物理模型试验成果：新型消浪护面块体关键技术及工程应用

1）试验内容

根据上述研究思路进行相应的物理模型试验，以检验新型块体的水力特性，试验的主要内容包括：形状系数c、混凝土的用量Q、摆放个数N、糙渗系数KΔ、稳定系数KD，以及与现有扭王字块体对比试验内容等。

2）试验组次设计

（1）试验条件确定。对于试验条件的确定，综合考虑试验场地限制、造波机能力，以及在波浪作用下护面块体较大失稳率等因素，按照相关规范，具体试验条件如下：

①试验水位。模型试验水位选择三种，分别为d=0.25 m、0.35 m、0.45 m。

②试验波浪。考虑造波能力和试验堤顶不越浪，以及设计波高作用下允许块体的失稳等条件，确定如下：试验周期选择4种，分别为1 s、1.3 s、1.6 s、1.9 s；试验波要素，采用不规则波试验，有效波高采用0.07～0.25 m为间隔，从0.07 m开始逐步增加，详见表2-2。

表2-2　试验条件（模型值）

（2）试验断面确定。试验断面设计，依据JTS 154—2018的相关规定进行确定，按照项目的要求，采用堤顶带胸墙的传统斜坡堤形式，为保证波浪作用下堤顶不产生越浪现象，整个断面设定高程为0.75 m（模型值，下同），模型底面设定高程为0 m。断面护面块体采用米字型块体，安放方式采用随机摆放，其垫层石采用对应护面块石1／20～1／10质量的块石，坡度分别设置为1∶1.25、1∶1.5、1∶2、1∶3四种，块体坡脚采用棱体块石进行支撑，块石的质量为块体稳定质量算式所得到质量的1／10～1／5，坡度为1∶2，护底采用（1～6）×10-3kg重块石护底，端部坡度为1∶2，试验断面如图2-7所示。试验中护面块体质量设定为60×10-3kg、90×10-3kg、120×10-3kg、150×10-3kg四种。

图2-7　设计试验断面示意图（单位：m）

3）试验设备

模型试验在天科院水工厅波浪水槽中进行，如图2-8所示。水槽长68 m、宽1.0 m、高1.5 m，配备电机伺服驱动吸收式推板造波机，可以产生规则波与不规则波。造波机由造波机械、电伺服控制系统、计算机和无反射模块组成。波浪水槽造波原理为：由计算机根据输入的造波参数计算出目标波浪的板前波浪信号，并按一定算法将其转换成相当于造波板运动速度和位置的数据，输入到D／A转换器中，D／A转换器将数字量信号转换为伺服驱动器所需要的模拟电压信号，由伺服驱动器输出脉冲信号控制伺服电机的转速和转动的角度，通过滚珠丝杠副驱动直线运动单元带动推波板在水中按照预定的运动规律运动，从而实现所期望的波浪；伺服驱动器直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成速度闭环控制以提高控制精度与运动速度的稳定性，避免电机丢步；控制采集卡接收电机编码器的反馈信号，实时跟踪造波板的运动位置，外部构成位置闭环以提高推波板的定位精度；用波高传感器实时采集造波板前的波浪信号，并输入到计算机中与目标波浪相比较，以提取（分离）反射波信号，并将该信号以反相形式加到控制信号中去，使造波板的运动附加一个可消除二次反射波的位移运动，实现可吸收二次反射波的造波功能。

水槽两端均设有消波装置并同时设有连通管，以使试验过程中模型两侧的水位保持不变。

图2-8　波浪水槽布置图

模型高程用水准仪控制，长度用钢尺测量，波高采用波高传感器，并通过SG2000型动态水位测量系统对波高进行采集分析，如图2-9所示。

图2-9　电容式波高传感器及SG2000型动态水位测量系统

4）模型设计与制作

模型试验最重要的是与工程原型相似，其主要有三个特征：运动相似、几何相似及动力相似，这三个特征相辅相成，缺一不可。但是在某种具体的工况条件下，总是会有某一特征发挥着主要作用，其他两个特征处于次要作用，这为模型试验简化提供新的思路，所以本次试验模型按照重力相似原则进行设计，结构断面按照几何相似进行设计，其中根据《波浪模型试验规程》（JTJ／T 234—2001）要求，模型质量误差要控制在±5%以内，几何尺寸误差控制在±1%以内。

（1）重力相似准则。由于原型与模型中对波浪运动起主导作用的力为重力，因此将运动中次要的作用力略去不计，两种波浪动力相似要求按重力相似处理。作用于波浪的重力G=mg=ρVg，用Gp和Gm分别代表原型和模型波浪中的重力，如两种波浪保持动力相似则应具有下列关系：

