新型浮式防波堤的结构选型

刘必劲，万 艳，饶 翔

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院，福建 厦门 361024;2.福建省海洋预报台，福建 福州 350500)

近年来，浮式防波堤结构因造价低廉、易于搬迁、对地基要求不高，在许多水位变化较大、波浪小而陡的水域，得到了较广泛的应用[1]。随着大型专业化码头的建立、各种娱乐港口的建设、养殖产业的发展，座底式防波堤越来越不能满足经济、便捷、环保的要求，浮式防波堤的优势就慢慢体现出来。然而传统浮式防波堤存在消浪效果相对较差、在恶劣天气下的稳定性不强等问题。因此，探讨新型浮式防波堤结构，探索浮式防波堤更强的消浪性能和在极端波浪下更高的稳定性显得十分必要。

国内外很多学者一直致力于新型浮式防波堤的研究。吴维登等[2]研究浮筏式防波堤结构；董华洋[3]通过实验证明浮箱-水平板式浮式防波堤水动力特性更好；张余等[4]探究了废旧轮胎式浮式防波堤的透射系数与堤身相对宽度、锚链拖地长度、锚链刚度的关系，实验结果证明，锚链拖地长度、锚链刚度对透射系数影响不明显；针对在长周期波浪作用下浮式防波堤的消浪性和安全性较弱的问题，王环宇等[5]提出了一种由菱形模块拼接的的浮式防波堤，并证明它是具有优良几何构造特征的浮式防波堤；崔杰等[6]对双圆筒、多孔式浮箱式、网格浮箱组合式等4种浮式防波堤做了消浪特性实验。前人提出的这些浮式防波堤结构，大部分都是刚性体结构。极端天气条件下，刚性体结构自身的受力一般都比较大，容易造成结构不稳定等问题。为此，本文提出多浮体组合式、刚柔性组合式、纯柔性体等结构，以便从理论和现场应用上，取得比传统浮式防波堤更好的消浪效果和结构稳定性。

1 传统浮式防波堤分类

浮式防波堤按照结构一般分为浮箱式、浮筒式、浮筏式和其他类型等4类。

浮箱一般以矩形、三角形或倒梯形的断面形状居多，有些采用2个浮箱做成连体式。浮箱式防波堤通过反射出入射的波浪能量来达到消浪的效果。浮筒式防波堤多为框架结构，其消浪力略强于浮箱式防波堤结构[7]。筏式浮堤主要利用抑制波能水质点垂向运动速度的大小来达到消浪效果。当浮堤吃水较浅时，结构尺度在波浪传播方向上较长，一般要达到1倍波长左右才能有效地起到明显的消浪作用[8]。其他类型浮式防波堤，如板网式浮堤[9]，是利用刚性不透水平板结构主体来抑制波能水质点垂向运动速度，主要通过波浪与网衣之间的碰撞、摩擦和绕流，破坏水质点的运动，达到消能目的。

2 传统浮式防波堤存在的问题

2.1 长波消浪效果差

浮式防波堤很难作为永久性建筑物的主要原因，是目前的浮式防波堤结构形式对短波(波长与堤宽之比L/B<4)的掩护效果尚好，但对长波(L/B>6)的透射率仍然很高。面对长波的来袭，防波堤的宽度要达到一定的尺寸才能满足消浪的要求，这就会增加浮式防波堤的造价，加大施工的难度和自身安全系数[10]。

2.2 防波堤的研究存在局限性

目前的研究工作，大多是在假定流体是理想势流运动和海底水平的情况下，求解二维情形的浮式防波堤结构的波浪反射与透射系数。然而实际工程中，仅研究二维的问题是不够的，还必须考虑浮式防波堤整体结构及锚泊系统在台风浪下的安全性。这就需要考虑波浪传播对浮式防波堤的综合影响、浮式防波堤总体受力、往复荷载作用下锚链疲劳破坏的机理，考虑基础-结构-波浪耦合作用时的浮体结构动力响应等问题[11-12]。

3 新型浮式防波堤结构

本研究主要从以下两个方面来提高浮式防波堤的消浪性能：一是增大反射系数。利用浮体的迎波断面、反射波浪，增大浮体前沿挡水面积，降低浮体自身的振动频率，与入射波产生相位差，使更多的波浪反射回去。二是减小透射系数，加剧能量的耗散。通常做法是增大堤身宽度，使入射波在浮堤上发生摩擦碰撞之后破碎，消减波浪的透射能量，达到消浪的效果。同时，干扰水质点运动，在防波堤的内外侧，添加翼、桁架结构，扰乱水质点原先运动的轨迹，消减能量。

