一种新型防波堤结构设计研究

杨培杰 庄宁 杨文涛

摘 要：针对现有传统防波堤结构用途单一，空间利用率不高的问题，本文提出一种新型防波堤结构型式。新型防波堤结构依托于传统结构型式，对其内部构造进行创新改进，在满足原有防波消浪的功能上，进一步利用海洋风力、水体势能进行清洁发电，为未来海洋新能源发展提供借鉴和参考。

关键词：防波堤;新型结构;新能源

1引言

近年来，随着我国海洋事业的飞速发展，海上交通运输日趋繁忙。在国家“一带一路”的倡议下，港口码头的建设步伐不断加快。但随着优良岸线规划殆尽，以及船舶吨位的不断提高，对于码头及其配套设施的要求越来越高。为保持港内水域平稳，便于船舶泊稳和船舶装卸作业的需要，通常在港池外侧设置防波堤，以减小港外水体对港池内船舶的影响。

结合防波堤工作原理，防波堤主要分为实体式和透空式两大类[1-2]，实体式防波堤主要采用抛石构造，结构简单，可较大程度减小外海侧波浪能。透空式防波堤[3]包括梳式防波堤、喷气防波堤、喷水防波堤等，透空式防波堤投资较少，但消能效果较实体式差，故实际使用中以采用实体式防波堤居多。现行实体式防波堤主要用于削弱波能，使用方向较为单一。

随着不可再生能源的不断消耗，人们对新型能源的开发和利用愈发重视，利用海洋上风能、波浪能进行发电的装置不断涌现。以海上风机为例，重力式、单桩式、浮筒式等各种新型式结构出现在海洋上。但海上风机多建于外海范围，在海上恶劣的海象条件作用下，结构施工时困难较大且后期防腐加固成本较大。如果能够通过改进现有传统结构，实现功能多元化，提高结构的利用率，将使传统结构与绿色环保结合，实现效益最大化。

2结构设计原理

2.1结构设计

本文基于传统实体式防波堤结构，提出一种能够兼顾消能和发电的新型式防波堤，利用内部结构将海洋上风能和水体势能转化为电能，实现结构多元化利用。

如图1所示，防波堤采用重力式结构，防波堤中部设置沉箱，沉箱前后侧回填抛石，在减轻结构整体重量的同时保证结构抗滑稳定。防波堤向海侧斜坡上设置若干个凹槽，凹槽下设有传送带，凹槽中海水可借助传送带上的取水箱输送。防波堤向海侧堤顶设置圆弧形胸墙，挡浪墙上设有风叶板，可在海风作用下转动，带动传动带工作，将斜坡凹槽中海水输送至沉箱内。由于胸墙采用圆弧形，可有效汇聚风力，提高风叶板转动效率。传送带上部端口处设置有一盛水容器，可暂时储存水体。因盛水容器下侧设置有一复位弹簧，当水体达到既定重量时，弹簧压缩使容器向下倾倒泄水。泄水后盛水容器在复位弹簧作用下复位，盛水容器进入下阶段循环。盛水容器下侧设置有一发电叶片，可通过水体动能驱动进行发电。沉箱底板通过铰支座连接有两根杆件，一根杆件顶端固定有铁质浮子，可在上部磁铁控制下转动，另一根杆件内置弹簧，可控制阀门启闭。

如图2、图3、图4所示，水体传送模块由若干传动带构成，通过风力驱动风叶板转动，进而带动传送带运转。传送带上设有若干个取水箱，取水箱开孔上大下小，可有效蓄存水体。风力驱动传送带运转后，取水箱向高处移动，待到达最高点位后，取水箱在传送带作用下翻转，水体进入盛水容器。由于结构设计时通过风力驱动，无需额外动力，节能环保，经济性较好。

2.2工作原理

外海在恶劣的海象条件作用下，海风、海浪均较大。海浪拍击防波堤后，受防波堤阻挡消能，水体沿防波堤斜坡向下回流。由于防波堤向海侧堤顶设有圆弧状胸墙，内设有风力转动叶片，在海风作用下，可有效驱动转动叶片转动。圆弧形胸墙可有效汇聚风力，提高风力利用效率。水体沿防波堤斜坡回流后，部分水体可经斜坡面凹槽存储于传送带的取水箱内。取水箱经传送带传输至斜坡顶后，水体倾泄至沉箱內的盛水容器中，当盛水容器中水体量达到设计预期量后，容器在重力作用下压缩弹簧，容器倾斜泄水，水体在自重作用下冲击下侧发电叶片，驱动发电叶片转动发电。盛水容器中水体减少至设计值时，盛水容器在复位弹簧作用下归位。水体带动发电叶片转动后，存贮于沉箱内，待沉箱内水体量达一定设计值时，浮子控制沉箱侧阀门开启，水体外排，驱动排水管中第二发电叶片工作发电。水体减少后，铁质浮子随水位同步下降，但由于受上部磁铁吸力作用，铁质浮子下降速度较慢，进一步促进沉箱内水体排泄。待铁质浮子完全归位后，阀门完全关闭，沉箱进入下一阶段蓄水循环。

3应用前景

（1）保留传统防波堤结构，在防波消浪的同时，充分利用空间结构进行发电，实现单一结构的多元化利用。由于防波堤主要布置于近海，较海上风机等发电结构物而言，施工不可测要素较少，施工方便。投入使用后，由于不需人为操控，自动清洁运行，后期维护费用也较低。

（2）适应当前节能减排、绿色环保的时代要求，通过大自然中风能、波浪能等清洁能源发电，将可再生资源合理利用，符合未来海洋能的利用方向。

（3）传统防波堤运作时，仅起消波消能的作用，未能很好地将波浪能进行利用。本文所述的新型结构可将海洋波浪能充分利用，在部分消除破坏性能量的同时，也能部分转化能量，可为海洋新能源方向提供借鉴。

4结论与展望

（1）针对传统防波堤结构用途单一的问题，本文提出一种新型防波堤结构，在传统防波消能的基础上，结合能量转化结构布局，在无需额外能量消耗的同时进行清洁发电。在目前节能环保，大力发展清洁能源的现阶段，该结构将为可持续发展理念提供借鉴和参考。

（2）该新型防波堤结构相比于海上风电平台等新能源结构而言，施工安全便利，受海洋条件约束较少。且该结构可充分利用现有结构，工程投资低，对于未来海洋新能源市场具有巨大潜力。

参考文献：

[1]卢超，郑龙.板式开孔防波堤水动力特性及受力研究综述[J].中国水运（下半月），2018，18（07）：159-160+162.

[2]合田良实， 刘淑珍. 新型防波堤结构的研究概况[J]. 水道港口， 1983（03）：52-55.

[3]徐宁，杨小桦，庞丹，刘仔峰.透空式双层板防波堤消波特性研究[J].中国水运（下半月），2014，14（07）：214-216.