为了满足动力相似，将牛顿数中的F值代入G，即将中以λG代入λF。则可得

将式（2-5）代入式（2-6）中，得

式（2-7）说明重力起主导作用的两种波动保持动力相似时，要求原型和模型中的弗劳德数Fr相等，即所谓弗劳德相似准则。

（2）几何相似准则。几何相似是指原型和模型的几何形状相似。几何形状相似要求原型和模型中对应部位的长度保持一定的比例关系，即模型中各对应部位的几何尺寸都是按同一比例尺由原型部位塑制而成，即满足下列关系式：

式中　λ——模型长度比尺；

lp、lm——原型长度和对应的模型长度。

（3）各比尺关系。若以λ表示各物理量原型值与模型值之间的比值，则各物理量与λ之间的关系如下：

式中　λ——模型长度比尺；(www.xing528.com)

λt——时间比尺；

λF——力比尺。

试验的防波堤断面并没有实际的参照物，根据试验水槽的性能和造波机最大造波能力，必须保证护面块体在波浪作用下都能被打动到具有一定的失稳率；另外，为了便于试验结果的分析，探讨块体的稳定特性，几何比尺选择为50，时间比尺为7.07，力比尺为125 000。

考虑米字型块体在深水防波堤工程推广应用，参考以往研究成果，设定防波堤断面水深为-12.5～-22.5 m。为了满足米字型块体试验目的和对比分析，模型上总共制作了60×10-3kg、90×10-3kg、120×10-3kg、150×10-3kg四种不同质量的块体，块体材料均采用水泥铁粉进行配制，块体按重力比尺进行挑选，质量偏差控制在±5%以内，制作完成的消浪块体如图2-10和图2-11所示。

图2-10　块体模型模具3D打印与块体模型制作现场

图2-11　制作完成的试验块体模型

由于模型试验采用的是淡水，而实际工程中为海水，淡水与海水之间存在密度差，所以试验中考虑ρ海水=1.025ρ淡水，并在设计模型质量时考虑了这种影响。

5）试验方法

（1）波浪模拟。试验遵循交通运输部颁发的《波浪模型试验规程》（JTJ／T 234—2001）相关要求，波浪分别采用了规则波与不规则波，规则波采用微幅波模拟。波谱首先按《港口与航道水文规范》JTS 145—2015选取，若满足规范中的参数（波高水深比、谱尖度因子等）要求，则采用规范谱（文氏谱）；若参数要求不能满足，则按规范采用合适的风浪频谱形式。本试验采用了改进的JONSWAP谱（γ=3.3），其解析式为

式中　r——谱峰因子，取3.3；

fp——峰频，为谱峰频周期Tp的倒数；

S（f）——谱密度；

H1／3——有效波高；

f——频率；

σ——无维谱宽参数。

（2）波浪率定。在模型摆放之前，首先率定试验入射波浪要素，不规则波采用频谱模拟，以初始值经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求，从而实现试验波浪要素满足JONSWAP谱目标值，具体满足条件如下：

①波能谱总能量的允许偏差为±10%。

②峰频模拟值的允许偏差为±5%。

③在谱密度大于或等于0.5倍谱密度的范围内，谱密度分布的允许偏差为±15%。

④有效波高、有效波周期或谱峰周期的允许偏差为±5%。

⑤模拟的波列中1%累积频率波高、有效波高与平均波高比值的允许偏差为±15%。

每组波列波个数均保持在100个以上，根据试验要求，针对不同断面，在各个水位依据给定的波浪要素进行率定，将最后得到的造波参数存储在计算机中。试验时，依据对应率定好的造波信号进行造波。图2-12为堤前水深0.35 m时的一组试验波浪要素率定波列过程曲线和波谱模拟的情况。

图2-12　入射波高0.35 m时的波面过程及波谱验证情况

（3）护面块体稳定性判定。进行各断面稳定性试验时，每个水位条件下模拟原体波浪作用时间应不小于2 h，以便观察断面在波浪累积作用下的变化情况。根据波浪试验规程规定，断面中块体的稳定性试验每组至少重复3次，当3次试验现象差别较大时，增加重复次数。每次试验后断面均需重新摆放方能开始下一次试验。

①扭王字块体和米字型块体稳定性判断。稳定性主要通过观察其位移情况进行判断。试验中发生位移变化在半倍块体边长以上或块体滑落、跳出，即判断为失稳；发生局部缝隙加大至半倍块体边长以上，也判断为失稳。失稳的断面要进行重复试验，若重复试验后也判断为失稳的，则最终判定为断面失稳；若重复试验时块体没有位移，则断面稳定。由于米字型块体的形状与扭王字块体相近，且摆放方式也采用单层随机摆放，块体间也通过相互勾连来抵抗波浪作用，因此，对于该块体失稳标准仍采用扭王字块体失稳的标准进行判定。

②护面块体失稳率计算方法。关于块体失稳率，依据《波浪模型试验规程》（JTJ／T 234—2001）相关规定，采用下式进行计算：

式中　n——失稳率（%）；

nd——静水位上、下各一倍设计波高范围内失稳块体数；

N1——静水位上、下各一倍设计波高范围内块体总数。