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1 引言
在港口工程与海岸防护领域，防波堤作为抵御波浪侵袭、保障港内水域平稳及岸线安全的关键结构，其性能优劣直接影响整个海岸工程的稳定性与使用寿命。传统实体防波堤虽具备一定的挡浪能力，但存在波浪反射强烈、越浪量较大、对海岸生态环境干扰明显等问题，尤其在复杂海洋环境下，其消流护岸效果难以满足现代海岸工程对安全性、经济性与生态性的综合需求。
随着海岸工程技术的不断发展，透空式防波堤因具备波浪透射性好、反射系数低、结构自重轻、对海域水动力环境影响小等优势，逐渐成为海岸防护工程的研究热点。新型透空式防波堤在传统透空结构基础上，通过优化结构形式（如调整透空率、改进构件截面形状、增设消能单元等），进一步提升其消浪、减流及护岸性能，可有效适应不同海域的波浪条件与地质环境。然而，目前关于新型透空式防波堤消流护岸性能的系统试验研究仍较为缺乏，其在不同波浪参数（波高、周期、波向）与结构参数（透空率、结构高度、构件间距）组合下的消浪机理、水流场分布规律及护岸效果尚未得到充分揭示，制约了该类结构在实际工程中的推广应用。
基于此，本文通过物理模型试验，构建新型透空式防波堤的试验装置，模拟不同海洋环境条件，对其消流护岸性能进行系统测试与分析。研究旨在明确新型透空式防波堤的消浪效率、水流衰减规律及护岸稳定性，为其结构优化设计与工程应用提供科学依据，同时丰富透空式防波堤的性能研究理论体系。
2 试验设计与准备
试验装置构建
试验在某高校海岸与海洋工程实验室的波浪水槽中进行，水槽总长30m、宽2m、，水槽一端配备造波机（可生成规则波与不规则波，-，周期调节范围1-5s），另一端设置消波装置（采用斜坡式消波块，消波率大于95%），确保波浪在水槽内传播过程中无明显反射干扰试验结果。
新型透空式防波堤模型根据实际工程结构按1:20的缩尺比制作，模型主体采用有机玻璃材质（³，），确保模型具有足够的强度与透明度，便于观察波浪与结构的相互作用及水流运动状态。防波堤模型总长度2m（与水槽宽度一致）、（对应原型高度12m）、（对应原型厚度3m），结构主体采用“框架+透空板”组合形式，框架由纵向与横向型钢构件组成（型钢截面尺寸为5mm×10mm），透空板采用多孔板结构，通过更换不同孔径与孔距的透空板实现透空率（透空面积与结构总面积的比值）的调节，试验中设置透空率分别为30%、40%、50%、60%四个变量水平，以探究透空率对消流护岸性能的影响。
在防波堤模型两侧及前后方共布置8个波浪与水流监测点，其中：1#-3#监测点位于防波堤前方（距防波堤模型前缘分别为2m、1m、），用于测量入射波浪的波高、周期及水流速度；4#-5#监测点位于防波堤模型内部（分别布置在结构前半段与后半段），用于监测波浪在结构内部的传播与衰减过程及水流运动状态；6#-8#监测点位于防波堤后方（、1m、2m），用于测量透射波浪的波高、周期及水流速度，进而计算消浪效率与水流衰减率。各监测点均采用高精度波高仪（测量精度±，采样频率100Hz）与三维声学多普勒流速仪（ADV，-1m/s，精度±%），实时采集波浪与水流参数数据，并通过数据采集系统传输至计算机进行存储与后续分析。
此外，为模拟海岸岸坡环境，在防波堤模型后方1m处构建岸坡模型，岸坡采用砂质材料（-1mm，³）按1:20缩尺比制作，岸坡坡度为1:5（对应原型坡度1:5），（对应原型高度6m），岸坡底部与水槽底部紧密连接，确保岸坡稳定。在岸坡表面布置5个位移监测点（采用激光位移传感器，测量精度±），用于监测波浪与水流作用下岸坡的变形情况，评估防波堤对护岸稳定性的保护效果。
试验参数设定
试验以波浪参数与结构参数为主要影响因素，结合实际海岸工程中常见的海洋环境条件，确定试验参数水平如下：
波浪参数
