浮式防波堤形狀對擋浪消波效果的影響分析

◎ 張騰飛 南通高等研究院有限公司

張浩 中設科欣設計集團有限公司南京港航工程分公司

孫雷 中交四航工程研究院有限公司

1.引言

隨著工程建設和海洋資源開發(fā)不斷拓展，工程建設向遠海化、深水化方向發(fā)展趨勢明顯；加之21世紀海上絲綢之路的建設，港口及近岸工程施工遇到海況條件更為復雜。港口、碼頭和防波堤作為主要的近岸水工建筑物為海洋運輸提供了良好的平臺，防波堤作為一種典型的消浪結構，起到了抵擋外海波浪入侵，保護港域內(nèi)波浪平穩(wěn)、船舶安全作業(yè)的作用。相較于傳統(tǒng)的重力式防波堤，浮式防波堤的提出為海洋工程的初期建設提供了經(jīng)濟有效的臨時掩護，具有受水深及海床條件的影響較小、環(huán)境友好、海水交換能力強、受潮汐變化影響小等優(yōu)點。

王永學和王國玉系統(tǒng)地介紹了近幾十年來國內(nèi)外浮式防波堤結構的研究進展與工程應用情況。討論了浮箱式、浮簡式、浮筏式等類型的浮式防波堤結構的消浪性能，波浪反射與透射系數(shù)的計算方法，相對寬度、相對水深、波陡等參數(shù)對浮式防波堤結構透射系數(shù)的影響，分析了目前限制浮式防波堤結構實際工程應用的主要困難。宋憲倉和王樹青考慮了方箱型、π型、方箱-水平板型、Y-型和A-frame型等浮式防波堤結構，利用Flow3D軟件數(shù)值計算了在相似條件下消波性能，結果表明，Y-型的性能最優(yōu)，方箱型性能最差，其他三種結構介于兩者之間。姚國權等提出了幾種經(jīng)過改進的矩形浮式防波堤進行了規(guī)則波試驗，比較了不同矩形浮式防波堤和不同于弦高度與吃水，選出了浮堤的最佳結構形式。侯勇等通過物理模型實驗研究了規(guī)則波作用下矩形浮箱式浮防波堤的運動特性和錨鏈受力特性，并探討了浮箱相對寬度、錨鏈剛度、導鏈孔處錨鏈與水平線夾角等因素的影響。何超勇等通過物理模型試驗，探討矩形方箱錨鏈錨泊浮式防波堤透射系數(shù)隨浮箱寬度，吃水深度，錨鏈初始張力等因素的變化規(guī)律，研究結果表明，增大浮箱的寬度和吃水深度,可以減小透射系數(shù)；增加錨鏈的初始張力,可以限制浮箱運動,減小透射系數(shù)。丁寧等針對V形浮式防波堤設計和結構分析中波浪力(矩)的確定問題,分析了在規(guī)則波作用下防波堤濕表面的動壓力及幅值分布規(guī)律，基于三維線性頻域勢流理論并考慮繞射作用，利用邊界元法通過計算有限水深格林函數(shù)，求解了防波堤周圍流場的速度勢，根據(jù)流場速度勢由線性伯努利方程確定了動壓力，沿防波堤濕表面數(shù)值計算了規(guī)則波作用下動壓力及其幅值的分布。程建生等數(shù)值結果給出了不同入射波波長及防波堤不同垂向沉深時防波堤周圍波幅的等高線圖，認為圓弧型浮式防波堤的防浪效果與入射波波長和防波堤的垂向沉深密切相關，給出了圓弧型浮式防波堤防浪效果計算的解析方法。陳誠等基于三維勢流理論，通過使用Ansys AQWA對多體浮式防波堤在不同入射角和浮筒吃水深度下的消波效果展開研究，結果表明，多浮筒浮式防波堤能夠最大程度地消減波浪，透射系數(shù)隨吃水深度的增加而不斷減小，實際工程中應盡量保證浮式防波堤的迎浪面與波浪的來波方向垂直。仇正中等開展了針對圓柱形柔性浮式防波堤的試驗研究，分析其在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的消浪特性，通過大量水槽試驗給出了圓柱形柔性浮式防波堤透射系數(shù),反射系數(shù),衰減系數(shù)與錨固方式,試驗水深,相對寬度的變化關系。陳翔自主設計了三種不同構型的浮式防波堤,對其水動力性能與消波性能展開了研究，通過對比主尺度相同但構型不同的三種浮式防波堤,研究不同構型對消波性能和水動力性能的影響,得到較優(yōu)的構型設計。

