气幕式防波堤用于实际工程的可行性研究

王勇超+李国禄+于鸿明

摘要：气幕式防波堤是一种特殊的防波堤结构，当喷气管安设得足够深时，船舶可以在任何地方进港，初期投资小，当水深很大，所需消波的入射波浪周期T较小，而且在短时间的偶然工作时，利用这种消波型式是合理的。文章结合工程的实际环境，从数理模型、物理模型和实际使用设计三个方面进行了分析。

关键词：气幕式防波堤；数理模型；物理模型；实际工程；可行性

中图分类号：U656 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0102-02

1 概述

气幕式防波堤是一种特殊的防波堤结构，由压气站产生具有一定压强的压缩空气输送至海底排气管，排气管小孔排气，气泡上升的过程中形成气幕，在水中形成了表面水平流，使波浪的波能衰减，导致波高减小。

气幕防波堤的消波作用主要通过两个方面来实现：一方面，在气幕的作用下，在水体表面形成两个方向相反的水平流，迎浪侧的水平流使得波浪所固有的水质点轨迹运动遭到破坏，促使波浪破碎，波能衰减，导致波高减小；另一方面，气泡四周的水表面张力在消减波能方面也起到较大的作用，随着气泡的上升，表面张力加大，部分地削弱了波动流体的能量，此外，原始波浪在气幕前发生部分的反射，也使得越过气幕的透射波高有所减小。试验原理示意图如图1所示：

图1 气幕式防波堤工作原理示意图

气幕式防波堤与固定的防波堤比较，具有移动性、临时性、可重复利用性、不受水流泥沙条件限制的特点，可以很容易通过抛锚固定或通过锚链固定在海底，其造价低、结构简单，有良好的应用前景。

气幕防波堤结构的优点在于：当喷气管安设得足够深时，船舶可以在任何地方进港，畅行无阻，初期投资小，且造价及运转费用与水域中的水深没有多大关系，当水深很大，所需消波的入射波浪周期T较小，而且在短时间的偶然工作时，利用这种消波型式是合理的。

2 数模分析

关于气幕式防波堤的理论依据，本论文引自Bulson给出相关理论，他推导出由于气幕的存在而产生水平流的表面速度气和水平流厚度d的设计公式，同时，给出了入射波浪波长和波高一定的情况下消波所需要的供气量Q大小。推导公式如下：

式中：

——表面水平流速度

——水平流厚度

——重力加速度

——管道埋深

——当地大气压力

——空气压缩机供气量

完全消波所需要的供气量：

式中：

——入射波浪波长

部分消波所需要的供气量：

根据理论研究，可得出结论：气幕式防波堤消浪的效果与供气量、排气管埋设深度、入射周期和波高有关，与排气管的直径、管孔直径均无关。所以气幕式防波堤从理论分析得出应用于实际工程中是可行的。

3 物模分析

针对这一新型的防波堤结构，我国主要以大连理工大学王永学教授带领的团队为主在大工的近岸海洋国家实验室进行了气幕式防波堤的物理模型试验。

本物理模型试验基于重力相似准则关系，分别考虑了不同入射波浪要素、不同供气量Q大小、不同喷气孔口直径、不同模型长度比尺条件下的气幕防波堤消波性能，并对气幕防波堤对波浪的反射作用做了分析，根据整理得到的试验数据并进行分析，给出了气幕防波堤消波性能相关结论。

物理模拟区域水槽高9m，长300m，水深为6m，监测点在130m处，供气量分别为：100m3/h·m、180m3/h·m、260m3/h·m、340m3/h·m、420m3/h·m、500m3/h·m、580m3/h·m，得到供气量与透射系数关系，得出气幕式防波堤实践使用的可行性。

4 应用工程实例背景

某沉管隧道工程的系泊区为半开放形式，三面围堰南侧敞口，出坞口位于图2中AB所示位置，坞内水深-5～-9m。系泊区作为沉管临时存放的场地，在漂浮存放过程中如果受到大的风浪作用，对临时存放的沉管安全会有影响。为了解决这一问题，考虑通过采用气幕式防波堤（BC段）加长原有防波堤，减小临时系泊区坞口（AB段）的方式，将系泊区内的波高控制在允许出现的安全波高（1.0m）以下，保证沉管存放的安全。

