一项关于不拦截型防波堤在波浪迷宫通道中流体动力性能的实验研究

《Ocean Engineering》：An experimental study on the hydrodynamic performance of a non-intercepting breakwater with wave maze channels

本研究提出一种新型非拦截式防波结构，采用波浪迷宫通道设计，通过实验室系统实验分析孔隙率、安装行数和波浪高度对消波性能的影响。结果表明，当孔隙率为20.29%且安装行数为5时，透射系数最低为0.096，反射系数低于0.45，有效减少波浪能量传播，并验证了该结构在波浪衰减和波能转化方面的潜力。

　　本研究聚焦于一种新型非拦截防波堤的设计，其特点是通过波浪迷宫通道来增强波浪能量的消散效果。这种结构能够通过多次波浪的衍射和反射，显著降低波浪能量的传输。为了验证这一设计的有效性，研究人员进行了系统的实验室实验，探讨了孔隙率、安装行数以及波浪高度等因素对波浪消散性能的影响。实验结果表明，该新型非拦截防波堤能够有效消散入射波浪的能量，其中在较低孔隙率和较多安装行数的情况下，其性能表现最为理想。具体而言，当孔隙率为20.29%且安装行数为5时，波浪传输系数降至最低，为0.096。在实验条件下，理想的波浪消散性能（传输系数低于0.5）得以实现，同时反射系数也保持在0.45以下。此外，研究还发现，通过优化安装布局，如将行数设置为1、2和5，可以在减少安装行数的同时达到与四行布局相当的波浪消散效果。随着波浪高度的增加，波浪消散效果也随之提升，表现为更高的反射系数和更低的传输系数。研究还指出，前几行的波浪消散组件会承受更大的水平波浪载荷，这些载荷随着波浪高度的增加而增强。

在世界范围内，沿海地区正经历快速的发展，同时也在面临风暴和洪水等自然灾害带来的日益严重的威胁。为了保护这些区域的社区和维持生态平衡，有效的海岸防护结构变得尤为重要。防波堤是广泛用于稳定海洋环境、防止波浪作用导致海岸侵蚀的重要设施。防波堤的类型多种多样，包括沉箱式、浮式以及非拦截式防波堤。传统的拦截式防波堤虽然能够有效减少波浪的传播，但往往会导致沉积物堆积、生态破坏以及高昂的建设成本。相比之下，非拦截式防波堤允许部分波浪通过，因此在成本和环保方面更具优势。其透水性有助于水体交换和沉积物的自然流动，从而减少对生态环境的负面影响。

非拦截式防波堤通常由桩基和透水或不透水的上部结构组成。其中，不透水结构因其设计简单和成本效益而受到广泛研究。例如，Sundar和Subbarao（2003）提出了一种由矩形框架上部结构和四分之一圆形前墙组成的防波堤。Karthik Ramnarayan等人（2020）则研究了加尔维斯顿墙型（GS）和圆形与抛物线型（CPS）防波堤，发现CPS在深水至中等水深条件下表现更优。随后，Karthik Ramnarayan等人（2022）引入了管状波浪屏障，进一步减少了波浪涌浪和动态压力。研究人员还提出了环保型垂直墙防波堤，配备水平和倾斜的涵洞，以实现更好的波浪消散效果。Kumaran等人（2025）研究了一种倒梯形上部结构的防波堤，该结构配有透水屏障，增强了波浪消散能力，但当传输系数低于0.5时，反射系数可能超过0.5。此外，T型和倒T型防波堤也被评估，其中T型防波堤在淹没条件下表现出更优越的性能（Neelamani和Rajendran，2002a, 2002b）。然而，许多不透水上部结构的防波堤可能会产生较高的反射系数，这可能导致危险的驻波形成，进而破坏周围海洋环境的稳定性。

为了进一步提升波浪消散效果，同时减少反射，研究者们提出了将非拦截式防波堤与波浪能转换装置（WECs）结合的设计概念。例如，He等人（2019）提出了一种桩基支撑的开放式水柱（OWC）型防波堤，该结构不仅能够有效消散波浪能量，还能同时产生无碳排放的能源。这一创新设计在传统非拦截式防波堤的基础上，展现了更高的波浪消散性能，表明非拦截式防波堤在未来的海岸防护工程中具有广阔的发展前景。此外，He和Huang（2014, 2016）以及He等人（2016）的研究进一步支持了这一方向的探索。

