为适应国际贸易需求和运输船舶向大型化发展的趋势,港口建设逐步进入水深浪大的深水开敞海域,传统的水工结构因造价高昂、技术复杂、施工困难等已不能适应深水港发展的需要,深水防波堤结构型式正在向透空式结构,消能式结构及多功能型结构等新型结构型式发展。为此研究消波效果好、适合深水及软弱地基,满足港内水质环境要求且造价低廉的特种防波堤结构型式,具有重要的科学意义和应用前景。 本文在物理模型试验的基础上,结合一定的理论分析,对如下型式的特种防波堤结构,分别开展了相应的水动力特性研究工作: 气幕式防波堤——在实验室的大、小两个波浪水槽中进行了1:30,1:15和1:10三种比尺的规则波物理模型试验,探讨了气幕式防波堤消波系统的模型试验相似关系、消波性能及其影响因素。通过对不同比尺条件下的试验结果的分析和外推,给出了气幕式消波系统模型试验供气量的近似相似关系。对不同入射波浪周期,供气量,气幕式防波堤的布置型式等因素影响下,气幕式防波堤消波性能的试验结果进行的分析和比较表明,气幕式防波堤对短周期的入射波浪具有较好的消波效果。 波能利用型透空式防波堤——基于利用集中于水体表层的波能衰减透射波浪的新思路,提出了一种新型的透空式防波堤结构,其特点是能够吸收并利用波能产生水幕来减小透射波浪。通过规则波的物理模型试验,探讨了防波堤的内部结构、几何参数以及相对宽度(模型宽度与波长的比值)等因素对其消波性能的影响。在系统分析透空式防波堤水动力学特征的基础上,对防波堤的结构型式进行了优化。试验研究表明,相对宽度在0.1～0.2范围内,该结构同传统的透空式防波堤相比,透射系数可以降低20%左右。 多层水平板透空式防波堤——从提高防波堤衰减波能的效果和减小水平波浪力的思路出发,提出了一种由多层水平板组成的透空式防波堤新结构。通过规则波的物理模型试验,探讨了防波堤结构几何参数(相对宽度,相对间离)以及波陡等因素对防波堤消波效果的影响,并对不同因素影响下的透射系数以及反射系数变化特征进行了比较和分析。同时,基于线性波浪理论,通过特征函数展开法,推导出了波浪对多层水平板式透空堤作用的解析解,与物理模型试验结果较为吻合。并通过数学模型对多层水平薄板的消波性能的影响因素以及结特种防波堤结构型式及水动力特性研究构的受力特性进行了进一步的分析。研究结果表明,多层水平板透空式防波堤结构具有较佳的消波性能,在相对宽度为0.25时,可使透射系数小于0.5。同波能利用型透空式防波堤相比,多层水平板结构对波浪的反射作用明显较弱,在试验范围内,基本保持在0.4以下。而且结构的水平波浪力很小,不足竖向波浪力的3%。 本文中给出的气幕式消波系统的比尺关系以及气幕消波的特性,对深入研究气幕式防波堤具有指导意义。提出的波能利用型透空式防波堤结构和多层水平板透空式防波堤结构,是对传统防波堤结构型式的发展。尤其是多层水平板透空式防波堤结构具有消波效果明显、水质交换好,且水平波浪力小等特点,对促进透空式防波堤结构作为永久性建筑物的实际应用具有重要意义。关键词:防波堤:气幕;透空;水平板;透射系数;反射系数;相对宽度