長沙理工大學(xué)波浪與防波堤試驗指導(dǎo)書本部

1、波浪與防波堤相互作用實驗實驗?zāi)康姆啦ǖ淌歉劭谒そㄖ锏闹匾M成局部,能夠有效的防御波浪的港區(qū)的 侵襲,在港工建筑物逐步進入深水區(qū)域時,傳統(tǒng)意義上的防波堤因其造價較高、 技術(shù)復(fù)雜、施工困難等已不能適應(yīng)深水港開展的要求,且傳統(tǒng)意義上的防波堤 在水體交換、環(huán)境保護等方面有所欠缺,港口工程結(jié)構(gòu)型式正逐步向透空式結(jié) 構(gòu)、消能式結(jié)構(gòu)及多功能型結(jié)構(gòu)方向開展.但是現(xiàn)有的透空式防波堤結(jié)構(gòu)相對 復(fù)雜,造價較高,且消浪效果不佳.而且外海施工條件惡劣,迫切需要一種施 工簡單,施工周期短,安裝、拆卸方便,且消浪效果好的新型防波堤結(jié)構(gòu).圖1新型透空式雙層板型防波堤1- 支撐樁,2-下橫梁,3-預(yù)制板,4-上橫梁本實驗針

2、對一種新型透空式雙層板型防波堤(見圖1)的消波性能進行研 究.該防波堤施工本錢低廉,利用預(yù)制的小型鋼筋混凝土構(gòu)件,在海上現(xiàn)場裝 配成相互鎖扣的框架,因而施工方便、平安,海上施工工期縮短,適用于軟土 地基,并且能實現(xiàn)內(nèi)港與外港之間海水的循環(huán).本實驗的目的是,根據(jù)不同的 波浪參數(shù),得出防波堤的相對波高、相對水深及相對預(yù)制板間隙與透射系數(shù)的 關(guān)系,驗證此種型式的防波堤有效性和平安性,為在實際工程中的使用提供參 考.實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容主要是對防波堤的透射系數(shù)和反射系數(shù)進行分析.透射系數(shù)是指透射波與入射波的波高比值：Kt M H(1)式中：Hi為堤前入射波高,Ht為堤后透射波高.反射系數(shù)是值反射波與入射波

3、的波高比值：Kr =Hr Hi(2)式中：Hi為堤前入射波高,Hr為反射波高.三、實驗裝置及儀器設(shè)備(1)造波系統(tǒng)及水槽(金盆嶺校區(qū)港航中央港工廳)波 浪水槽長X寬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 ,模型布置在水槽中央位置.造波機后側(cè)設(shè)有直立式消能網(wǎng),水槽的另 一端設(shè)有消能坡,以消除波浪反射影響.(2)防波堤模型根據(jù)?波浪模型試驗規(guī)程?JTJ/J234-2001 ,依重力相似準那么設(shè)計正態(tài)模型, 根據(jù)試驗室內(nèi)波浪槽尺度及防波堤尺寸、水深、波浪要素和試驗儀器測量精度, 本模型采用幾何比尺為1:10.模型高度0.4m,順水流方向長度B=1

4、m ,寬與水 槽寬度相同為0.5m ,模型上下板間距 S=0.1m ,單個預(yù)制板：長X寬X厚=0.5 X 0.05 X 0.01m ,預(yù)制板之間的間隙可調(diào),調(diào)動范圍為0.010.03m ,由上下板及 前后板組成的消浪室,其上下位置可變動.(3)浪高儀布置為防止模型處受到造波機二次反射波浪影響,模型放置在距離造波板xm處,模型順水流方向的寬度B為1m ,板間距S可調(diào).共布置1#-5#共5個浪高 儀,浪高儀布置如圖2所示.1#、2#和3#浪高儀布置在模型迎浪側(cè),其中3# 浪高儀位于模型前X3處,1#和2#浪高儀的間距為, 2#和3#浪高儀的間距為 2工；4#和5#浪高儀布置在模型的后面,其中4#浪

