.7u3000護(hù)面材料的植物最大確定根據(jù)以上分析,影響船行波爬高的主要參數(shù)是波高H、斜坡度m、船行波入射角β及護(hù)面結(jié)構(gòu)的糙滲系數(shù)等。由于船行波的波高、周期變化范圍較小,對(duì)船行波爬高的影響不大,因此船行波最大爬高公式可以表達(dá)為:Rmax=α?KΔ?Km?Kβ?Hmax(1)Rmax=α?ΚΔ?Κm?Κβ?Ηmax(1)式中:Rmax為船行波產(chǎn)生的最大爬高(m);KΔ為糙率修正系數(shù);Km為與坡比m有關(guān)的系數(shù);Kβ為與船行波入射角β有關(guān)的系數(shù);Hmax為船行波系中最大波高(m);α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)資料擬合,由式(1)可得船行波最大爬高計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)式:(Rmax)β=2.1?KΔ?1m√?(cosβ)0.5?Hmax(2)(Rmax)β=2.1?ΚΔ?1m?(cosβ)0.5?Ηmax(2)不同護(hù)面材料的糙率修正系數(shù)KΔ可根據(jù)表4確定。圖8為試驗(yàn)值與經(jīng)