浮式防波堤与网箱组合结构的动力特性

王娜 周冠廷 王刚 陈国强 冀逸峰 刘年飞

摘 要：兼具网箱养殖功能的浮式防波堤结构，为深水浮式防波堤和深海网箱养殖提出了一条新的研究思路，不仅解决了海洋工程与海水养殖争地的矛盾，基于防波堤开展养殖的模式更较大降低海水养殖的成本。通过对浮式防波堤兼做网箱的结构进行物理模型试验，得到该结构在不规则波作用下，不同吃水深度、网箱深度以及周期对其水动力特性的影响，结果表明，在短周期波浪作用下，網箱深度为0.1～0.15 m时结构的水动力特性最好。该结构具有良好的工程应用前景。

关键词：浮式防波堤;网箱养殖;物理试验;水动力特性

中图分类号：U656.2

随着科技的发展，海洋资源显得越来越稀有，远洋资源的有限及国际渔业协定的制约，捕捞业总体规模将维持或有所缩减。在养殖业方面，网箱养殖所具有的优点使得网箱养殖成为养殖业赖以生存的一部分，而面对逐渐匮乏的海洋资源，对海洋水产资源的开发利用成为了现在的首要目标，科学提高养殖密度成为了发展的重点。所有这些都离不开海洋工程设施和相关技术装备。浮式防波堤有着建造迅速、移动方便、便于水体交换等优点，成为网箱养殖所用到的最合适的防波堤。想要提高养殖密度，结合对浮式防波堤结构形式的研究，提出了一种浮式防波堤兼网箱的一种结构，可以在现有的防波堤基础上加上网箱，这样可以在不增加原有海水养殖范围的基础上，提高海水养殖密度，可以以较小的投入取得更大的收益[1-2]。

防波堤的水动力特性，是决定防波堤能否在实际工程中应用的重要指标。物理模型试验能够很好地观察出防波堤的水动力特性，对于浮式防波堤的试验研究，郑艳娜[3]等通过物理模型试验对单箱、双箱以及板式3种不同结构形式的浮式防波堤进行研究，结果表明，板网式浮式防波堤的消浪效果最好。汪宏[4]等对柔性浮式防波堤进行了物理模型试验研究，结果表明，柔性浮式防波堤消浪性能优越，可以有效地对波浪进行削减，长波和短波都有较好的消浪效果。K.Murali[5]设计了一种新型的“笼式”浮堤，对浮堤的长宽比以及锚链刚度进行了分析，在复式结构运动特性的研究方面有所收获。侯勇[6]等对浮式防波堤的锚泊系统进行了研究，推导出了深海浮式防波堤的锚链刚度曲线表达式。刘庆凯[7]对悬链式单浮箱防波堤的水动力特性进行了物理模型试验研究，结果表明相对宽度B/L是影响悬链式单浮箱防波堤消浪性能的主要因素，相对吃水S/d是影响链式单浮箱防波堤最大拉力的主要因素。Ji[8]等提出了一种圆筒型浮式防波堤加网箱结构，网箱内部装有小球，并对其进行了物理模型试验，试验结果表明，新型防波堤对波浪有很好的消浪作用。

上述研究是对浮式防波堤不同种类的结构形式进行了研究，本文研究的结构形式，不同于以往的浮式防波堤。兼具养殖功能的浮式防波堤从结构形式上，属于附加了额外的构件，其响应的水动力还鲜有研究。采用物理模型试验的方法，观察分析浮式防波堤兼网箱结构在二维波浪作用下的水动力特性，分析其在不同吃水、不同网箱深度以及不同波要素情况下的透射系数和锚链最大拉力，为该种结构形式的相关设计应用提供参考。

1 物理模型试验

1.1 试验设备与仪器

本试验是在中国水产科学研究院江苏如东试验基地进行，水槽长50 m、宽1 m、深1.5 m，配有单项不规则造波机，可模拟规则波、不规则波、椭圆余弦波及各种波浪谱，波高测量采用LYL-Ⅲ型浪高仪，量程0～50 cm，DJ800型数据采集系统，量程0～40 cm，精度优于1%;力的测量采用DS30型测力系统量程0～20 kg，精度优于1%。

