长沙理工大学波浪与防波堤试验指导书本部

1、波浪与防波堤相互作用实验实验目的防波堤是港口水工建筑物的重要组成部分，能够有效的防御波浪的港区的 侵袭，在港工建筑物逐步进入深水区域时，传统意义上的防波堤因其造价较高、 技术复杂、施工困难等已不能适应深水港发展的要求，且传统意义上的防波堤 在水体交换、环境保护等方面有所欠缺，港口工程结构型式正逐步向透空式结 构、消能式结构及多功能型结构方向发展。但是现有的透空式防波堤结构相对 复杂，造价较高，且消浪效果不佳。而且外海施工条件恶劣，迫切需要一种施 工简单，施工周期短，安装、拆卸方便，且消浪效果好的新型防波堤结构。图1新型透空式双层板型防波堤（1- 支撑桩，2-下横梁，3-预制板，4-上横梁）本实

2、验针对一种新型透空式双层板型防波堤(见图1)的消波性能进行研 究。该防波堤施工成本低廉，利用预制的小型钢筋混凝土构件，在海上现场装 配成相互锁扣的框架，因而施工方便、安全，海上施工工期缩短，适用于软土 地基，并且能实现内港与外港之间海水的循环。本实验的目的是，根据不同的 波浪参数，得出防波堤的相对波高、相对水深及相对预制板间隙与透射系数的 关系，验证此种型式的防波堤有效性和安全性，为在实际工程中的使用提供参 考。实验内容实验内容主要是对防波堤的透射系数和反射系数进行分析。透射系数是指透射波与入射波的波高比值：Kt =Ht；Hi(1)式中：Hi为堤前入射波高，Ht为堤后透射波高。反射系数是值反射

3、波与入射波的波高比值：Kr =Hr Hi(2)式中：Hi为堤前入射波高，Hr为反射波高。三、实验装置及仪器设备(1)造波系统及水槽(金盆岭校区港航中心港工厅)波 浪水槽长X宽X高=45m x 0.5m 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。造波机后侧设有直立式消能网，水槽的另 一端设有消能坡，以消除波浪反射影响。(2)防波堤模型根据波浪模型试验规程JTJ/J234-2001 ,依重力相似准则设计正态模型， 根据试验室内波浪槽尺度及防波堤尺寸、水深、波浪要素和试验仪器测量精度， 本模型采用几何比尺为1:10。模型高度0.4m，顺水流方向长度B

4、=1m ,宽与水 槽宽度相同为0.5m ,模型上下板间距 S=0.1m ,单个预制板：长X宽X厚=0.5 X 0.05 X 0.01m ,预制板之间的间隙可调，调动范围为0.010.03m ,由上下板及 前后板组成的消浪室，其上下位置可变动。(3)浪高仪布置为避免模型处受到造波机二次反射波浪影响，模型放置在距离造波板xm处，模型顺水流方向的宽度B为1m ,板间距S可调。共布置1#-5#共5个浪高 仪，浪高仪布置如图2所示。1#、2#和3#浪高仪布置在模型迎浪侧，其中3# 浪高仪位于模型前X3处，1#和2#浪高仪的间距为, 2#和3#浪高仪的间距为 2工；4#和5#浪高仪布置在模型的后面，其中4

5、#浪高仪位于模型后4处，4# 和5#浪高仪的间距为Ax4H。图2实验布置图四、实验方案4.1 试验波浪参数实验采用规则波进行，首先调节好防波堤上下板间距，往水槽放水，测出 预制板间隙、模型入水深度，模型水面以上高度，以保证模型顶面极少产生越 浪。模型安装完毕后，使用造波机造波，记录好试验波浪参数，选取新的造波 参数(波高H、波周期T),重新开始实验，至少进行5组试验，见表1。表1试验参数验次 试组水深d ( m)波高H ( m)波周期T (s)预制板间隙 j ( m)上下板间距S ( m)模型入水深度 q ( m)12345如果时间允许，可改变水深或上下板间距进一步开展实验。实验完毕后， 对模

6、型参数及试验波况参数根据比尺关系进行换算，将其换算为原型参数，见 表2。表2原型与模型对照表参数模型原型宽度(m)高度(m)预制板间隙(m)上下板间距(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)波长(m)4.2 实验数据分析方法试验中通过5个浪高仪分别同步记录了堤前及堤后的波面过程数据。对模型前 的1#、2#和3#测点的波面数据，选取其中不同的两点，应用Goda的两点法（见 附录），分离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，并计算透射系数和反射系数；对模型后的3#与4#测点的波面数 据，同样应用两点法，分离出模型后的透射波高，以消除水

7、槽尾端消能网的反 射影响，从而可更为准确地确定模型的反射系数和透射系数。要求同学们根据 附件（Goda两点法计算波浪反射系数）的原理，计算出反射系数和透射系数。 根据波浪参数，分析透射系数、堤前反射系数随相对板宽、相对板间距、相对 水深和波陡等参数变化的关系。4.3 实验步骤1）确定浪高仪测点位置，测出xm、%/、Ax2J3、x3、x4、x4等坐标值；2）测定防波堤上下板间距，往水槽放水，测出水深、模型入水深度、模型水 面以上高度；3）启动造波机程序，开始造波；4）启动数据采集软件，通过各浪高仪记录下各测点波面数据，用照相机记录 下实验现象；5） Goda两点法FORTRAN 程序计算反射系数

