浮箱式浮防波堤錨泊系統(tǒng)受力試驗研究

董華洋，王永學(xué)，陳燕珍( .國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧大連600; .大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連604)*

浮箱式浮防波堤錨泊系統(tǒng)受力試驗研究

董華洋1，2，王永學(xué)2，陳燕珍1
( 1.國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧大連116001; 2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024)*

通過物理模型試驗研究了在規(guī)則波作用下浮箱式浮防波堤的錨鏈?zhǔn)芰顩r，探討了改變浮箱式浮防波堤錨鏈相對拖地系數(shù)、錨鏈剛度系數(shù)、導(dǎo)鏈孔處傾角以及相對寬度對錨鏈?zhǔn)芰Ξa(chǎn)生的影響.試驗結(jié)果表明改變錨鏈剛度系數(shù)、錨鏈相對拖地系數(shù)和相對寬度對于模型的錨鏈?zhǔn)芰τ绊懽顬槊黠@.從而為錨鏈錨泊浮式防波堤應(yīng)用于工程實踐提供依據(jù).

浮式防波堤;錨鏈?zhǔn)芰?物模試驗

0 引言

浮式防波堤是一種應(yīng)用在波浪能量相對較低而沒必要修建坐底式防波堤、水深及基床條件差而修建坐底式防波堤又十分困難的水域，其具有造價比固定式的防波堤低廉，浮體、纜繩和錨具容易制造等優(yōu)點.目前浮式防波堤已有一些應(yīng)用實例［1-2］:我國于2002年在連云港港口棋臺山海域經(jīng)過40 d的施工建成了沿海第一條浮式防波堤，堤長為1 000 m［3］;目前世界上最大的浮箱式浮防波堤是位于摩洛哥拉巴特港的浮式防波堤，由鋼筋混凝土制成，長352 m、寬28 m，總重量1.3萬噸，造價為3.3億歐元.由此可見，浮式防波堤的應(yīng)用前景十分廣闊［4-7］.

錨鏈錨泊浮箱式浮防波堤是目前工程上應(yīng)用較多的一種浮式防波堤結(jié)構(gòu)型式，國內(nèi)外學(xué)者均對該型式防波堤進(jìn)行過物理模型試驗研究.Shunichi等［8］對于帶內(nèi)外翼板的雙浮箱浮式防波堤消波性能進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果指出用彈簧代替實際的錨鏈剛度，得出的透射系數(shù)要比用實際錨鏈模擬得出的結(jié)果大一些; Mizutani和Rahman［9］對三種浮式防波堤(二種用透空板錨泊，另外一種為錨鏈錨泊)進(jìn)行了試驗研究，試驗測量了透射、反射波高，浮堤的運動等; Fernandes［10］在試驗研究中指出，用彈簧代替實際錨鏈的剛度對于浮式防波堤消波性能沒有什么影響，但得出的錨鏈?zhǔn)芰Ρ葘嶋H稍大一些.盛祖蔭和孫龍［11］對錨鏈錨泊的矩形浮箱式浮防波堤進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明浮箱式浮防波堤的消波效果主要取決于浮箱的擋水面積;胡嵋等［12］對二種浮箱結(jié)構(gòu)型式( L型中浮箱和L型邊浮箱)的防波堤，三種類型( L型邊浮箱、H型邊浮箱和T型邊浮箱)的浮式浮防波堤進(jìn)行了物理模型試驗研究并給出了透射系數(shù)的試驗結(jié)果.由上述文獻(xiàn)可知，錨鏈錨泊浮箱式浮防波堤透射系數(shù)的研究工作較多，但對其錨鏈?zhǔn)芰Φ难芯枯^少，而錨鏈?zhǔn)芰χ苯雨P(guān)系到浮式防波堤的安全性，因此研究錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊懸蛩胤浅１匾?本文通過物理模型試驗著重研究了在規(guī)則波作用下，改變相對寬度、錨鏈相對拖地系數(shù)、錨鏈剛度系數(shù)以及導(dǎo)鏈孔處傾角這些因素對浮箱式浮防波堤的迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰Ξa(chǎn)生的影響.從而為錨鏈錨泊浮式防波堤在實際工程中的應(yīng)用提供依據(jù).

