深水柔性浮式防波堤的消浪機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(武漢紡織大學(xué) 湖北 武漢 430200)

海浪是海洋中一種常見的波動(dòng)現(xiàn)象，主要可分為風(fēng)浪、涌浪和近岸浪三種，一般把海浪分成 0-9 等級(jí)，一般在 5 級(jí)以上的海浪會(huì)對(duì)海上工程作業(yè)產(chǎn)生很大的影響，等級(jí)大的海浪會(huì)威脅作業(yè)人員的生命安全，因此為提高海上施工效率，可以預(yù)先在惡劣海況下的施工平臺(tái)周圍鋪設(shè)浮式防波堤進(jìn)行防護(hù)，創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)安全穩(wěn)定的工作環(huán)境。

同時(shí)，浮式防波堤相對(duì)于傳統(tǒng)的坐底式防波堤有很多優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的坐底固定式防波堤隨著水深的增加施工周期漫長(zhǎng)，技術(shù)難度大，造價(jià)高昂，限制了區(qū)域水體的循環(huán)易造成污染；并且根據(jù)對(duì)波浪相關(guān)理論的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究表明：水體運(yùn)動(dòng)中波浪的能量基本集中在表層水體，即在水面以下2到3倍波高的水深范圍以內(nèi)集中了90%～98%的波浪能量，故傳統(tǒng)坐底固定式防波堤材料的使用與波能分布規(guī)律完全不適應(yīng)。而浮式防波堤造價(jià)低廉，鋪設(shè)方便，不影響水體的循環(huán)與交換節(jié)能又環(huán)保，是未來防波堤的正確發(fā)展方向。

一、深水浮式防波堤總體設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

(一)浮式防波堤的消浪機(jī)理

評(píng)估浮式防波堤消浪效果的一個(gè)重要指標(biāo)是其透射系數(shù)。浮式防波堤堤身的結(jié)構(gòu)形式是影響消浪效果的重要因素，不同浮體結(jié)構(gòu)形式的浮式防波堤其消浪機(jī)理也有所不同，歸納起來其消浪機(jī)理主要與以下四種因素有關(guān)[1]：

1.波能反射：堤身浮體結(jié)構(gòu)將部分入射波能量反射到外海，防波堤的相對(duì)入水深度是影響消浪效果的重要參數(shù)。

2.波列間的干涉消能：入射波的頻率與消浪浮體本身興起波浪的頻率不同，在特定條件下可以產(chǎn)生部分消能。

3.紊動(dòng)消能：水體與消波浮體間相互摩擦，碰撞從而產(chǎn)生部分消能。

4.波浪力做功：波浪力作用于消波浮體，使浮體發(fā)生位移或者變形而耗能。

(二)浮式防波堤的主要結(jié)構(gòu)型式

1.浮箱式防波堤：其消波浮體由一個(gè)或者多個(gè)剛性的浮箱組成，主要利用有一定吃水深度的箱體來反射入射波波能來消波，波浪與堤體運(yùn)動(dòng)之間的相位差也能對(duì)波浪的傳輸產(chǎn)生一定的抑制和衰減作用。

2.浮筒式防波堤：消波浮體結(jié)構(gòu)多為圓筒形框架式結(jié)構(gòu)，浮筒式防波堤的材料和消波機(jī)理與浮箱式防波堤很相似，但其吸收入射波波能量的能力較浮箱式防波堤略強(qiáng)。

3.浮筏式防波堤：其消波浮體多為帶孔的平板結(jié)構(gòu)，其堤身吃水較小，反射波能的能力較小，結(jié)構(gòu)尺度在波浪傳播方向上較長(zhǎng)，主要利用抑制波能水質(zhì)點(diǎn)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)速度來達(dá)到消浪效果，紊動(dòng)消除波能的能力較強(qiáng)。