圖1 入射波示意圖

本研究擬探究典型海況下一字型、V字型、半圓型防波堤和半框型浮式防波堤的擋浪效果，使用勢流理論，考慮入射波、繞射波和反射波的作用，對提出的4種典型形狀浮式防波堤的擋浪效果進行對比分析，并討論不同波浪周期下浮式防波堤的擋浪適應性。

2.數(shù)學方程

在微幅波假設的基礎上，通過對控制方程及邊界條件進行線性化處理，可以對結構物在自由液面上的運動流場中的速度勢(,,,)進行求解。對于不可壓縮的理想流體，在無旋場中，速度勢滿足拉普拉斯方程：

勢函數(shù)根據(jù)浮體運動可以劃分為入射波勢、衍射勢和散射勢，具體的效應產(chǎn)生的力可由對應波勢進行計算：

（1）浮體受到波列的作用問題，作用在浮體上的波浪力可以考慮為波浪激發(fā)的力，通?？梢苑譃閮刹糠郑現(xiàn)-K力和繞射力。

（2）浮體運動對波勢的影響，浮體的運動將會使得流體作用在浮體上產(chǎn)生輻射波應力，這些力將會用附加質(zhì)量和波浪阻尼系數(shù)來表示。

考慮衍射輻射的一階波浪力的勢函數(shù)可寫為：

式中：φ為入射波勢，φ為衍射波勢，φ為j自由度運動產(chǎn)生的波勢，x為j自由度運動，為入射波頻率。

無擾動三維入射波勢可以表示為

式中：d為水深，k為波數(shù)，為波浪入射角（與x軸夾角）。

當勢函數(shù)求解出來后，一階水動壓力分布可根據(jù)線性伯努利方程求解

式中：F為j自由度運動激發(fā)的力，為表面法向量，為浮體濕表面。

波浪對浮體產(chǎn)生的力（入射力）可表示為下面兩部分：

由運動產(chǎn)生的輻射力可表示為：

根據(jù)以上所述，綜合上述的各類波浪力，可得到浮體在頻域下的一階運動方程，即浮體在波浪下的的響應：

其中，M(s)為結構質(zhì)量矩陣，M(a)為水動力附加質(zhì)量矩陣，C為系統(tǒng)線性阻尼矩陣，K(s)為系統(tǒng)總剛度矩陣，F(xiàn)為系統(tǒng)所受的波浪力（單位波高），X為幅值響應算子。

3.數(shù)值分析

3.1 坐標系

基于三維勢流理論和切片理論，采用右手笛卡爾坐標系來定義系統(tǒng)：空間固定坐標系o-xyz，空間坐標系的原點固定于未擾動的靜水面上，ox指向浮體首向，oy指向浮體左舷，oz垂直向上?？臻g固定坐標系用以引入入射波，入射波的浪向設置為-180°～180°，浪向角定義為來波方向與x軸逆時針方向的夾角，180°浪向為迎浪、135°浪向為首斜浪、90°浪向為橫浪。

3.2 模型參數(shù)

為探究典型海況下不同形狀浮式防波堤的擋浪消波效果，分別提出一字型、V字型、半圓型和半框型四種結構形式浮式防波堤，其擋浪寬度和長度相同，討論不同結構形式浮式防波堤在同一波浪條件下（波高和周期）的擋浪消波特性。

四種形式浮式防波堤的直徑取8m，吃水均為6m，一字型浮式防波堤長度（迎浪面寬度）為80m；V字型浮式防波堤的夾角為60°、單邊邊長為80m；半圓型浮式防波堤的直徑為80m；半框型浮式防波堤的迎浪面寬度為80m、兩短邊均為40m，各模型的形狀和坐標系如圖2所示。

3.3 水動力建模

海洋工程勢流分析軟件ANSYS AQWA是基于三維勢流理論開發(fā)，是一套集成模塊，因其僅在結構與水體的接觸面進行離散，計算總未知數(shù)相對較少，求解效率很高，可以方便地對各種施工工況進行組合，非常適用于工程計算?；谠搩?yōu)勢，利用海洋工程浮體分析軟件AQWA分別對四種結構形式浮式防波堤進行水動力建模和分析。依據(jù)四種結構形式浮式防波堤的尺寸，建立各型浮式防波堤的三維結構模型（如圖2所示）。

圖2 四種浮式防波堤浪的形狀

依據(jù)三維結構模型形成面模型，并以水線面為界面劃分水上和水下兩部分，將其水上和水下兩部分按網(wǎng)格單元最大長度1m、特征容差0.5m的規(guī)格劃分網(wǎng)格，四種防波堤分別生成6210、11555、9296和6210個面網(wǎng)格，并設置對應的防波堤質(zhì)量、重心和轉(zhuǎn)動慣量，獲得各類浮式防波堤的水動力模型如圖3示。

