透水曲面上部结构桩基防波堤水动力性能的实验室研究及其生态优化意义

为应对深水环境下传统抛石防波堤经济性差、生态阻断等问题，研究人员创新性地设计了带透水曲面上部结构和碎石填充层的桩基防波堤（PSB），通过实验室实验系统分析了波高、周期及碎石层高度对反射系数（Kr）、透射系数（Kt）和能耗系数（Kd）的影响。结果表明，该结构可使反射系数平均降低50%，且碎石层高度降低时能耗效果更优，为兼顾生态连通性与波能耗散的防波堤设计提供了新范式。

　　

随着全球海运贸易的爆发式增长，港口基础设施面临深水化改造的迫切需求。传统抛石防波堤在深水区不仅造价飙升，其封闭式结构还会阻断水体交换，引发沉积物淤积、生物迁徙受阻等生态连锁反应。为此，桩基防波堤（Pile-supported Breakwater, PSB）应运而生——这种以间距排列的桩柱支撑上部透水结构的创新设计，既能消减波浪能量，又可维持水体通透性。然而，现有PSB仍存在反射波强、越浪量大的技术瓶颈，特别是在面对极端海况时，曲面结构可能引发剧烈爬升现象。如何通过结构优化实现波能高效耗散与生态安全的双赢，成为海岸工程领域的攻坚方向。

中国广西重大科技专项资助团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，提出了一种融合透水曲面箱体与倾斜穿孔板的复合式PSB。研究人员通过物理模型实验，系统测试了不同碎石层高度（h_r）对K_r、K_t和K_d的影响规律，并与传统抛石堤、凹面型PSB进行性能对标。关键技术包括：1）采用1:20比尺的波浪水槽实验；2）多参数同步采集系统测量波压与流速场；3）基于能流法的三维波能分析；4）对照实验设计涵盖0.08-0.16m波高（H）、1.2-2.0s周期（T）工况。

Model design: environmentally friendly pile-supported breakwaters
研究以Li et al.(2024)的斜桩穿孔板结构为基准模型，创新性增设了曲面透水箱体与梯度碎石层。下部交叉斜桩阵列通过涡激振动增强紊流耗散，而上部曲面箱体则利用伯努利效应降低波冲击力。这种刚柔并济的设计使结构在H=0.16m极端波况下仍保持稳定。

Results and discussion
实验数据显示，当h_r从0.1m增至0.3m时，K_t由0.38降至0.21，但K_r却从0.15反弹至0.24——这表明适度降低填充高度可通过增强紊流掺混提升能耗效率。与常规抛石堤相比，新结构的K_r降低50%，且其性能与带百叶窗波屏的凹面PSB相当，但材料成本节省30%。

Conclusions
该研究证实：1）碎石层存在使K_d提升40%以上，但存在最优填充高度（h_r=0.2m）；2）曲面透水箱体可将波浪爬升高度抑制在结构安全裕度内；3）斜桩阵列产生的卡门涡街对长周期波（T>1.8s）有显著衰减作用。这些发现为新一代生态型防波堤的工程应用提供了关键设计阈值，特别适用于需要兼顾航运安全与红树林保护的河口三角洲地区。文末作者建议未来研究可结合SPH（光滑粒子流体动力学）数值模拟进一步优化曲面开孔率梯度。