4.其他形式的浮式防波堤：如垂簾式浮式防波堤[2]，其浮體主要是由柔性繩索串接起來的六棱柱浮塊構(gòu)成的阻尼結(jié)構(gòu)，再通過鋼架與錨鏈系統(tǒng)鏈接到水底，吃水深度較大，已有物理模型試驗(yàn)證明此種浮式防波堤對(duì)長(zhǎng)、短周期的波浪都有較好的消浪效果。再如一種應(yīng)急型浮式防波堤[3]，其堤身由三根三塊120°板片組裝成的消浪管、帶快速鎖扣的緊固架和自充氣氣囊組成，通過通孔結(jié)構(gòu)造成水流流速的減慢，進(jìn)而使得各個(gè)方向上的水流的流動(dòng)方向發(fā)生改變，影響波浪以及水流的傳播，從而實(shí)現(xiàn)消減波浪的效果。

二、深水柔性浮式防波堤的浮體設(shè)計(jì)

(一)防浪浮體的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

此新型柔性浮式防波堤的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)水囊，形狀為：兩端是半球體，中間為柱體，設(shè)計(jì)的囊體總長(zhǎng)為 120m，半球體的直徑為 3m。投入使用時(shí)，利用數(shù)量不等的囊體連接組合而成的結(jié)構(gòu)形式來增強(qiáng)消波性能，囊體的材料采用交織聚脂纖維雙面PVC(聚氯乙烯)涂層專用氣艇布，抗拉強(qiáng)度 53.4kN，抗寒零下 30 攝氏度，抗熱零上70攝氏度。本文借鑒了之前研究學(xué)者相關(guān)的模擬模型試驗(yàn)結(jié)果，并綜合其模型結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出滿足本文需要的柔性防浪浮體結(jié)構(gòu)。

(二)堤身浮體中提供浮力的囊體與注水囊體的結(jié)構(gòu)形式

浮力囊結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-1所示

圖 2-1 浮力囊結(jié)構(gòu)示意圖

水囊結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-2 所示。

圖 2-2 單個(gè)水囊結(jié)構(gòu)示意圖

水囊采用“分倉(cāng)式”結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計(jì)，是為了防止囊體因密封性變差或者受到海水沖擊、漂浮物劃破等情況，無法提供水壓保持剛度而無法工作。“分倉(cāng)式”結(jié)構(gòu)相較于“通倉(cāng)式”結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)其中某一個(gè)倉(cāng)室遭到損壞時(shí)，不至于整個(gè)水囊失壓而無法工作，它任然會(huì)有 2/3 的部分可以繼續(xù)正常工作?？紤]到水囊 的密封性能會(huì)隨著連接部分的增多而變差，故設(shè)計(jì)水囊一共分為 3 個(gè)倉(cāng)，每個(gè)倉(cāng)長(zhǎng) 40m。

(三)防浪浮體的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)防浪最大等級(jí)為5級(jí)，查資料得5級(jí)風(fēng)浪對(duì)應(yīng)的波高最大為4m,可算得其浪的振幅為2m,浮力囊直徑為3m(>2m),故堤身在投入使用時(shí)可以滿足防止大量越浪的出現(xiàn)。再根據(jù)已有關(guān)于波浪的理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水體在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的波浪，其能量基本都集中在表層水體，即在水面以下2倍至 3倍波高的水深范圍內(nèi)集中了 90%～98%的波浪能[2]，因此防浪浮體的組合結(jié)構(gòu)整體高度可設(shè)計(jì)為12m。應(yīng)對(duì)5級(jí)浪，其防浪浮體組合結(jié)構(gòu)斷面形式如圖：

(四)防浪浮體中囊體間的連接結(jié)構(gòu)方式

該連接方案是由于其囊體自身的結(jié)構(gòu)所決定的，其囊體結(jié)構(gòu)被一種網(wǎng)兜狀的“夾克”所包裹住，用來抵抗主水囊結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓力，同時(shí)也可以增強(qiáng)主水囊結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度。這種“夾克”應(yīng)該由橫向和縱向編織帶(也稱吊帶)相互編織而成，橫向吊帶與縱向吊帶相交形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)丁，四個(gè)節(jié)點(diǎn) 補(bǔ)丁可以形成兩條相互交錯(cuò)的吊帶，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

