梳式防波提研究綜述

◎丁潔 王浩宇 王杰群 顧志芳 桂勁松 大連海洋大學(xué) 通訊作者：桂勁松

1.引言

防波堤是防御波浪入侵的重要水工建筑物。其能夠保證港內(nèi)具有良好的掩護(hù)條件，使船舶可以進(jìn)行安全停泊、作業(yè)等工作。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，海岸資源開(kāi)發(fā)飽和，港口建設(shè)越發(fā)需要向更深的水域發(fā)展，因此，防波堤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、功能的創(chuàng)新引起了高度的重視，對(duì)于新型的防波堤研究日益成為熱點(diǎn)問(wèn)題。

通過(guò)在中國(guó)知網(wǎng)上以關(guān)鍵詞“梳式防波堤”進(jìn)行檢索，檢索到期刊類(lèi)論文25篇，碩博畢業(yè)論文4篇，國(guó)內(nèi)會(huì)議論文4篇，外文文獻(xiàn)2篇，主要是通過(guò)物理模型、數(shù)學(xué)模型等方法探究防波堤的結(jié)構(gòu)等對(duì)防波堤透射與反射效果的影響等。本研究旨在梳理梳式防波堤近年來(lái)在結(jié)構(gòu)和功能上的研究進(jìn)展，指出其研究的不足之處，以期今后進(jìn)行更深入的研究。

2.相關(guān)研究綜述

梳式防波堤作為新型防波堤結(jié)構(gòu)，其每個(gè)結(jié)構(gòu)單元主要由：沉箱主體、沉箱兩側(cè)翼板、沉箱上部胸墻三部分組成。此結(jié)構(gòu)最早在大連大窯灣得到應(yīng)用，后在大連松木島港區(qū)應(yīng)用。共節(jié)省工程投資24.5%（6435萬(wàn)元），減小波浪力27%～38%。相比于傳統(tǒng)沉箱具有更加良好的水力學(xué)特性。本文將沿著梳式防波堤的結(jié)構(gòu)性能、水力學(xué)特性、翼板結(jié)構(gòu)功能等方面對(duì)已有研究進(jìn)行梳理。

2.1 梳式防波堤結(jié)構(gòu)性能

梳式防波堤是以沉箱翼板代之適當(dāng)比例的主體沉箱，使其擁有獨(dú)特梳齒狀結(jié)構(gòu)。李玉成等對(duì)梳式防波堤基本構(gòu)造進(jìn)行分析，認(rèn)為翼板與沉箱前后壁間相位差、翼板不接觸海底而形成的透空使波浪力減?。灰戆宕娉料錅p小自重，降低基床所受應(yīng)力。朱浩等總結(jié)了梳式防波堤的功能和掩護(hù)效果，得出波浪能集中在水體表層2～3倍波高的水深范圍內(nèi)，根據(jù)波浪力相位差原理分析了其消能、透流的特點(diǎn)，并且數(shù)值計(jì)算在結(jié)構(gòu)減少自重的情況下仍滿足抗傾抗滑穩(wěn)定性要求，論證了結(jié)構(gòu)掩護(hù)效果良好。朱大同率先提出提出梳狀防波堤的消波和聚能機(jī)理，指出其主要依賴(lài)于前后壁相位差削減波浪反射系數(shù)與波浪力，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出其總波浪力折減系數(shù)可達(dá)30%。牛恩宗等總結(jié)大連港大窯灣的工程自然條件，并進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn)研究波要素對(duì)其影響，論證了施工的可行性，提出此結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)，并論證該結(jié)構(gòu)的掩護(hù)效果良好。

2.2 梳式防波堤水力學(xué)特性

梳式防波堤的水力學(xué)特性主要體現(xiàn)在波浪的反射、防波堤透浪特性、防波堤消浪性能等。已有研究大多通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行直觀研究，有些研究通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行有限元分析等方法進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出相關(guān)水力學(xué)要素對(duì)梳式防波堤作用的數(shù)學(xué)公式。李玉成等通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)，給出了不同波浪情況下單寬波浪力折減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值和波浪反射系數(shù)相關(guān)性方程。朱大同填補(bǔ)了理論解析公式的空白，用阻抗分析的方法推導(dǎo)出波浪反射系數(shù)近似計(jì)算公式，但需要再進(jìn)一步檢驗(yàn)與修正。房卓等采用物理模型的方法對(duì)不規(guī)則波作用下非透空式梳式防波堤表面壓強(qiáng)分布規(guī)律以及工程危險(xiǎn)水位進(jìn)行了分析總結(jié)。房卓利用源函數(shù)造波方法建立三維數(shù)值波浪水槽，通過(guò)數(shù)值模擬分析波浪對(duì)梳式防波堤的相互作用并與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證并且通過(guò)數(shù)值模擬得到透浪系數(shù)的一組經(jīng)驗(yàn)公式。朱洋立等使用ANSYS軟件建立梳式防波堤的有限元模型，利用波浪譜產(chǎn)生隨機(jī)波浪荷載作用于防波堤并分析其受力特點(diǎn)，相比于靜力分析更加貼合工程實(shí)際，對(duì)其動(dòng)力影響機(jī)制具有一定的啟示，但計(jì)算機(jī)軟件忽略了非線性影響因素，與實(shí)際有一定誤差。趙軍通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比了在不同水深下梳式、扶壁式、開(kāi)孔沉箱式三者的透射性能。王心玉等利用數(shù)值模擬的方法，計(jì)算得到梳式防波堤反射、透射系數(shù)并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果正確性，得出相對(duì)梳齒寬度、沉箱和翼板長(zhǎng)度影響反射和透射系數(shù)。國(guó)內(nèi)梳式防波堤結(jié)構(gòu)新穎且實(shí)際工程應(yīng)用較少，多數(shù)實(shí)驗(yàn)通過(guò)物理模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行研究，總結(jié)出影響其透射、反射的因素，并給出經(jīng)驗(yàn)公式。但目前所總結(jié)的公式都為近似公式，尚未總結(jié)出通用性較強(qiáng)、精確性高的公式。