5、高儀位于模型后4處,4# 和5#浪高儀的間距為Ax4H.圖2實驗布置圖四、實驗方案4.1 試驗波浪參數(shù)實驗采用規(guī)那么波進行,首先調(diào)節(jié)好防波堤上下板間距,往水槽放水,測出 預(yù)制板間隙、模型入水深度,模型水面以上高度,以保證模型頂面極少產(chǎn)生越 浪.模型安裝完畢后,使用造波機造波,記錄好試驗波浪參數(shù),選取新的造波 參數(shù)(波高H、波周期T),重新開始實驗,至少進行5組試驗,見表1.表1試驗參數(shù)驗次 試組水深d ( m)波高H ( m)波周期T (s)預(yù)制板間隙 j ( m)上下板間距S ( m)模型入水深度 q ( m)12345如果時間允許,可改變水深或上下板間距進一步開展實驗.實驗完畢后, 對模型

6、參數(shù)及試驗波況參數(shù)根據(jù)比尺關(guān)系進行換算,將其換算為原型參數(shù),見 表2.表2原型與模型對照表參數(shù)模型原型寬度(m)高度(m)預(yù)制板間隙(m)上下板間距(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)波長(m)4.2 實驗數(shù)據(jù)分析方法試驗中通過5個浪高儀分別同步記錄了堤前及堤后的波面過程數(shù)據(jù).對模型前 的1#、2#和3#測點的波面數(shù)據(jù),選取其中不同的兩點,應(yīng)用Goda的兩點法見 附錄,別離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,并計算透射系數(shù)和反射系數(shù)；對模型后的3#與4#測點的波面數(shù) 據(jù),同樣應(yīng)用兩點法,別離出模型后的透射波高,以消除水槽尾端

7、消能網(wǎng)的反 射影響,從而可更為準確地確定模型的反射系數(shù)和透射系數(shù).要求同學(xué)們根據(jù) 附件Goda兩點法計算波浪反射系數(shù)的原理,計算出反射系數(shù)和透射系數(shù). 根據(jù)波浪參數(shù),分析透射系數(shù)、堤前反射系數(shù)隨相對板寬、相對板間距、相對 水深和波陡等參數(shù)變化的關(guān)系.4.3 實驗步驟1確定浪高儀測點位置,測出xm、%/、Ax2J3、x3、x4、x4等坐標值；2測定防波堤上下板間距,往水槽放水,測出水深、模型入水深度、模型水 面以上高度；3啟動造波機程序,開始造波；4啟動數(shù)據(jù)采集軟件,通過各浪高儀記錄下各測點波面數(shù)據(jù),用照相機記錄 下實驗現(xiàn)象；5 Goda兩點法FORTRAN 程序計算反射系數(shù)、透射系數(shù),繪制相關(guān)

8、曲線；6撰寫實驗報告.五、實驗報告實驗報告應(yīng)該包括如下幾局部：1實驗?zāi)康暮鸵饬x2實驗概述包括實驗地點,實驗設(shè)備,實驗儀器,實驗布置描述包括造波 機位置、消浪設(shè)施、浪高儀布置等,繪制出實驗布置圖,給出浪高儀坐標 位置表3實驗內(nèi)容和步驟具體的實驗步驟,每個步驟測量過程和內(nèi)容描述4實驗現(xiàn)象描述波浪在防波堤前、防波堤中、防波堤后的現(xiàn)象描述5實驗數(shù)據(jù)分析計算透、反射系數(shù),并分析透射系數(shù)和反射系數(shù)隨相對板 寬B/L、相對板間距S/L、相對水深d/L和波陡H/L等參數(shù)變化的關(guān)系,繪 制相關(guān)的關(guān)系曲線；并將模型參數(shù)及試驗波況參數(shù)根據(jù)比尺關(guān)系進行換算, 將其換算為原型參數(shù)表3透射系數(shù)、反射系數(shù)計算波高m周期s波

9、長m波陡相對水深相對板寬相對板間 距透射系 數(shù)6實驗結(jié)論實驗總結(jié),主要的實驗結(jié)論7實驗收獲與體會實驗圖表應(yīng)該標準.繪圖要有圖號、圖名.圖內(nèi)應(yīng)標明設(shè)備的名稱、浪高 儀的距離等詳細信息.坐標軸應(yīng)有名稱和單位.表格應(yīng)有表號和表名,不要忘 記寫單位.公式應(yīng)該分別編號.六、實驗要求1各小組根據(jù)本實驗指導(dǎo)書自行設(shè)計方案設(shè)計表1表3,于實驗當天上 交.2實驗前先預(yù)習(xí),實驗前每人登錄網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提交預(yù)習(xí)報告,無預(yù)習(xí)報告 的實驗成績?yōu)榱?實驗前抽查實驗預(yù)習(xí)效果；實驗時每人帶上一份實驗指 導(dǎo)書；實驗預(yù)習(xí)報告的組成：1 談?wù)勀闼私獾姆啦ǖ蹋?2查閱文獻答復(fù)下列問題1和問題2.問題1 :查閱相關(guān)資料簡述傳統(tǒng)型式防波