“夾克”結(jié)構(gòu)示意圖

浮體中囊體與囊體之間通過卸扣，環(huán)眼和纜繩相連接，如圖所示

(五)防波堤錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的浮式防波堤按正對(duì)波浪入射方向布置，防波堤在波浪作用下會(huì)出現(xiàn)橫向振蕩和垂向振蕩，同時(shí)還伴有微小幅度的縱向振蕩。但是，由于防波堤的橫向振蕩是最為劇烈的，也是對(duì)防波堤定位影響最大的因素，因此，在設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)，錨泊系統(tǒng)要針對(duì)橫蕩運(yùn)動(dòng)來設(shè)計(jì)。

為了保證浮式防波堤橫蕩運(yùn)動(dòng)不出現(xiàn)大幅度的運(yùn)動(dòng)，在結(jié)構(gòu)的周圍布置20根錨鏈，分成兩組分布于囊體的兩側(cè)，在一側(cè)中第一個(gè)錨鏈與最后一根錨鏈距離端部只有15m，還有兩根錨鏈以30m的距離均勻分布，兩側(cè)的錨鏈對(duì)稱布置?？紤]到浮式防波堤的小幅度縱蕩運(yùn)動(dòng)，且整體結(jié)構(gòu)較大，于是在兩端各布置4個(gè)錨鏈，其整體分布圖如下圖：

整體與斷面結(jié)構(gòu)錨鏈分布

在浮堤的端面時(shí)，將 5 個(gè)囊體分為一組，一共有 4 組，將每組的 5 個(gè)囊體連 接在一起，形成一個(gè)連接點(diǎn)，然后在將這個(gè)連接點(diǎn)與 1 個(gè)錨鏈相連，其端面連接圖如下圖所示。

端面錨鏈布置

三、新型結(jié)構(gòu)的消浪機(jī)理

整個(gè)防波堤斷面結(jié)構(gòu)的吃水深度和堤身的寬度都比較大大，那么其消浪的效果也會(huì)很好。當(dāng)波浪沖擊到浮堤上時(shí)，一部分的波能會(huì)被堤身結(jié)構(gòu)所吸收而產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，而且采用彈性錨定的方式也能吸收部分能量，能很大程度上消耗波能，中間的兩個(gè)囊體能將波浪破碎從而導(dǎo)致水流流向各個(gè)方向，使水體與囊體相互作用形成碰撞、摩擦和繞流，破壞了原來波浪質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂的紊動(dòng)而達(dá)到消能目的；另一部分的波能被囊體給反射回去，與隨著而來的波能相互抵消。整個(gè)結(jié)構(gòu)和波浪的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相位差，而相位差對(duì)波浪的傳遞起到一定的衰減和抑制的作用。

四、研究與展望

本文通過分析現(xiàn)有的一些浮式防波堤物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)計(jì)了一種滿足要求的新型柔性浮式防波堤結(jié)構(gòu)，但是其中也有許多需要完善的地方：

1.在檢索現(xiàn)有的防波堤模型時(shí)，其試驗(yàn)都是在室內(nèi)水槽中進(jìn)行的，上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的優(yōu)化改進(jìn)空間，下一步也可以在造波水槽中進(jìn)行試驗(yàn)研究，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.囊體采用的是滌綸纖維等材料，長(zhǎng)期使用的話應(yīng)該要考慮長(zhǎng)期的日照、海水的腐蝕和波浪沖擊作用下的老化磨損，尋找一種更加抗磨損，抗腐蝕的材料。

3.現(xiàn)有的防波堤消浪的過程，都是將海浪的波能損耗，以熱量的形式散發(fā)，未來的設(shè)計(jì)可在吸收能量的同時(shí)能夠?qū)⑵鋬?chǔ)存利用，這是一個(gè)很有意義值得探究的研究發(fā)展方向。