在透水上部结构方面，诸如水平板和开孔结构等设计因其在减少波浪反射和载荷方面的有效性而受到广泛关注。水平板结构通过湍流和波浪破碎来消散入射波浪能量。其反射性能与板间距密切相关。Neelamani和Gayathri（2006）的研究发现，双层水平板结构相比单层结构会产生更高的波浪反射和载荷，而更大的间距则会加剧反射和载荷的增加。Liu等人（2025）研究了单层水平板防波堤（SPB）和垂直双层水平板防波堤（VTPB）的波浪消散性能，发现SPB的传输系数略低于相同高度的VTPB。Sun等人（2025a）通过数值模拟研究了露出水面的双层水平板防波堤，发现其在波浪消散方面优于传统设计。Sun等人（2025b）进一步指出，当相对淹没深度在波浪波谷深度的1到2倍之间时，这种结构能够达到最佳的波浪消散效果。关于多层结构的研究，Wang等人（2006）发现，多层水平板之间较小的间距能够提高能量消散效果，同时波浪陡度对波浪传输有显著影响，但对反射系数的影响较小。

除了孔隙率之外，入射波浪高度也是影响防波堤性能的重要因素。Huang（2007）推导了计算透水防波堤反射和传输系数的公式，发现波浪高度的增加会导致反射系数的上升。为了在不显著增加反射系数的前提下提升波浪消散效果，研究者们提出了多种创新性的防波堤设计。其中，一种具有波浪迷宫通道的非拦截式防波堤设计引起了广泛关注。Mani（2008）提出了一种由多排交错桩柱和透水屏障连接而成的结构，研究了其波浪传输、反射和承载特性。Vijay等人（2019）则通过数值模拟分析了由多排开孔屏障组成的垂直波浪迷宫型防波堤，发现当多排屏障被安装时，能够实现有效的波浪消散。然而，这种垂直波浪迷宫结构在孔隙率较低的情况下会产生较高的反射系数。Kumaran等人（2022）进一步研究了这种波浪迷宫型防波堤，包括对其流场的分析。Cheng等人（2022）则采用交错排列的I型波浪消散组件构建了具有波浪迷宫通道的防波堤，其结果表明，这种布局能够实现较低的反射系数。然而，对于较长的波浪周期，其消散效果并不理想。这些研究表明，波浪迷宫型上部结构在减少反射方面具有研究潜力，但需要进一步优化以确保其在波浪消散方面的有效性。

在波浪消散过程中，防波堤会承受显著的波浪载荷，这对结构的安全性和稳定性构成威胁。Alsaydalani等人（2017）分析了不同安装行数的开孔墙防波堤的波浪载荷特性，发现三排防波堤的前墙所承受的波浪力低于两排防波堤。Huang和Chen（2020）研究了桩基支撑的码头在规则和不规则波浪条件下的波浪压力。Li等人（2021）则比较了弧形板和水平板上部结构的非拦截式防波堤的波浪压力和载荷。Neelamani和Al-Anjari（2021）测量了位于岩石基床上的波浪迷宫型开孔防波堤的动态压力，发现动态压力从海侧向后侧逐渐减少。Reyes等人（2024）测量了OWC型非拦截式防波堤的波浪载荷，发现当屏障孔隙率降低时，波浪载荷会增加。Negi等人（2024）则采用傅里叶贝塞尔级数展开法研究了双圆形板防波堤的波浪相互作用及其产生的力，进一步强调了理解波浪载荷特性的必要性。

综上所述，实现最佳波浪消散效果同时降低反射系数是当前海岸防护工程研究的重要方向。本研究提出了一种新型的非拦截式防波堤，其上部结构由交错排列的十字形波浪消散组件构成，形成了波浪迷宫通道。这种设计不仅能够有效减少反射系数，还能高效消散较长周期的波浪。此外，评估波浪载荷对于评估该结构的可靠性和安全性至关重要。在实际应用中，这种结构可以通过桩基固定在海床上。本文的其余部分将分为以下几个部分：第二部分详细介绍了所提出的防波堤配置和实验方法；第三部分将展示和讨论在不同参数和波浪条件下波浪消散性能和波浪载荷的实验结果；最后，第四部分将总结主要的研究发现和结论。