10、堤和新型透空式防波堤的優(yōu)缺點？問題2:查閱相關(guān)資料,選擇一種防波堤解釋其消浪機理？3實驗時每組帶一個照相機和一個U盤；4實驗報告必須要有實驗照片,報告中無照片或用其他組實驗照片的,實驗 成績不及格；5實驗完成后,原始數(shù)據(jù)必須要有指導(dǎo)老師的簽字,否那么實驗成績?yōu)榱?6本實驗指導(dǎo)書只作為參考,實驗報告以實際做實驗的情況來寫.附主要參考文獻：1殷偉,盧學(xué)軍,儲標,劉映輝,呼萸俊.多個波高儀實現(xiàn)兩點法別離合成波 浪.港工技術(shù),20074 : 4-62唐琰林.雙層水平板型透空式防波堤消波性能研究.大連理工大學(xué)碩士學(xué) 位論文,20063王國玉.特種防波堤結(jié)構(gòu)型式及水動力特性研究.大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文,

11、20054何軍.特種板式防波堤消浪及波壓力特性研究.長沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論 文,2021.附Goda兩點法計算波浪反射系數(shù)設(shè)水槽中任一點的波浪均由入射波系后和反射波系必勝加而成,它們可以分別表 示成：M/ 巷.=E % 8S&X - 2 町口 + %A.1M,%S" =8S&H + 2M +A?由兩個浪高儀同步測得的波形分別為如圖A.1所示：A3%,= M/+A.42#浪高儀圖A1兩點法示意圖 Fig A. 1 Skecth of two-point method另一方面,波形可展開成傅立葉級數(shù)：M/ “)=8s 24J 十片加 sin 27rA f)(A.5)m=1

12、"«) = £( w3lnfj + B2m sin 2/,/)(A£)將(A1)及(A.2)帶入(A.3)及(A.4),并與(A.5)和(A.6)聯(lián)立,可解得入射波和反射波中 各組成波的振幅：初二麗岔出-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 kmM)式(A.7)中的4附,片小4附和4附是傅立葉系數(shù).當?shù)葧r距采樣時,式(A.7)中的傅立葉系數(shù)可表示為:2 X ( i

13、、 小請心小小加/")(A.8)此處,N, T分別為樣本數(shù)和采樣總時間；加=0,1,2,(=日)：各組成波的頻 率為fm = m/T；幻=2"/%為各組成波的波數(shù)；,為兩個浪高儀之間的距離.式(A.8) 可用快速傅立葉變換法(FFT)計算.在物理模型試驗中,可測得一定位置處的波形/ (/)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組成波的振幅叼(小)和 %(吩,進而可求得結(jié)構(gòu)物前波浪的反射系數(shù)：V2(A.9)科=用)/Z可'(加)_ jwT/ 刖=1儲代表波系全體的平均反射系數(shù),而入射波高和反射波高可由

14、K,和實測的合成 波高4 兩點的均值計算而得：(A.10)HlhJO+k*% =臬氏/(1 + £曠對于規(guī)那么波的情形,問題得到簡化,以上各式中的波浪頻率為定值,即M=h需要注意的是測量波面的兩點之間的距離&要正確的設(shè)計,即當A/h"/2 5 = 0 or 1»兩點法才可以使用.這是由于當&等于L/2或也E/2X1時,%和4 值發(fā)散.Goda建議在實際應(yīng)用中,可選取h在0至0.9之間,這意味著兩點之間的 最小距禹根皿 為.05£曲,由此可以測量最大波長或最小頻率/皿,兩點之間的 最大距離&皿 等于045EM,由此可以測量最小波長A.或最大頻率/城.為此,對于規(guī)那么波上可變化于0.057.45的范圍內(nèi),浪高儀與模型的距離不宜小 于020-025對