1.2 模型设计与布置

根据波浪模型试验规程[9]模型按照重力相似准则，根据试验水槽的性能以及现有的材料，在满足模型比尺的条件下，模型比尺1∶20，制作浮式防波堤的材料选用透明有机玻璃板，宽40 cm、高15 cm;用压块进行配重，配重后吃水深度为0.05 m和0.075 m。网箱深度为0.1、0.15、0.2 m 3种，锚链选用78AM2锚链，锚链长度为1.68 m，采用前后直拉的布置方式，锚点距离浮箱1.4 m。模型在水槽中的布置见图1，模型位于水槽中部位置，距造波板距离为30 m，模型后方放置有5个测波点 1#、2#、3#、4#、5#，分别布置在堤后50、100、150、200、250 cm处;拉力传感器安装在锚链上靠近模型端处，共有4个拉力传感器分别布置在浮式防波堤的迎浪面与背浪面。

1.3 试验方法及波浪要素

本次试验采用0.05 m和0.075 m两种吃水深度和3种不同的网箱深度（分别为网深0.1、0.15、0.2 m）与无网箱情况进行比较，每组工况进行3次试验。试验采用不规则波进行，波谱采用JONSWAP频谱。即：

试验波要素见表1。

1.4 数据采集与处理

在安装物理模型试验前，需要对浪高仪和拉力计进行率定，以保证测量的准确性减小系统的误差。本次试验的波高和拉力的采集是同时进行，在造波开始前对浪高仪和拉力计进行定零。采集时间为120个波左右，1.12 s和1.565 s周期采样长度为8 192，2.01 s周期采样长度为16 384。

本文定义透射系数k来评估浮式防波堤的消浪效果。

Ht为入射波高，Hi为堤后波高。

波高和拉力均是选取1/3值。

2 试验结果分析

主要研究吃水深度0.05 m时，无网箱及网箱深度（0.1、0.15、0.2 m）情况下的浮式防波堤兼顾网箱结构的稳定性以及消浪性能，试验模型如图2―图5，通过试验观察及数据分析，背浪侧锚链相对于迎浪侧锚链受力很小，数据取值为迎浪面，背浪侧锚链本文暂不讨论。试验数据见表2―表5。

2.1 吃水深度对浮式防波堤的锚链受力情况以及消浪情况

选取了0.05 m吃水和0.75 m吃水下，相同波高、周期、网箱深度的锚链的受力和透射系数，将锚链受力和透射系数进行对比。结果见图6、图7。

从图中可以看出，吃水深度为0.075 m的消浪效果要优于吃水深度0.05 m的情况，但吃水深度0.075 m时的锚链受力要比0.05 m的略大，不过吃水0.075 m的锚链受力仍远小于锚链的最小断裂荷载。所以选取0.075 m吃水深度较好。下文便选取0.075 m吃水深度情况作为研究对象，分析其在何种网箱深度下的锚链受力和消浪效果最优。

2.2 吃水0.075 m时，不同网箱深度浮式防波堤的水动力特性

试验水深D=0.5 m，周期T=1.12 s 条件下，迎浪侧锚链最大拉力与网箱深度的变化规律见图8，从图8可以看出，在不考虑无网箱情况下，波高不变时，随着网箱深度的增加，最大拉力会略微起伏，但受力幅度不大，不同波高下的变化规律是相同的。

从图9可以看出浮式防波堤兼网箱结构的透射系数，随着网箱深度的增大，呈现出减小的趋势，而且，网箱深度为0.1 m到网箱深度为0.15 m时，透射系数下降的趋势较明显，其他两端下降较平缓。

结合工程实际应用，浮式防波堤加上网箱结构后，在锚链力增值不大的情况下还能有着良好的消浪性能，所以在1.12 s周期下，网箱深度为0.1～0.15 m时，是该种结构的最优选择。

