深水柔性浮式防波堤的消浪机理与结构设计

(武汉纺织大学 湖北 武汉 430200)

海浪是海洋中一种常见的波动现象，主要可分为风浪、涌浪和近岸浪三种，一般把海浪分成 0-9 等级，一般在 5 级以上的海浪会对海上工程作业产生很大的影响，等级大的海浪会威胁作业人员的生命安全，因此为提高海上施工效率，可以预先在恶劣海况下的施工平台周围铺设浮式防波堤进行防护，创造一个相对安全稳定的工作环境。

同时，浮式防波堤相对于传统的坐底式防波堤有很多优点，传统的坐底固定式防波堤随着水深的增加施工周期漫长，技术难度大，造价高昂，限制了区域水体的循环易造成污染；并且根据对波浪相关理论的数值模拟和试验研究表明：水体运动中波浪的能量基本集中在表层水体，即在水面以下2到3倍波高的水深范围以内集中了90%～98%的波浪能量，故传统坐底固定式防波堤材料的使用与波能分布规律完全不适应。而浮式防波堤造价低廉，铺设方便，不影响水体的循环与交换节能又环保，是未来防波堤的正确发展方向。

一、深水浮式防波堤总体设计的理论基础

(一)浮式防波堤的消浪机理

评估浮式防波堤消浪效果的一个重要指标是其透射系数。浮式防波堤堤身的结构形式是影响消浪效果的重要因素，不同浮体结构形式的浮式防波堤其消浪机理也有所不同，归纳起来其消浪机理主要与以下四种因素有关[1]：

1.波能反射：堤身浮体结构将部分入射波能量反射到外海，防波堤的相对入水深度是影响消浪效果的重要参数。

2.波列间的干涉消能：入射波的频率与消浪浮体本身兴起波浪的频率不同，在特定条件下可以产生部分消能。

3.紊动消能：水体与消波浮体间相互摩擦，碰撞从而产生部分消能。

4.波浪力做功：波浪力作用于消波浮体，使浮体发生位移或者变形而耗能。

(二)浮式防波堤的主要结构型式

1.浮箱式防波堤：其消波浮体由一个或者多个刚性的浮箱组成，主要利用有一定吃水深度的箱体来反射入射波波能来消波，波浪与堤体运动之间的相位差也能对波浪的传输产生一定的抑制和衰减作用。

2.浮筒式防波堤：消波浮体结构多为圆筒形框架式结构，浮筒式防波堤的材料和消波机理与浮箱式防波堤很相似，但其吸收入射波波能量的能力较浮箱式防波堤略强。

3.浮筏式防波堤：其消波浮体多为带孔的平板结构，其堤身吃水较小，反射波能的能力较小，结构尺度在波浪传播方向上较长，主要利用抑制波能水质点在垂直方向上的运动速度来达到消浪效果，紊动消除波能的能力较强。

4.其他形式的浮式防波堤：如垂帘式浮式防波堤[2]，其浮体主要是由柔性绳索串接起来的六棱柱浮块构成的阻尼结构，再通过钢架与锚链系统链接到水底，吃水深度较大，已有物理模型试验证明此种浮式防波堤对长、短周期的波浪都有较好的消浪效果。再如一种应急型浮式防波堤[3]，其堤身由三根三块120°板片组装成的消浪管、带快速锁扣的紧固架和自充气气囊组成，通过通孔结构造成水流流速的减慢，进而使得各个方向上的水流的流动方向发生改变，影响波浪以及水流的传播，从而实现消减波浪的效果。

二、深水柔性浮式防波堤的浮体设计

(一)防浪浮体的主要设计参数

此新型柔性浮式防波堤的主体结构是一个水囊，形状为：两端是半球体，中间为柱体，设计的囊体总长为 120m，半球体的直径为 3m。投入使用时，利用数量不等的囊体连接组合而成的结构形式来增强消波性能，囊体的材料采用交织聚脂纤维双面PVC(聚氯乙烯)涂层专用气艇布，抗拉强度 53.4kN，抗寒零下 30 摄氏度，抗热零上70摄氏度。本文借鉴了之前研究学者相关的模拟模型试验结果，并综合其模型结构各自的特点，设计出满足本文需要的柔性防浪浮体结构。