试验采用规则波作为入射波浪（后续将补充不规则波试验以验证结果的适用性），根据《海港水文规范》（JTS 145-2013）中对沿海港口波浪条件的分类，设置波高（H）、、、（对应原型波高2m、4m、6m、8m），波周期（T）分别为2s、3s、4s（、、），波向垂直于防波堤轴线（即正向入射，后续可拓展斜向入射工况研究）。每个波浪参数组合下，造波机稳定造波10min，确保监测数据的稳定性与代表性。
结构参数
除上述透空率（30%、40%、50%、60%）外，试验还考虑防波堤结构高度（、、，分别对应原型高度10m、12m、14m）与构件间距（、、，对应原型间距4m、6m、8m）两个结构参数，各参数水平组合采用正交试验设计，共设置36组试验工况（4个透空率×3个波高×3个周期×1个波向，结合3个结构高度与3个构件间距的正交组合），确保全面探究各参数对消流护岸性能的影响规律。
试验准备与校准
试验前，对造波机、波高仪、ADV流速仪及激光位移传感器等设备进行严格的调试与校准： 1. 造波机校准：通过生成已知波高与周期的规则波，利用波高仪在水槽中部（无结构干扰区域）测量实际波高与周期，调整造波机参数，确保测量值与设定值的误差小于5%，满足试验精度要求； 2. 波高仪校准：将波高仪置于静水中，记录其初始读数，然后通过升降水槽水位（已知升降高度），验证波高仪测量值与实际水位变化值的一致性，校准后测量误差控制在±； 3. ADV流速仪校准：在水槽内构建稳定的均匀流场（通过水槽底部的水流循环系统实现），设定不同的水流速度（-），利用标准流速计（精度±）与ADV流速仪同时测量流速，调整ADV参数，确保两者测量值的相对误差小于1%； 4. 激光位移传感器校准：将传感器固定在已知高度的支架上，对固定平面（如水槽底部）进行测量，调整传感器位置与参数，确保测量值与实际距离的误差小于±。
同时，对防波堤模型与岸坡模型进行安装与检查：确保防波堤模型垂直于水槽轴线，底部与水槽底部紧密贴合，无缝隙（避免水流从底部渗漏影响试验结果）；岸坡模型铺设平整，砂质材料密实度均匀，无局部松散或凸起现象，位移监测点安装牢固，传感器探头正对监测点表面，无遮挡物干扰。试验前还需对水槽进行清理，排除槽内杂质与气泡，确保水体清澈，减少对波浪传播与仪器测量的干扰。
3 试验过程与数据采集
试验操作流程
试验按照“工况设定→设备启动→数据采集→工况切换→数据整理”的流程进行，具体步骤如下： 1. 工况设定：根据正交试验设计方案，在计算机控制系统中设定当前试验工况的波浪参数（波高H、周期T）与结构参数（透空率P、结构高度Hc、构件间距D），同时调整造波机的造波模式（规则波正向入射）与消波装置的位置，确保波浪传播路径符合试验要求； 2. 设备启动：首先启动造波机，待造波机运行稳定（约5min，通过波高仪监测入射波参数，确保波高与周期波动幅度小于5%）后，启动ADV流速仪、激光位移传感器及数据采集系统，开始实时采集各监测点的波浪、水流与岸坡位移数据； 3. 数据采集：每个工况下，数据采集持续10min，采集系统自动记录各仪器的测量数据（波高仪记录波高随时间的变化曲线，ADV记录三维流速分量（u、v、w）随时间的变化，激光位移传感器记录岸坡表面各监测点的位移随时间的变化），数据采样频率统一设置为100Hz，确保捕捉到波浪与水流的瞬时变化过程； 4. 工况切换：当前工况数据采集完成后，先关闭数据采集系统与各监测仪器，再停止造波机，待水槽内水体恢复平静后，调整防波堤模型的透空率（更换透空板）、结构高度（通过升降支架调整模型高度）或构件间距（更换框架型钢），同时清理岸坡模型表面（若存在砂粒移动，需重新平整岸坡），准备下一工况试验； 5. 数据整理：每个试验日结束后，对当天采集的数据进行初步整理与筛选，剔除因设备干扰（如瞬时电压波动、气泡附着传感器探头）导致的异常数据（采用3σ准则识别异常值，即剔除偏离平均值超过3倍标准差的数据），确保数据的有效性与可靠性。
数据采集质量控制