1 物理模型試驗

1.1試驗設(shè)備與測量儀器

試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室的長23 m，寬0.8 m，高0.8 m，造波周期為0.5～3.0 s的溢油水槽中進(jìn)行.試驗水槽的一端為實驗室自制的液壓驅(qū)動造波機，可產(chǎn)生波形平穩(wěn)、重復(fù)性好的規(guī)則波和不規(guī)則波;水槽的另一端安裝有消能網(wǎng)，用以吸收波浪能量減少波浪反射.造波機采用微機控制并配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).試驗波要素測定采用實驗室研制生產(chǎn)的DLY-1型波高、濾波、應(yīng)變混合式測量儀，試驗中波高的采集采用天津水運工程科學(xué)研究所研制2000型波浪測量和采集系統(tǒng).錨鏈?zhǔn)芰Σ捎玫|三達(dá)測試儀器廠生產(chǎn)的DYL-1A型，量程為0～5 kg，精度≤1%RL的應(yīng)變式拉力傳感器來測量，試驗前后均對所有量測儀器進(jìn)行了標(biāo)定和校準(zhǔn)，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度.

1.2試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及整體布置

試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計采用重力相似準(zhǔn)則.模型浮箱部分由有機玻璃制作而成，尺寸為長44 cm、寬30 cm、高18 cm，浮箱入水深度為13.5 cm.錨鏈的設(shè)計主要考慮與原型間滿足長度相似、質(zhì)量相似和彈性相似.試驗中分別設(shè)置了不同錨鏈相對拖地系數(shù)(即錨鏈拖地部分長度與懸起部分長度的比值Lt/Ls)、不同錨鏈剛度系數(shù)( k )、不同導(dǎo)鏈孔處傾角(錨鏈與豎直方向所夾的銳角α)以及模型相對寬度( W/L )來研究模型錨鏈?zhǔn)芰?包括迎浪面錨鏈?zhǔn)芰捅忱嗣驽^鏈?zhǔn)芰?.3組模型的主要區(qū)別為第1組: model 1～model 4的錨鏈相對拖地系數(shù)不同，也就是錨鏈拖地長度不同.第2 組: model 4～model 6的錨鏈剛度系數(shù)不同;第3 組: model 4、model 7、model 8的導(dǎo)鏈孔處傾角不同.模型參數(shù)具體設(shè)置如表1所示.

表1 浮箱式浮防波堤模型參數(shù)

模型整體布置如圖1所示，模型布置在水槽中部，在模型前后各布置2個浪高儀，用以記錄堤前和堤后的波面過程線，隔板厚度為8 mm，隔板距槽壁一端為0.45 m.模型試驗錨鏈、彈簧及拉力傳感器布置由地面至模型的布置順序為地面、彈簧、錨鏈、傳感器、模型，相連處均為鉸接.

圖1 試驗布置示意圖

1.3試驗工況

試驗水深為0.4 m.試驗采用正向入射規(guī)則波，入射波高分別為0.07和0.10 m，按比尺1∶30考慮，對應(yīng)原型波高分別為2.10和3.00 m.周期設(shè)置0.81、0.91、1.10、1.28、1.46、1.55 s范圍內(nèi)的6個波周期，對應(yīng)原型周期為4～8.5 s.對應(yīng)的相對寬度(模型寬度/波長) 0.297、0.241、0.176、0.142、0.119、0.110.對于每一種模型，每組波要素重復(fù)三次，取三次試驗結(jié)果平均值.

1.4試驗數(shù)據(jù)采集及處理

模型裝有4根錨鏈，每根錨鏈與模型相連接處裝有拉力傳感器.采集到浮箱式浮防波堤迎浪面、背浪面的錨鏈?zhǔn)芰v時曲線后，首先需要將迎浪面的兩根錨鏈的錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行疊加，疊加后取錨鏈?zhǔn)芰η€峰值的平均值作為迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Y(jié)果.進(jìn)而迎浪面錨鏈?zhǔn)芰1/入射波高Hi，背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ脑囼灲Y(jié)果處理方式與迎浪面錨鏈?zhǔn)芰ο嗤?，結(jié)果用F2/Hi表示，其意義為單位入射波高作用下的迎、背浪面錨鏈?zhǔn)芰Γ瑔挝粸镹/cm.圖2為模型在典型波浪工況作用下迎、背浪面錨鏈?zhǔn)芰r間過程線，其中Hi=7 cm，T =1.1 s.