为了更深入地了解该结构的性能，研究人员构建了一个详细的物理模型，其几何参数如图1所示。模型的尺寸为690毫米长、500毫米宽和300毫米高，由波浪消散组件和基板组成。波浪消散组件采用十字形柱体，每个柱体的长度为110毫米，宽度为110毫米，厚度为5毫米。这些组件在水平和纵向方向上均等距排列，以形成波浪迷宫通道。通过调整孔隙率和安装行数，研究人员进一步优化了该结构的性能。孔隙率分别为20.29%、36.23%和52.17%，对应的间距分别为28毫米、62.5毫米和120毫米。实验中使用了0.04米的波浪高度，并在五排安装行数的情况下进行了测试。研究结果表明，随着孔隙率的增加，反射系数呈下降趋势。然而，较低的孔隙率更有利于波浪能量的消散，尤其是在较长的波浪周期条件下。这一发现对于优化防波堤设计具有重要意义，因为较低的孔隙率虽然可能增加反射系数，但能够更有效地降低波浪能量的传输。

此外，研究还探讨了不同安装行数对波浪消散性能的影响。实验发现，当安装行数增加时，波浪的消散效果也随之提升。然而，过多的安装行数可能会导致结构复杂性增加，从而影响其经济性和实用性。因此，研究人员进一步优化了安装布局，发现某些特定的排列方式，如将安装行数设置为1、2和5，可以在减少安装行数的同时实现与四行布局相当的波浪消散效果。这种优化布局不仅降低了建设成本，还提高了结构的灵活性和适应性，使其能够更好地应对不同波浪条件下的挑战。

在波浪载荷方面，研究发现前几排的波浪消散组件会承受较大的水平波浪力。这是因为这些组件处于波浪能量最集中的区域，与入射波浪的相互作用更为显著。随着波浪高度的增加，这些载荷也会相应增加。因此，在设计非拦截式防波堤时，必须充分考虑波浪载荷的分布和强度，以确保结构的安全性和稳定性。通过实验和数值模拟，研究人员进一步分析了不同孔隙率和安装行数对波浪载荷的影响，发现较低的孔隙率会导致更高的波浪载荷，而较高的孔隙率则可能削弱波浪消散效果。因此，寻找一个平衡点，使得波浪载荷和消散效果都处于理想范围内，是优化非拦截式防波堤设计的关键。

为了评估该结构的性能，研究人员还进行了多组实验，比较了不同参数下的波浪消散效果。实验结果表明，当孔隙率为20.29%且安装行数为5时，波浪传输系数降至最低，为0.096，显示出该结构在波浪消散方面的卓越能力。同时，反射系数保持在0.45以下，表明其在减少反射方面也表现良好。此外，研究还发现，随着波浪高度的增加，波浪的消散效果也随之增强，表现为反射系数的上升和传输系数的下降。这种趋势表明，该结构在面对不同强度的波浪时，能够灵活调整其性能，以适应实际需求。

除了孔隙率和安装行数，研究还关注了其他因素对波浪消散性能的影响。例如，波浪周期和波浪方向的变化可能会对防波堤的性能产生显著影响。因此，研究人员在实验中模拟了不同波浪周期和方向条件下的波浪行为，以评估该结构在复杂海洋环境中的适应性。结果表明，该结构在多种波浪条件下均表现出良好的波浪消散效果，能够有效减少波浪能量的传输，同时保持较低的反射系数。这种多方面的适应性使其在实际应用中具有较高的可行性。

此外，研究还强调了非拦截式防波堤在生态和经济方面的优势。由于其透水性，这种结构能够促进水体交换和沉积物的自然流动，从而减少对生态环境的破坏。同时，其相对较低的建设成本和较高的性能表现，使其成为传统拦截式防波堤的有力替代方案。研究人员还指出，随着全球对可持续发展和环境保护的关注度不断提高，非拦截式防波堤的设计和应用将越来越受到重视。

综上所述，本研究提出了一种新型的非拦截式防波堤，其特点在于通过波浪迷宫通道的设计，实现对波浪能量的有效消散。实验结果表明，该结构在多种参数和波浪条件下均表现出优异的性能，尤其是在较低孔隙率和较多安装行数的情况下。同时，研究还强调了波浪载荷评估的重要性，以确保结构的安全性和稳定性。这些发现为未来海岸防护工程的设计和优化提供了重要的理论依据和实践指导。通过进一步的研究和应用，这种新型防波堤有望在保护沿海地区、减少生态破坏和提高经济效益方面发挥更大的作用。