2.3 翼板結(jié)構(gòu)功能

梳式防波堤作為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的新型防波堤，其通過(guò)控制翼板與海底距離，可形成非透空或透空式梳式防波堤。翼板結(jié)構(gòu)對(duì)反射、透射、透流等水力學(xué)性能起到關(guān)鍵性作用。王清湘等依托物理模型實(shí)驗(yàn)、有限元法分析翼板的靜力學(xué)特性、在波浪力作用下的受力分布，并對(duì)其進(jìn)行配筋，對(duì)工程設(shè)計(jì)提供了參考。李玉成等從結(jié)構(gòu)作用機(jī)制總結(jié)翼板位置、寬度可減小結(jié)構(gòu)所受波浪力，翼板位置與波長(zhǎng)之比影響波浪反射系數(shù)；透空式形成透浪，減小總體波浪力。房卓等為減小非透空梳式防波堤翼板上部波浪壓強(qiáng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并得出采用工字體擋板結(jié)構(gòu)可有效減小翼板上部最大壓強(qiáng)和堤前波浪反射。房卓等通過(guò)數(shù)值計(jì)算得透射性能隨翼板與前墻距離之比的增加呈拋物線變化，隨翼板開(kāi)口高度增加而線性增加。李世強(qiáng)等基于大連松木島港區(qū)計(jì)算得梳式防波堤由于翼板作用，可減小墻前波浪力、墻后土壓力，減小基床頂最大應(yīng)力。王心玉等通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析得反射、透射系數(shù)隨翼板高度和長(zhǎng)度的增大變化明顯。

波浪能作為清潔能源，不少專(zhuān)家學(xué)者著手研究將波浪能裝置與海岸水工建筑物相結(jié)合。范亞寧等總結(jié)國(guó)內(nèi)外多功能型波浪能裝置的結(jié)構(gòu)類(lèi)型并進(jìn)行分類(lèi)。彭偉等提出一種結(jié)合防波堤的振蕩搖擺式波浪能裝置，并通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其波浪能轉(zhuǎn)化效率。由此設(shè)想可將梳式防波堤的翼板進(jìn)行改設(shè)計(jì)為搖擺式，結(jié)合波浪能進(jìn)行發(fā)電，此改進(jìn)還有待進(jìn)一步研究。

3.總結(jié)與展望

（1）梳式防波堤結(jié)構(gòu)。梳式防波堤作為一種新型的直立堤，結(jié)構(gòu)的改變使防波堤減小自重，降低基床所受應(yīng)力；翼板與沉箱主體的相位差削減了波浪力，翼板距海底的距離可控，形成透流或非透流結(jié)構(gòu)，透流結(jié)構(gòu)可使堤前波浪從立波變?yōu)椴煌耆⒉?，削減波浪力。但作為直立堤的一種，結(jié)構(gòu)破壞后修復(fù)困難，在結(jié)構(gòu)安全性等方面研究較少。

（2）梳式防波堤水力學(xué)特性。主要研究波浪的反射、透射及消浪性能。目前研究多采用物理模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，尚未總結(jié)出通用性較強(qiáng)、精確性高的公式。由于梳式防波堤是新型結(jié)構(gòu)，其水力學(xué)性能與傳統(tǒng)防波堤相差甚遠(yuǎn)，目前國(guó)內(nèi)并未出臺(tái)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算理論需要進(jìn)一步完善。

梳式防波堤翼板。翼板的研究主要集中于規(guī)則波、不規(guī)則波作用下自身受力分布并進(jìn)行配筋計(jì)算以及分析翼板在梳式防波堤整體結(jié)構(gòu)中的透浪、消能、反射等方面起到的作用。已有學(xué)者研究將波浪能裝置與海岸水工建筑物相結(jié)合，翼板作為新結(jié)構(gòu)與波浪能新能源的結(jié)合十分有意義，有待進(jìn)一步深入研究。