8、、透射系数，绘制相关曲线；6）撰写实验报告。五、实验报告实验报告应该包括如下几部分：1）实验目的和意义2）实验概述（包括实验地点，实验设备，实验仪器，实验布置描述包括造波 机位置、消浪设施、浪高仪布置等，绘制出实验布置图，给出浪高仪坐标 位置表）3）实验内容和步骤（具体的实验步骤，每个步骤测量过程和内容描述）4）实验现象描述（波浪在防波堤前、防波堤中、防波堤后的现象描述）5）实验数据分析（计算透、反射系数，并分析透射系数和反射系数随相对板 宽B/L、相对板间距S/L、相对水深d/L和波陡H/L等参数变化的关系，绘 制相关的关系曲线；并将模型参数及试验波况参数根据比尺关系进行换算， 将其换算为原

9、型参数）表3透射系数、反射系数计算波高（m）周期（s）波长（m）波陡相对水深相对板宽相对板间 距透射系 数6）实验结论（实验总结，主要的实验结论）7）实验收获与体会实验图表应该规范。绘图要有图号、图名。图内应标明设备的名称、浪高 仪的距离等详细信息。坐标轴应有名称和单位。表格应有表号和表名，不要忘 记写单位。公式应该分别编号。六、实验要求1）各小组根据本实验指导书自行设计方案（设计表1表3）,于实验当天上 交。2）实验前先预习，实验前每人登录网络教学平台提交预习报告，无预习报告 的实验成绩为零，实验前抽查实验预习效果；实验时每人带上一份实验指 导书；实验预习报告的组成：1 ）谈谈你所了解的防波

10、堤？ 2）查阅文献回答问题1和问题2。问题1:查阅相关资料简述传统型式防波堤和新型透空式防波堤的优缺点？问题2:查阅相关资料，选择一种防波堤解释其消浪机理？3）实验时每组带一个照相机和一个U盘；4）实验报告必须要有实验照片，报告中无照片或用其他组实验照片的，实验 成绩不及格；5）实验完成后，原始数据必须要有指导老师的签字，否则实验成绩为零。6）本实验指导书只作为参考，实验报告以实际做实验的情况来写。附主要参考文献：1）殷伟，卢学军，储标，刘映辉，呼萸俊.多个波高仪实现两点法分离合成波 浪.港工技术，2007（4） : 4-62）唐琰林.双层水平板型透空式防波堤消波性能研究.大连理工大学硕士学

11、位论文，20063）王国玉.特种防波堤结构型式及水动力特性研究.大连理工大学博士学位论文,20054）何军.特种板式防波堤消浪及波压力特性研究.长沙理工大学硕士学位论 文,2009.附Goda两点法计算波浪反射系数设水槽中任一点的波浪均由入射波系后和反射波系必胜加而成，它们可以分别表 示成：M/ （巷。=E % 8S&X - 2 町口 + %）（A.1）M,%S"） =8S&H + 2M +（A?）由两个浪高仪同步测得的波形分别为（如图A.1所示）：（A3）%（，）= M（/）+（A.4）2#浪高仪图A1两点法示意图 Fig A. 1 Skecth of two-po

12、int method另一方面，波形可展开成傅立叶级数：M/ “)=8s 24J 十片加 sin 27rA f)(A.5)m=1"«) = £( w3lnfj + B2m sin 2/,/)(A£)将(A1)及(A.2)带入(A.3)及(A.4),并与(A.5)和(A.6)联立，可解得入射波和反射波中 各组成波的振幅：初二丽岔出-cos kmM - B® sin kmM)2 +(A.7)+sin - &, cos- A cosi ZV + Blmsini A/) +m l/nrnl 南JW /(匕-。sin k11ai- Blm cos

13、kmM)式(A.7)中的4附，片小4附和4附是傅立叶系数.当等时距采样时，式(A.7)中的傅立叶系数可表示为:2 X ( i 、 小请心小小加/")(A.8)此处，N, T分别为样本数和采样总时间；加=0,1,2,”(=日)：各组成波的频 率为fm = m/T；幻=2"/%为各组成波的波数；，为两个浪高仪之间的距离。式(A.8) 可用快速傅立叶变换法(FFT)计算.在物理模型试验中，可测得一定位置处的波形/ (/)和% «),由式(A.8)可算得 M 8】朋,4.和星小代入式(A.7)即可求得入射波和反射波各组成波的振幅叼(小)和 %(吩,进而可求得结构物前波浪的

14、反射系数：V2(A.9)科=用)/Z可'(加)_ jwT/ 刖=1储代表波系全体的平均反射系数，而入射波高和反射波高可由K,和实测的合成 波高4 （两点的均值）计算而得：(A.10)HlhJO+k*% =臬氏/(1 + £旷对于规则波的情形，问题得到简化，以上各式中的波浪频率为定值，即M=h需要注意的是测量波面的两点之间的距离&要正确的设计，即当A/h"/2 5 = 0 or 1）»两点法才可以使用.这是因为当&等于L/2或也（E/2X1）时，%和4 值发散。Goda建议在实际应用中，可选取h在0至0.9之间,这意味着两点之间的 最小距禹根皿 为。.05£曲，由此可以测量最大波长或最小频率/皿，两点之间的 最大距离&皿 等于045EM，由此可以测量最小波长A.或最大频率/城.为此，对于规则波上可变化于0.057）.45的范围内，浪高仪与模型的距离不宜小 于（020-0