圖2 典型工況下模型錨鏈?zhǔn)芰^程線

2 試驗結(jié)果及影響因素分析

2.1錨鏈相對拖地系數(shù)與相對寬度對錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

圖3和圖4為兩種不同入射波高作用下，四種不同錨鏈相對拖地系數(shù)的模型迎浪面受力和背浪面錨鏈?zhǔn)芰εc相對寬度的關(guān)系.對應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ蜑楸?中的model 1～model 4.由圖3可以看出，入射波高為7 cm時各模型迎浪面錨鏈?zhǔn)芰﹄S相對寬度的增大而變化的規(guī)律不完全相同.其中錨鏈相對拖地系數(shù)為0.00的model 4的迎浪面錨鏈?zhǔn)芰﹄S著相對寬度的增大而減小;而相對拖地系數(shù)不為0的model 1～model 3的迎浪面錨鏈?zhǔn)芰t隨著相對寬度的增加先增加而后略有減小.比較四個模型的迎浪面錨鏈?zhǔn)芰?，錨鏈相對拖地系數(shù)越大，迎浪面錨鏈?zhǔn)芰υ叫?這是由于錨鏈相對拖地系數(shù)越小，錨鏈對上部浮體的約束就越大，因此迎浪面錨鏈?zhǔn)芰驮酱?入射波高為10 cm時，不同錨鏈相對拖地系數(shù)模型的迎浪面錨鏈?zhǔn)芰S著相對寬度的增大而減小，且錨鏈相對拖地系數(shù)越小迎浪面錨鏈?zhǔn)芰υ酱?圖4中模型的背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ脑囼灲Y(jié)果的規(guī)律與迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ囊?guī)律是一致，只是在數(shù)值上要小于迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ脑囼灲Y(jié)果.另外，試驗結(jié)果顯示相對拖地系數(shù)不為0的三個模型的錨鏈?zhǔn)芰εc入射波波高之間屬于非線性的關(guān)系.

圖3 相對拖地系數(shù)與相對寬度對迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

圖4 相對拖地系數(shù)與相對寬度對背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

2.2錨鏈剛度系數(shù)與相對寬度對錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

不同入射波高作用下，錨鏈剛度系數(shù)不同對迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰τ绊懙慕Y(jié)果如圖5和圖6所示.對應(yīng)的模型為model 4～model 6.如圖5所示，迎浪面錨鏈?zhǔn)芰﹄S相對寬度的增大而減小，即入射波浪的波長越長，迎浪面錨鏈?zhǔn)芰υ酱?另外，迎浪面錨鏈?zhǔn)芰﹄S錨鏈剛度系數(shù)的增加而增大.這是因為在這組試驗中錨鏈的拖地長度均為零，因而模型只要有一定的運動量錨鏈基本就處于張緊狀態(tài)，此時用來模擬剛度的彈簧段就會產(chǎn)生拉伸變形，而彈簧鋼度越大，則要使其拉伸所用的力就越大.所以錨鏈剛度越大，錨鏈?zhǔn)芰驮酱?不同入射波高作用下，錨鏈?zhǔn)芰ψ兓?guī)律基本相同;單位波高作用下錨鏈?zhǔn)芰Υ笮〔顒e不大.如圖6所示，背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ闹稻∮谟嗣驽^鏈?zhǔn)芰Φ闹?，特別是入射波高為7 cm在相對寬度為0.30處，背浪面錨鏈?zhǔn)芰缀鯙?.總的來看，錨鏈?zhǔn)芰Φ脑囼灲Y(jié)果受錨鏈剛度系數(shù)變化的影響較大.

圖5 錨鏈剛度系數(shù)與相對寬度對迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

圖6 錨鏈剛度系數(shù)與相對寬度對背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

2.3導(dǎo)鏈孔傾角與相對寬度對錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

圖7和圖8為不同導(dǎo)鏈孔處傾角的浮箱式浮防波堤模型的相對寬度與迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰﹃P(guān)系的試驗結(jié)果.對應(yīng)的模型為model 4、model 7和model 8.