图2 气幕式防波堤平面布置图

5 气幕式防波堤设计

气幕式防波堤主要由空压机提供空气至海底，形成气泡帷幕，空压机设在陆域的“D”点，排气管布置从“B”点至“C”，角度与原有码头兼防波堤夹角161°，气幕长度暂定为100m（BC段），气幕作用前后需要有波浪仪观测记录数据，波浪仪放置在气幕式防波堤中轴线两侧各30m的位置，本区域水深约-6m。

5.1 设备选型

5.1.1 排气管选型。排气管选用无缝钢管，长度暂定为100m，直径选定Φ100mm，排气孔直径2mm，排气孔间距30cm，钢管尾端封闭，首端与通气软管连接，设计图如下：

图3 排气管设计图

5.1.2 空压机选型。空压机选型考虑公司实际情况，选用L型复动水冷式空气压缩机，排气量22m3/min（1320m3/h），2m3储气罐。

5.1.3 送风管选型。送风管单层钢丝编织胶管，单根长度20m，内径51mm，总长度需要约380m，连接排气管与空压机，主要为确保试验操作安全。

5.2 设备安装

空压机布置在陆域，离海岸线需一定安全距离，基础需安装稳固，空气储蓄罐必须加固处理。

排气管12m一节，现场加工排气孔和法兰接头，由海上方驳吊机吊入海中，潜水员水下安装，每节之间法兰接头连接，并安装橡胶垫圈，防止漏气，本区域海水深度约-6m。

排气管安装时需要支撑铁架，且排气孔必须朝上，铁架采用50×5角钢焊接，高70cm，长50cm，底部焊接钢板，防止陷入淤泥。

排气管与空压机之间由橡胶软管连接，橡胶管沿原防波堤布置，并需要设置必要的限位装置，防止海浪冲击至海中。如有必要，需在橡胶软管进入海水中之间接头处安装压力计，用于观测送入海中的风压。

5.3 实际操作步骤

将空压机运输安装在陆域安全位置；方驳吊机和潜水配合安装水下排气管；连接排气管和空压机；选择风平浪静的海况进行静水调试；选择适当恶劣海况进行初步调试；根据天气预报进行最终使用。

6 结语

本文结合工程的实际环境，参考国类外相关研究成果，从数模分析、物模分析和实际使用设计三个方面进行研究，说明气幕式防波堤在实际工程中使用的可能性，为后续的实际使用提供一定的依据，也为类似气幕式防波堤使用工况提供参考。

参考文献

[1] 王国玉.特种防波堤结构形式及水动力学特性研究

[D].大连理工大学，2005.

[2] 王国玉，王永学，李广伟，等.气幕防波堤消波性能试验研究[J].中国造船，2004，45（增刊）.

[3] BulsonP.S.Bubble breakwaters with Intermittent air supply[J].The Dock and Harbour Authority，1963，XLIV（514）.

[4] Bulson P.S.The theory and design of bubble breakwater[J].Proeeeding of 11th Conferenee on Coastal Engineering，London，1968，11.

作者简介：王勇超（1982-），男，湖北汉川人，中交一航局第三工程有限公司工程师，研究方向：港航工程。

摘要：气幕式防波堤是一种特殊的防波堤结构，当喷气管安设得足够深时，船舶可以在任何地方进港，初期投资小，当水深很大，所需消波的入射波浪周期T较小，而且在短时间的偶然工作时，利用这种消波型式是合理的。文章结合工程的实际环境，从数理模型、物理模型和实际使用设计三个方面进行了分析。

关键词：气幕式防波堤；数理模型；物理模型；实际工程；可行性

中图分类号：U656 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0102-02

1 概述

气幕式防波堤是一种特殊的防波堤结构，由压气站产生具有一定压强的压缩空气输送至海底排气管，排气管小孔排气，气泡上升的过程中形成气幕，在水中形成了表面水平流，使波浪的波能衰减，导致波高减小。

气幕防波堤的消波作用主要通过两个方面来实现：一方面，在气幕的作用下，在水体表面形成两个方向相反的水平流，迎浪侧的水平流使得波浪所固有的水质点轨迹运动遭到破坏，促使波浪破碎，波能衰减，导致波高减小；另一方面，气泡四周的水表面张力在消减波能方面也起到较大的作用，随着气泡的上升，表面张力加大，部分地削弱了波动流体的能量，此外，原始波浪在气幕前发生部分的反射，也使得越过气幕的透射波高有所减小。试验原理示意图如图1所示：