基于长周期波浪作用下，浮式防波堤的消浪性和安全性较弱等问题的考虑，以及为了进一步增强短波消浪效果，浮式防波堤的选材及结构形式一直在改进。根据国内外浮式防波堤研究进展不难看出，其发展趋势是：第一，由传统的混凝土结构逐渐向新型塑料多孔介质材料过渡；第二，由传统的单一箱体或浮筒式逐渐向多浮体组合形式过渡；第三，由完全刚性体结构向刚性体和柔性体组合结构过渡。为此，本文在总结前人的基础上，提出几种新型浮式防波堤的构想。新型防波堤均采用高密度聚乙烯(HDPE)材质的多浮体组合(如图1)、刚体柔性体组合以及实验室广泛应用的新型多孔介质(如图2的塑料盲沟)等材质，以达到更好的消浪效果。

图1 HDPE材质浮体

图2 塑料盲沟

3.1 双箱式

双箱式结构由上下两层长方体结构结合而成，上层为塑料盲沟，下层为HDPE材质浮箱，具体如果图3所示。与传统单体浮箱相比，塑料盲沟在浮式防波堤应用方面具有一定的优越性。

图3 双箱式浮式防波堤正视图和45°俯视图

3.2 圆弧式

圆弧式结构包括3个部分：浮筒、盲沟板、圆弧形盲沟顶，具体如图4所示。浮筒可由HDPE直接成型，也可由钢筋框架加HDPE浮筒组合得到；盲沟板和圆弧形盲沟顶由塑料盲沟嵌套于定型钢筋框架中得到。此结构可以单独使用，也可稍作连接，前后两个并排使用组成双箱式。

图4 圆弧式浮式防波堤正视图和45°俯视图

3.3 双筒单板式

双筒单板式防波堤结构包括4个部分：浮筒、盲沟竖直板、倒梯形盲沟浮筒外壳、盲沟横向连接板，具体如图5所示。浮筒可由HDPE直接成型得到；盲沟竖直板、倒梯形盲沟浮筒外壳、盲沟横向连接板由塑料盲沟嵌套于定型钢筋框架中得到。

图5 双筒单板式浮式防波堤正视图和45°俯视图

3.4 双筒双板式

双筒双版式结构包括5个部分：浮筒、盲沟竖直板1、盲沟竖直板2、圆柱体盲沟浮筒外壳、盲沟横向连接板，具体如图6所示。浮筒可由HDPE直接成型得到；盲沟竖直板、盲沟横向连接板由塑料盲沟嵌套于定型钢筋框架中得到，圆柱体盲沟浮筒外壳直接套于浮筒外表面即可。

图6 双筒双板式浮式防波堤正视图和45°俯视图

与常规浮式防波堤相比，这4种浮式防波堤独特的结构优点为：(1)多孔材质-塑料盲沟的使用，使得波浪与结构相互作用时，破坏了原来水质点的运动规律，波动转变为杂乱的紊动从而达到消波的作用。如结构二的圆弧式浮堤，波浪在圆弧形盲沟顶上爬坡时更易破碎，消能效果更佳；(2)盲沟板的使用使得防波堤的相对水深极大地增加，增大浮体前沿挡水面积从而使波能反射大大加强；(3)浮箱中可加入压载水从而增加浮式防波堤自质量和转动惯量，从而减小了自振频率；(4)在遇到船舶与浮式防波堤相撞、恶劣天气下浮式防波堤被破坏，漂向岸边等紧急情况时，箱体或浮体表面的塑料盲沟作为有效的缓冲保护装置，将极大减小浮式防波堤对沿岸结构及船舶的损害。

3.5 柔性浮式

柔性防波堤由水囊、内气囊、外气囊、固定网、水下锚揽和阀门等组成。内气囊安装在密封的水囊里面，水囊外面安装一层固定网用于连接水下锚揽和固定外气囊，使用时通过水囊上的阀门加注水和气，达到设计压力后形成一座移动防波堤，并通过水下锚揽固定防止位移。

柔性浮式防波堤的主体结构主要由主浮筒、外气囊、内气囊组成，具体如图7～8所示。

图8 柔性浮式防波堤现场效果图

3.6 结构应用情况

目前，双箱、圆弧、双筒单板和双筒双板式等组合式结构还处于实验研究阶段，尚未投入应用。而柔性浮式防波堤，在广东汕头、南海某海域和以色列阿什杜德港等地方均有应用，在应用中发现短波作用下的消浪效果能够满足使用要求。

4 结语

本文在总结概括传统浮式防波堤的分类、存在问题和浮式防波堤发展的趋势的基础上，提出了4种基于新型HDPE材质浮筒和塑料盲沟的组合式防波堤和1种柔性浮式防波堤。该类型防波堤具有极大破坏水质点运动、紧急情况下安全性显著增加等诸多传统浮式防波堤不具有的独特优点。下一步工作中，将开展数值模拟和模型试验研究，确定浮式防波堤的平面布置，通过开展断面模型试验，研究不同结构的浮式防波堤的消浪系数、锚泊系统稳定和自身结构受海浪抨击作用等问题，以确定最优的结构，给浮式防波堤试验段的生产和制作提供基础条件。