试验水深D=0.5 m，周期T=1.565 s 条件下，迎浪侧锚链最大拉力与网箱深度的变化规律见图10。在不考虑无网箱情况下，波高为0.12 m时，锚链的最大拉力要远大于其余各波高，同时锚链的最大拉力随着网箱深度的变大而逐渐增大，不同波高下的变化规律相同。

从图11可以看出浮式防波堤兼码头结构的透射系数，随着网箱深度的增大，呈现出减小的趋势，而且，网箱深度为0.1 m到网箱深度为0.1～0.15 m时，透射系数下降的趋势较明显，其他两端下降较平缓。

结合工程实际应用，浮式防波堤加上网箱结构后，在锚链力增值不大的情况下还能有着良好的消浪性能，所以在1.565 s周期下，网箱深度为0.15 m时，是该种结构的最优选择。

试验水深D=0.5 m，周期T=2.01 s 条件下，迎浪侧锚链最大拉力与网箱深度的变化规律见图12，在不考虑无网箱情况下，波高为0.12 m時，锚链的最大拉力要远大于其余各波高，同时锚链的最大拉力随着网箱深度的变大先变大，在网箱深度为0.15 m时达到最大，随后减小，其余波高条件下在不考虑无网箱情况下随着网箱深度的增加锚链力逐渐减小。

从图13可以看出浮式防波堤兼码头结构的透射系数，随着网箱深度的增大，呈现出减小的趋势，但下降趋势较缓。

波高在0.04～0.1 m时，变化规律较明显，且随着网深的增加，锚链力的变化幅值不大。对于0.12 m的波高，网箱所受到的锚链力会远超出其余各波高。3 结论

研究对象为箱式浮堤与网箱养殖的结合，其最重要的功能就是消浪和稳定，迎浪侧锚链的最大拉力会随着波高的增大而成指数趋势变化，不建议在较大波高情况下挂养殖网箱，为了满足实际应用中的稳定性，网箱深度也不是越大越好，结合考虑网箱的消浪性能，虽然浮式防波堤的透射系数会随着附带网箱的深度的增加而减小，但其中网箱深度为0.1 m到0.15 m的增大趋势较明显。所以，当短周期时，网箱的深度选在0.1～0.15 m之间是该结构的最优选择。而长周期条件下，锚链受力随网深变化规律不明显，不建议挂网箱进行养殖。

通过试验结果发现吃水深度0.075 m的消浪效果会略优于吃水0.05 m，并且锚链的最大拉力并没有显著提升且远小于锚链的最小断裂应力，浮式防波堤与网箱组合结构形式选0.075 m吃水深度较好。

参考文献：

[1] 李玉成.海洋工程技术进展与对发展我国海洋经济的思考[J].大连理工大学学报，2002（01）：1-5.

[2] 李玉成，滕斌.波浪对海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002：94-96.

[3] 郑艳娜，董国海，李玉成，等.深水浮式防波堤结构形式的试验研究[J].中国海洋平台，2005（06）：1-5+10.

[4] 汪宏，徐洪彬，宣刚.柔性浮式防波堤的物理模型试验研究[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2013，27（02）：119-122.

[5] Murali K，Mani J S. Performance of Cage Floating Breakwater[J]. Journal of Waterway Port Coastal & Ocean Engineering 1997，123（4）：172-179.

[6] 侯勇，王永学，董华洋，等.浮式防波堤的锚泊系统[J].中国海洋平台，2008（05）：32-35.

[7] 刘庆凯，纪巧玲，王钰.悬链式单浮箱防波堤水动力特性试验研究[J].水运工程，2020（01）：23-28.

[8] Ji Chun-Yan，Chen Xiang，Cui Jie，et al.Experimental study of a new type of floating breakwater[J].Ocean Engineering，2015（105）： 295-303.

[9] 中华人民共和国交通部.波浪模型试验规程： JTJ/T 234-2001[S].北京：人民交通出版社.2001.