图1 气幕式防波堤工作原理示意图

气幕式防波堤与固定的防波堤比较，具有移动性、临时性、可重复利用性、不受水流泥沙条件限制的特点，可以很容易通过抛锚固定或通过锚链固定在海底，其造价低、结构简单，有良好的应用前景。

气幕防波堤结构的优点在于：当喷气管安设得足够深时，船舶可以在任何地方进港，畅行无阻，初期投资小，且造价及运转费用与水域中的水深没有多大关系，当水深很大，所需消波的入射波浪周期T较小，而且在短时间的偶然工作时，利用这种消波型式是合理的。

2 数模分析

关于气幕式防波堤的理论依据，本论文引自Bulson给出相关理论，他推导出由于气幕的存在而产生水平流的表面速度气和水平流厚度d的设计公式，同时，给出了入射波浪波长和波高一定的情况下消波所需要的供气量Q大小。推导公式如下：

式中：

——表面水平流速度

——水平流厚度

——重力加速度

——管道埋深

——当地大气压力

——空气压缩机供气量

完全消波所需要的供气量：

式中：

——入射波浪波长

部分消波所需要的供气量：

根据理论研究，可得出结论：气幕式防波堤消浪的效果与供气量、排气管埋设深度、入射周期和波高有关，与排气管的直径、管孔直径均无关。所以气幕式防波堤从理论分析得出应用于实际工程中是可行的。

3 物模分析

针对这一新型的防波堤结构，我国主要以大连理工大学王永学教授带领的团队为主在大工的近岸海洋国家实验室进行了气幕式防波堤的物理模型试验。

本物理模型试验基于重力相似准则关系，分别考虑了不同入射波浪要素、不同供气量Q大小、不同喷气孔口直径、不同模型长度比尺条件下的气幕防波堤消波性能，并对气幕防波堤对波浪的反射作用做了分析，根据整理得到的试验数据并进行分析，给出了气幕防波堤消波性能相关结论。

物理模拟区域水槽高9m，长300m，水深为6m，监测点在130m处，供气量分别为：100m3/h·m、180m3/h·m、260m3/h·m、340m3/h·m、420m3/h·m、500m3/h·m、580m3/h·m，得到供气量与透射系数关系，得出气幕式防波堤实践使用的可行性。

4 应用工程实例背景

某沉管隧道工程的系泊区为半开放形式，三面围堰南侧敞口，出坞口位于图2中AB所示位置，坞内水深-5～-9m。系泊区作为沉管临时存放的场地，在漂浮存放过程中如果受到大的风浪作用，对临时存放的沉管安全会有影响。为了解决这一问题，考虑通过采用气幕式防波堤（BC段）加长原有防波堤，减小临时系泊区坞口（AB段）的方式，将系泊区内的波高控制在允许出现的安全波高（1.0m）以下，保证沉管存放的安全。

图2 气幕式防波堤平面布置图

5 气幕式防波堤设计

气幕式防波堤主要由空压机提供空气至海底，形成气泡帷幕，空压机设在陆域的“D”点，排气管布置从“B”点至“C”，角度与原有码头兼防波堤夹角161°，气幕长度暂定为100m（BC段），气幕作用前后需要有波浪仪观测记录数据，波浪仪放置在气幕式防波堤中轴线两侧各30m的位置，本区域水深约-6m。

5.1 设备选型

5.1.1 排气管选型。排气管选用无缝钢管，长度暂定为100m，直径选定Φ100mm，排气孔直径2mm，排气孔间距30cm，钢管尾端封闭，首端与通气软管连接，设计图如下：

图3 排气管设计图

5.1.2 空压机选型。空压机选型考虑公司实际情况，选用L型复动水冷式空气压缩机，排气量22m3/min（1320m3/h），2m3储气罐。

5.1.3 送风管选型。送风管单层钢丝编织胶管，单根长度20m，内径51mm，总长度需要约380m，连接排气管与空压机，主要为确保试验操作安全。

5.2 设备安装

空压机布置在陆域，离海岸线需一定安全距离，基础需安装稳固，空气储蓄罐必须加固处理。

排气管12m一节，现场加工排气孔和法兰接头，由海上方驳吊机吊入海中，潜水员水下安装，每节之间法兰接头连接，并安装橡胶垫圈，防止漏气，本区域海水深度约-6m。

排气管安装时需要支撑铁架，且排气孔必须朝上，铁架采用50×5角钢焊接，高70cm，长50cm，底部焊接钢板，防止陷入淤泥。

排气管与空压机之间由橡胶软管连接，橡胶管沿原防波堤布置，并需要设置必要的限位装置，防止海浪冲击至海中。如有必要，需在橡胶软管进入海水中之间接头处安装压力计，用于观测送入海中的风压。