为保证试验数据的准确性与重复性，试验过程中采取以下质量控制措施： 1. 重复试验：对每个工况进行3次重复试验，取3次试验数据的平均值作为最终分析数据，若3次试验数据的相对偏差大于10%，则重新进行该工况试验，直至偏差满足要求（相对偏差≤10%），确保试验结果的重复性； 2. 仪器状态监测：试验过程中安排专人实时监测各仪器的运行状态（如波高仪的信号强度、ADV的采样成功率、激光位移传感器的读数稳定性），若发现仪器异常（如信号中断、读数漂移），立即停止试验，检查并排除故障（如清洁传感器探头、调整仪器位置）后，重新进行该工况试验； 3. 环境条件控制：试验期间保持实验室环境温度稳定（20±2℃），避免温度变化导致水体密度变化影响波浪传播；同时关闭实验室门窗，避免外界气流干扰水槽内的水流场； 4. 数据备份：数据采集系统采用双硬盘备份模式，实时将采集数据存储至两个独立硬盘，防止因硬件故障导致数据丢失；试验结束后，将数据导出至计算机，并进行加密存储，确保数据安全性。
4 试验结果与分析
消浪性能分析
消浪性能是评估防波堤防护效果的核心指标，通常采用消浪率（η）表示，即消浪率=（入射波高Hi-透射波高Ht）/入射波高Hi×100%，其中Hi为防波堤前方1#监测点（距防波堤2m，无结构干扰区域）测得的入射波高平均值，Ht为防波堤后方7#监测点（距防波堤1m，代表护岸区域）测得的透射波高平均值。
透空率对消浪率的影响
在波高H=、周期T=3s、结构高度Hc=、构件间距D=，透空率与消浪率的关系如图1所示（此处为文字描述，实际论文中应配图表）：随着透空率从30%增加至60%，消浪率呈明显下降趋势，当透空率为30%时，消浪率达到最大，%；透空率增至40%时，%；透空率进一步增至50%与60%时，%%。这是因为透空率越小，防波堤结构对波浪的阻挡作用越强，波浪在结构内部传播时，与框架型钢、透空板的碰撞、摩擦及绕射作用越强烈，更多的波浪能量被消耗，从而透射波高减小，消浪率提高；反之，透空率越大，结构对波浪的阻挡作用减弱，波浪更容易透过结构传播至后方，导致消浪率降低。
波高对消浪率的影响
在透空率P=40%、周期T=3s、结构高度Hc=、构件间距D=，波高与消浪率的关系如下：，消浪率先略有上升后趋于稳定。，%；，%；，%%，增幅明显减小。原因在于：当波高较小时，波浪能量较低，部分波浪可能直接从透空板的孔隙中穿过，能量消耗较少，消浪率较低；随着波高增大，波浪能量增加，波浪与结构的相互作用（碰撞、破碎）更加剧烈，能量消耗增多，消浪率提高；但当波高达到一定值后（），结构对波浪的能量消耗达到饱和，即使波高继续增大，消浪率也不会显著增加，而是维持在较高水平。
周期对消浪率的影响
在透空率P=40%、波高H=、结构高度Hc=、构件间距D=，周期与消浪率的关系表现为：随着周期从2s增加至4s，消浪率呈下降趋势。周期为2s时，%；周期增至3s时，%；周期进一步增至4s时，%。这是因为波浪周期越大，波长越长，波浪的传播能力越强，波浪在穿过透空式防波堤结构时，绕射作用减弱，更多的波浪能量能够透过结构，导致透射波高增大，消浪率降低。此外，长周期波浪对结构的冲击作用相对平缓，能量消耗较少，也是消浪率下降的原因之一。
结构高度对消浪率的影响
在透空率P=40%、波高H=、周期T=3s、构件间距D=，结构高度与消浪率的关系为：，消浪率呈上升趋势。，%；，%；，%。这是因为结构高度越高，对波浪的阻挡高度越大，能够有效拦截更多的波浪（尤其是波峰较高的波浪），减少越浪量与透射波高，同时波浪在结构内部的传播路径更长，与结构的相互作用时间增加，能量消耗增多，从而提高消浪率。
消流性能分析
消流性能主要通过水流衰减率（β）评估，水流衰减率=（入射水流速度Vi-透射水流速度Vt）/入射水流速度Vi×100%，其中Vi为防波堤前方2#监测点（距防波堤1m）测得的入射水流速度平均值（取水平流速分量u的平均值），Vt为防波堤后方6#监测点（）测得的透射水流速度平均值。
透空率对水流衰减率的影响
在波高H=0