圖7 導(dǎo)鏈孔處傾角與相對寬度對迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

圖8 導(dǎo)鏈孔處傾角與相對寬度對背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?/p>

如圖7所示，不同導(dǎo)鏈孔處傾角的模型迎浪面錨鏈?zhǔn)芰S相對寬度的增加而減小.不同入射波高作用下，迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Σ顒e較小，這說明模型的錨鏈?zhǔn)芰εc入射波高的關(guān)系基本為線性關(guān)系.比較不同的導(dǎo)鏈孔處傾角的模型迎浪面錨鏈?zhǔn)芰?入射波高為7cm時，在相對寬度較小即入射波浪周期大時且導(dǎo)鏈孔處傾角60°時迎浪面錨鏈?zhǔn)芰ψ畲?，?dǎo)鏈孔處傾角為45°的迎浪面錨鏈?zhǔn)芰Υ沃?，?dǎo)鏈孔處傾角為30°的模型迎浪面錨鏈?zhǔn)芰ψ钚?而當(dāng)相對寬度大于0.20以后，導(dǎo)鏈孔處傾角為30°的模型迎浪面錨鏈?zhǔn)芰樽畲?，但三者相差并不算?入射波高為10cm時三個模型的迎浪面錨鏈?zhǔn)芰ο嗖詈苄?由圖8可以看出，model 4、model 7和model 8的背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ脑囼灲Y(jié)果的變化規(guī)律與迎浪面錨鏈?zhǔn)芰ο嗨?

3 結(jié)論

本文通過物理模型試驗系統(tǒng)地研究了浮箱式浮防波堤的錨泊系統(tǒng)受力及其影響因素，主要結(jié)論如下:

( 1)改變錨鏈相對拖地系數(shù)、錨鏈剛度系數(shù)以及導(dǎo)鏈孔處傾角均對迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰Ξa(chǎn)生不同程度的影響，其中改變錨鏈相對拖地系數(shù)和錨鏈剛度系數(shù)對于模型的錨鏈?zhǔn)芰τ绊懽顬槊黠@.錨鏈相對拖地系數(shù)越大，迎浪面錨鏈?zhǔn)芰υ叫?這是由于錨鏈相對拖地系數(shù)越小，錨鏈對上部浮體的約束就越大，因此迎浪面錨鏈?zhǔn)芰驮酱?另外，相對拖地系數(shù)不為0.00的模型，錨鏈?zhǔn)芰εc入射波波高之間為非線性關(guān)系.因此在工程應(yīng)用中應(yīng)充分考慮錨鏈剛度和拖地長度因素;

( 2)浮箱式浮防波堤的迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ臍v時曲線顯示:迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰Φ姆逯凳墙惶娉霈F(xiàn)的.而相對拖地系數(shù)為0.00的model 4和model 7，迎浪面、背浪面錨鏈?zhǔn)芰r間曲線的峰值均勻;

( 3)迎浪面的錨鏈?zhǔn)芰笥诒忱嗣娴腻^鏈?zhǔn)芰?，因此在工程?yīng)用中錨鏈的選取應(yīng)以迎浪面受力為設(shè)計依據(jù).

［1］王永學(xué)，王國玉.近岸浮式防波堤結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展與工程應(yīng)用: 2002年度海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集［C］.南昌:中國造船工程學(xué)會學(xué)報，2002: 314-321.

［2］毛偉清.浮式防波堤的研究［J］.中國造船，1994，127: 49-56.

［3］連云港建成我國首條浮式防波堤海面可變“良田”［EB/OL］.［2002-09-13］http: / /news.sina.com.cn/c/ 2002-09-03/1315704178.html.

［4］王振宇，張彪，劉國華.浮式海洋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和前景［J］.中國海洋平臺，2009，24( 1) : 10-14.

［5］李芬，鄒早建.浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2003，27( 5) : 682-686.

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［11］盛祖蔭，孫龍.掩護(hù)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的浮式防波堤的消浪特性［J］.中國水產(chǎn)科學(xué)，2001，8( 4) : 70-72.

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下期待發(fā)表文章摘要預(yù)報

Experimental Study on the Mooring Chain Forces of Pontoon Type Floating Breakwaters

DONG Huayang1，2，WANG Yongxue2，CHEN Yanzhen1
( 1.Dalian Marine Environmental Monitoring Central Station，SOA，Dalian 116001，China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

In this paper，the two-dimensional physical experimental study on the mooring chains forces of rectangular pontoon type floating breakwaters are carried out in regular beam waves.The influences of relative drag coefficient of mooring chain，mooring chain stiffness，angle at anchor point and relative width on mooring chain forces are investigated.The experimental results demonstrate that mooring chain stiffness，relative drag coefficient of mooring chain and relative width have large effect on mooring chain forces.The research result may serve as reference for mooring chain restrained pontoon floating breakwaters in the engineering practice.

floating breakwater; mooring forces;physical experiment

A

1673-9590( 2016) 01-0025-06

2015-04-16

董華洋( 1979－)，女，工程師，博士，主要從事治上防災(zāi)減災(zāi)的研究

E-mail: dhy791224@ sina.com.