5.3 实际操作步骤

将空压机运输安装在陆域安全位置；方驳吊机和潜水配合安装水下排气管；连接排气管和空压机；选择风平浪静的海况进行静水调试；选择适当恶劣海况进行初步调试；根据天气预报进行最终使用。

6 结语

本文结合工程的实际环境，参考国类外相关研究成果，从数模分析、物模分析和实际使用设计三个方面进行研究，说明气幕式防波堤在实际工程中使用的可能性，为后续的实际使用提供一定的依据，也为类似气幕式防波堤使用工况提供参考。

参考文献

[1] 王国玉.特种防波堤结构形式及水动力学特性研究

[D].大连理工大学，2005.

[2] 王国玉，王永学，李广伟，等.气幕防波堤消波性能试验研究[J].中国造船，2004，45（增刊）.

[3] BulsonP.S.Bubble breakwaters with Intermittent air supply[J].The Dock and Harbour Authority，1963，XLIV（514）.

[4] Bulson P.S.The theory and design of bubble breakwater[J].Proeeeding of 11th Conferenee on Coastal Engineering，London，1968，11.

作者简介：王勇超（1982-），男，湖北汉川人，中交一航局第三工程有限公司工程师，研究方向：港航工程。

摘要：气幕式防波堤是一种特殊的防波堤结构，当喷气管安设得足够深时，船舶可以在任何地方进港，初期投资小，当水深很大，所需消波的入射波浪周期T较小，而且在短时间的偶然工作时，利用这种消波型式是合理的。文章结合工程的实际环境，从数理模型、物理模型和实际使用设计三个方面进行了分析。

关键词：气幕式防波堤；数理模型；物理模型；实际工程；可行性

中图分类号：U656 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0102-02

1 概述

气幕式防波堤是一种特殊的防波堤结构，由压气站产生具有一定压强的压缩空气输送至海底排气管，排气管小孔排气，气泡上升的过程中形成气幕，在水中形成了表面水平流，使波浪的波能衰减，导致波高减小。

气幕防波堤的消波作用主要通过两个方面来实现：一方面，在气幕的作用下，在水体表面形成两个方向相反的水平流，迎浪侧的水平流使得波浪所固有的水质点轨迹运动遭到破坏，促使波浪破碎，波能衰减，导致波高减小；另一方面，气泡四周的水表面张力在消减波能方面也起到较大的作用，随着气泡的上升，表面张力加大，部分地削弱了波动流体的能量，此外，原始波浪在气幕前发生部分的反射，也使得越过气幕的透射波高有所减小。试验原理示意图如图1所示：

图1 气幕式防波堤工作原理示意图

气幕式防波堤与固定的防波堤比较，具有移动性、临时性、可重复利用性、不受水流泥沙条件限制的特点，可以很容易通过抛锚固定或通过锚链固定在海底，其造价低、结构简单，有良好的应用前景。

气幕防波堤结构的优点在于：当喷气管安设得足够深时，船舶可以在任何地方进港，畅行无阻，初期投资小，且造价及运转费用与水域中的水深没有多大关系，当水深很大，所需消波的入射波浪周期T较小，而且在短时间的偶然工作时，利用这种消波型式是合理的。

2 数模分析

关于气幕式防波堤的理论依据，本论文引自Bulson给出相关理论，他推导出由于气幕的存在而产生水平流的表面速度气和水平流厚度d的设计公式，同时，给出了入射波浪波长和波高一定的情况下消波所需要的供气量Q大小。推导公式如下：

式中：

——表面水平流速度

——水平流厚度

——重力加速度

——管道埋深

——当地大气压力

——空气压缩机供气量

完全消波所需要的供气量：

式中：

——入射波浪波长

部分消波所需要的供气量：

根据理论研究，可得出结论：气幕式防波堤消浪的效果与供气量、排气管埋设深度、入射周期和波高有关，与排气管的直径、管孔直径均无关。所以气幕式防波堤从理论分析得出应用于实际工程中是可行的。

