长沙理工大学波浪与防波堤实验指导书(本部).doc

波浪与防波堤相互作用实验 一、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 支撑桩，2-下横梁，3-预制板，4-上横梁） 本实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。 二、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： 式中：Hi为堤前入射波高，Ht为堤后透射波高。 反射系数是值反射波与入射波的波高比值： 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×宽×高=45m×0.5m×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=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×宽×厚=0.5×0.05×0.01m，预制板之间的间隙可调，调动范围为0.01~0.03m，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#浪高仪位于模型前处，1#和2#浪高仪的间距为，2#和3#浪高仪的间距为；4#和5#浪高仪布置在模型的后面，其中4#浪高仪位于模型后处，4#和5#浪高仪的间距为。 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 试验组次 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） 1 2 3 4 5 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