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长沙理工大学波浪与防波堤实验 指导书(本部)


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 ( 1支 撑 桩 , 2- 下 横 梁 , 3- 预 制 板 , 4 - 上 横 梁 )

1

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:

Kt ? Ht Hi 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:

(1)

Kr ? H r Hi 式 中 : Hi 为 堤 前 入 射 波 高 , Hr 为 反 射 波 高 。

(2)

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 xm
2

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 ?x1?2 ,2# 和 3# 浪 高 仪 的 间 距 为

?x2?3 ; 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 x4 处 , 4#
和 5# 浪 高 仪 的 间 距 为 ?x4?5 。

1#

2#

3# B

4#

5#

造 波 机

S d L

?x1? 2 ?x2?3
xm

x3

x4

?x4?5

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
3

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 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) 模型 原型

波 周 期 (s)

波 长 (m)

4

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 、 ?x1?2 、 ?x2?3 、 x3 、 x4 、 x4?5 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 、 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, 将其换算为原型参数)

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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 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) : 4-6 2) 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 位 论 文 , 2006 3) 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
6

论 文 , 2005 4) 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

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