3 物模分析

针对这一新型的防波堤结构，我国主要以大连理工大学王永学教授带领的团队为主在大工的近岸海洋国家实验室进行了气幕式防波堤的物理模型试验。

本物理模型试验基于重力相似准则关系，分别考虑了不同入射波浪要素、不同供气量Q大小、不同喷气孔口直径、不同模型长度比尺条件下的气幕防波堤消波性能，并对气幕防波堤对波浪的反射作用做了分析，根据整理得到的试验数据并进行分析，给出了气幕防波堤消波性能相关结论。

物理模拟区域水槽高9m，长300m，水深为6m，监测点在130m处，供气量分别为：100m3/h·m、180m3/h·m、260m3/h·m、340m3/h·m、420m3/h·m、500m3/h·m、580m3/h·m，得到供气量与透射系数关系，得出气幕式防波堤实践使用的可行性。

4 应用工程实例背景

某沉管隧道工程的系泊区为半开放形式，三面围堰南侧敞口，出坞口位于图2中AB所示位置，坞内水深-5～-9m。系泊区作为沉管临时存放的场地，在漂浮存放过程中如果受到大的风浪作用，对临时存放的沉管安全会有影响。为了解决这一问题，考虑通过采用气幕式防波堤（BC段）加长原有防波堤，减小临时系泊区坞口（AB段）的方式，将系泊区内的波高控制在允许出现的安全波高（1.0m）以下，保证沉管存放的安全。

图2 气幕式防波堤平面布置图

5 气幕式防波堤设计

气幕式防波堤主要由空压机提供空气至海底，形成气泡帷幕，空压机设在陆域的“D”点，排气管布置从“B”点至“C”，角度与原有码头兼防波堤夹角161°，气幕长度暂定为100m（BC段），气幕作用前后需要有波浪仪观测记录数据，波浪仪放置在气幕式防波堤中轴线两侧各30m的位置，本区域水深约-6m。

5.1 设备选型

5.1.1 排气管选型。排气管选用无缝钢管，长度暂定为100m，直径选定Φ100mm，排气孔直径2mm，排气孔间距30cm，钢管尾端封闭，首端与通气软管连接，设计图如下：

图3 排气管设计图

5.1.2 空压机选型。空压机选型考虑公司实际情况，选用L型复动水冷式空气压缩机，排气量22m3/min（1320m3/h），2m3储气罐。

5.1.3 送风管选型。送风管单层钢丝编织胶管，单根长度20m，内径51mm，总长度需要约380m，连接排气管与空压机，主要为确保试验操作安全。

5.2 设备安装

空压机布置在陆域，离海岸线需一定安全距离，基础需安装稳固，空气储蓄罐必须加固处理。

排气管12m一节，现场加工排气孔和法兰接头，由海上方驳吊机吊入海中，潜水员水下安装，每节之间法兰接头连接，并安装橡胶垫圈，防止漏气，本区域海水深度约-6m。

排气管安装时需要支撑铁架，且排气孔必须朝上，铁架采用50×5角钢焊接，高70cm，长50cm，底部焊接钢板，防止陷入淤泥。

排气管与空压机之间由橡胶软管连接，橡胶管沿原防波堤布置，并需要设置必要的限位装置，防止海浪冲击至海中。如有必要，需在橡胶软管进入海水中之间接头处安装压力计，用于观测送入海中的风压。

5.3 实际操作步骤

将空压机运输安装在陆域安全位置；方驳吊机和潜水配合安装水下排气管；连接排气管和空压机；选择风平浪静的海况进行静水调试；选择适当恶劣海况进行初步调试；根据天气预报进行最终使用。

6 结语

本文结合工程的实际环境，参考国类外相关研究成果，从数模分析、物模分析和实际使用设计三个方面进行研究，说明气幕式防波堤在实际工程中使用的可能性，为后续的实际使用提供一定的依据，也为类似气幕式防波堤使用工况提供参考。

参考文献

[1] 王国玉.特种防波堤结构形式及水动力学特性研究

[D].大连理工大学，2005.

[2] 王国玉，王永学，李广伟，等.气幕防波堤消波性能试验研究[J].中国造船，2004，45（增刊）.

[3] BulsonP.S.Bubble breakwaters with Intermittent air supply[J].The Dock and Harbour Authority，1963，XLIV（514）.

[4] Bulson P.S.The theory and design of bubble breakwater[J].Proeeeding of 11th Conferenee on Coastal Engineering，London，1968，11.

作者简介：王勇超（1982-），男，湖北汉川人，中交一航局第三工程有限公司工程师，研究方向：港航工程。