圖3 四種浮式防波堤浪的網(wǎng)格劃分

3.4 數(shù)值求解

在AQWA中添加外部環(huán)境的水深20m、海水密度1025kg/m、重力加速度為9.806m/s，以及三維水動力模型的質(zhì)心、質(zhì)量點、慣性半徑，由AQWA自動控制計算水動力模型的重量和慣性質(zhì)量。取波浪周期分別為5s～20s（共計16個周期）；波浪遭遇角分別為0°。分析四種防波堤分別擋浪時海面波幅和擋浪效果。

4.結果分析

4.1 評估指標

采用消波效率對浮式防波堤的消波效果進行評估，消波效率按下式進行計算。透射波高越小，消波效率越高，其擋浪消波能力就越好。

式中，H為透射波高；H為入射波高。本研究中，透射波高和入射波高均為浮式防波堤前后特定位置的波幅。

4.2 結果分析

考慮入射波、繞射波和反射波的作用，獲得四種浮式防波堤迎著周期6s波浪的區(qū)域波幅圖，如圖4所示，圖5為四種浮式防波堤的堤后波幅曲線和消波效率曲線。

分析圖4中不同類型的臨時擋浪擋浪的波幅圖分布可知，V字型浮式防波堤對波浪反射不明顯，V型兩邊尾端出現(xiàn)了局部壅高現(xiàn)象；一字型浮式防波堤和半框架型浮式防波堤前波形受形狀影響較大，反射明顯，半框架型防波堤的堤后擋浪區(qū)域最廣，V字型浮式防波堤的擋浪區(qū)域面積最小。

圖4 各型防波堤在迎6s波浪時波面圖

分析圖5中各型防波堤在迎6s波浪時擋浪效果，一字型浮式防波堤堤后波幅下降劇烈，擋浪效果良好，但是波幅很快就單調(diào)恢復至堤前的狀態(tài)；V字型浮式防波堤堤后波幅變化明顯，堤后有一個小波幅的三角區(qū)域；半圓型防波堤和半框型防波堤的堤后波幅維持一個小波幅區(qū)域。可以認為，單從堤后波幅來評估，一字型浮式防波堤擋浪效果最好，半圓型防波堤和半框型防波堤的擋浪效果較為穩(wěn)定。

圖5 各型防波堤在迎6s波浪時擋浪效果

4.3 波浪周期適應性

為了對比以上各型浮式防波堤在不同周期波浪中的擋浪適應性，分別計算其在周期為6s、8s、10s、12s、14s、16s、17s和20s波浪中的擋浪效果，不同周期波浪中堤后波幅見圖6所示。隨著波浪周期的增大，堤前波浪的反射減小，堤后波幅接近入射波，且變化更加平緩。周期為6s的波浪下，各型浮式防波堤能擋住50%以上的波浪；周期為8s的波浪下，各型浮式防波堤能擋住20%以上的波浪；當波浪周期超過10s以上，各型浮式防波堤基本不具備擋浪的效果。

圖6 各型防波堤在不同周期波浪中堤后消波效率

5.結論

本文探究了典型海況下一字型、V字型、半圓型防波堤和半框型浮式防波堤的擋浪效果，使用勢流水動力軟件AQWA，考慮入射波、繞射波和反射波的作用，對4種典型形狀浮式防波堤的擋浪效果進行對比分析，并討論不同波浪周期下浮式防波堤的擋浪適應性。主要結論如下：

（1）V字型浮式防波堤對波浪反射不明顯，兩邊尾端出現(xiàn)了局部壅高現(xiàn)象；一字型浮式防波堤和半框架型浮式防波堤前波形受形狀影響較大，反射明顯，半框架型防波堤的堤后擋浪區(qū)域最廣，V字型浮式防波堤的擋浪區(qū)域面積最小。

（2）一字型浮式防波堤堤后波幅下降劇烈，擋浪效果良好，但是波幅很快就單調(diào)恢復至堤前的狀態(tài)；V字型浮式防波堤堤后波幅變化明顯，堤后有一個小波幅的三角區(qū)域；半圓型防波堤和半框型防波堤的堤后波幅維持一個小波幅區(qū)域。

（3）隨著波浪周期的增大，堤前波浪的反射減小，堤后波幅接近入射波，且變化更加平緩。周期為6s的波浪下，各型浮式防波堤能擋住50%以上的波浪；周期為8s的波浪下，各型浮式防波堤能擋住20%以上的波浪；當波浪周期超過10s以上，各型浮式防波堤基本不具備擋浪的效果。