(二)堤身浮体中提供浮力的囊体与注水囊体的结构形式

浮力囊结构示意图如图 2-1所示

图 2-1 浮力囊结构示意图

水囊结构示意图如图 2-2 所示。

图 2-2 单个水囊结构示意图

水囊采用“分仓式”结构。这样设计，是为了防止囊体因密封性变差或者受到海水冲击、漂浮物划破等情况，无法提供水压保持刚度而无法工作。“分仓式”结构相较于“通仓式”结构来说，当其中某一个仓室遭到损坏时，不至于整个水囊失压而无法工作，它任然会有 2/3 的部分可以继续正常工作。考虑到水囊 的密封性能会随着连接部分的增多而变差，故设计水囊一共分为 3 个仓，每个仓长 40m。

(三)防浪浮体的组合结构设计

设计防浪最大等级为5级，查资料得5级风浪对应的波高最大为4m,可算得其浪的振幅为2m,浮力囊直径为3m(>2m),故堤身在投入使用时可以满足防止大量越浪的出现。再根据已有关于波浪的理论和实验研究发现，水体在运动过程中产生的波浪，其能量基本都集中在表层水体，即在水面以下2倍至 3倍波高的水深范围内集中了 90%～98%的波浪能[2]，因此防浪浮体的组合结构整体高度可设计为12m。应对5级浪，其防浪浮体组合结构断面形式如图：

(四)防浪浮体中囊体间的连接结构方式

该连接方案是由于其囊体自身的结构所决定的，其囊体结构被一种网兜状的“夹克”所包裹住，用来抵抗主水囊结构的内压力，同时也可以增强主水囊结构自身的强度。这种“夹克”应该由横向和纵向编织带(也称吊带)相互编织而成，横向吊带与纵向吊带相交形成一个节点补丁，四个节点 补丁可以形成两条相互交错的吊带，其结构如图所示。

“夹克”结构示意图

浮体中囊体与囊体之间通过卸扣，环眼和缆绳相连接，如图所示

(五)防波堤锚固系统的设计

本文设计的浮式防波堤按正对波浪入射方向布置，防波堤在波浪作用下会出现横向振荡和垂向振荡，同时还伴有微小幅度的纵向振荡。但是，由于防波堤的横向振荡是最为剧烈的，也是对防波堤定位影响最大的因素，因此，在设计系泊系统时，锚泊系统要针对横荡运动来设计。

为了保证浮式防波堤横荡运动不出现大幅度的运动，在结构的周围布置20根锚链，分成两组分布于囊体的两侧，在一侧中第一个锚链与最后一根锚链距离端部只有15m，还有两根锚链以30m的距离均匀分布，两侧的锚链对称布置。考虑到浮式防波堤的小幅度纵荡运动，且整体结构较大，于是在两端各布置4个锚链，其整体分布图如下图：

整体与断面结构锚链分布

在浮堤的端面时，将 5 个囊体分为一组，一共有 4 组，将每组的 5 个囊体连 接在一起，形成一个连接点，然后在将这个连接点与 1 个锚链相连，其端面连接图如下图所示。

端面锚链布置

三、新型结构的消浪机理

整个防波堤断面结构的吃水深度和堤身的宽度都比较大大，那么其消浪的效果也会很好。当波浪冲击到浮堤上时，一部分的波能会被堤身结构所吸收而产生上下运动，而且采用弹性锚定的方式也能吸收部分能量，能很大程度上消耗波能，中间的两个囊体能将波浪破碎从而导致水流流向各个方向，使水体与囊体相互作用形成碰撞、摩擦和绕流，破坏了原来波浪质点有规律的运动，转变为杂乱的紊动而达到消能目的；另一部分的波能被囊体给反射回去，与随着而来的波能相互抵消。整个结构和波浪的运动会产生相位差，而相位差对波浪的传递起到一定的衰减和抑制的作用。

四、研究与展望

本文通过分析现有的一些浮式防波堤物理试验模型，设计了一种满足要求的新型柔性浮式防波堤结构，但是其中也有许多需要完善的地方：

1.在检索现有的防波堤模型时，其试验都是在室内水槽中进行的，上述的结构设计有很大的优化改进空间，下一步也可以在造波水槽中进行试验研究，为后续的实际应用奠定基础。

2.囊体采用的是涤纶纤维等材料，长期使用的话应该要考虑长期的日照、海水的腐蚀和波浪冲击作用下的老化磨损，寻找一种更加抗磨损，抗腐蚀的材料。

3.现有的防波堤消浪的过程，都是将海浪的波能损耗，以热量的形式散发，未来的设计可在吸收能量的同时能够将其储存利用，这是一个很有意义值得探究的研究发展方向。