网箱式浮防波堤消浪效果的数值研究

王志瑜，李 超，张金凤，马 瑞，赵一帆

(1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222； 2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点 实验室，天津 300072)

浮式防波堤作为防护构筑物，与传统防波堤相比能够保证被掩护水域的海水正常交换[1-3]，保证被掩护区域的水体质量，对防波堤所在区域以及掩护区域原有生态系统影响相对较小，尤其适用于水产养殖、游艇码头等对水体质量要求较高的区域[4-5]，且浮式防波堤可模块化生产、安装，具有便于安装、维修、拆除等优点，拆除后不影响工程区域的后续开发利用，有广阔的发展前景和重要的社会意义。

浮防波堤的种类多种多样，按照堤身的变形性能可将浮防波堤分为三类：刚性浮防波堤、柔性浮防波堤和混合式浮防波堤。刚性浮防波堤在波浪作用下不发生形变，常见的有浮箱式[6-9]、浮筒式[10]、栅栏式和浮筒栅栏式等。其中浮箱式浮筒式都是反射型的浮防波堤，而浮筒栅栏式是反射波浪破碎型浮防波堤；浮箱的墙体主要由钢板和钢筋混凝土制成，断面形式一般为矩形、圆形等规则形状，这样的结构形式设计、施工以及安装容易，造价低，在运动幅度比较小时还可以兼做道路、锚船或者渔码头等。栅栏式浮防波堤具有破碎反射波的功能，是由反射、谐振和波浪破碎来减少透射波的，主要代表为开孔箱式浮防波堤、垂直幕墙式浮防波堤、多层浮管式浮防波堤[11-12]。柔性浮防波堤在波浪作用下可以通过改变其形状吸收波浪能量，柔性浮防波堤的最典型代表就是废旧轮胎浮防波堤，各个轮胎之间以铰接形式连成浮防波堤[13]。近年来出现了“刚柔相济”的浮防波堤，就是结合了刚性和柔性材料特点的浮防波堤，例如板网式防波堤[14-15]和新型筏式防波堤[16]。

本文提出了一种网箱式浮防波堤，该防波堤靠钢框架将消能网固定，框架中钢梁断面较小对波浪反射较小，减少了结构直接受力，主要靠网孔打乱波浪水质点的运动规律，达到减少堤后波浪的目的。网箱式浮防波堤通过一层一层消能网逐渐消耗波浪能量，通过多层消能网的累积效应达到堤后波高不超过入射波高一半的目的。影响网箱式浮防波堤消浪效果的因素主要有相对吃水、相对宽度、相对波高、消能网间距、消能网孔隙率等，本文采用FLOW-3D软件研究了相对吃水、相对宽度、消能网间距对消浪效果的影响。如图1所示，网箱式浮式防波堤主要由框架结构、消能网和锚碇系统组成。框架结构为空心封闭结构，其内部可填充塑料泡沫，除了起到固定消能网的作用之外，还为结构整体提供浮力，不再设置单独的浮力单元。消能网采用耐久性较好、强度较大且基本不吸水的材料。锚碇系统用于限制结构的运动幅度，其中锚碇构件固定于海底，通过锚链和弹性构件与框架结构连结，能够使各个锚链受力均匀，有效避免某一个锚链突然受力过大的情况出现，提高结构的安全性。

图1 网箱式浮防波堤示意图Fig.1 Schematic diagram of net cage floating breakwater

1 数学模型的建立及验证

1.1 数学模型建立的基本理论

本文计算浮防波堤的消浪效果采用的是FLOW-3D软件。

1.1.1 流体在孔隙介质的控制方程

本文在模拟消能网时采用的是孔隙介质模型。孔隙介质的孔隙率Vf定义为孔隙体积与总体积之比。通过构建孔隙介质的连续模型并平均到每一个控制体中，其质量方程为

(1)

式中：Ux、Uy、Uz分别代表x、y、z方向上的速度。

波浪水质点在消能网和消能网之间会发生紊动，本文采用由雷诺数确定的拖拽力系数Fd的计算公式为

(2)

式中：a=180/D2；b=1.8～4.0/D，b越大表明越粗糙。

1.1.2 波浪运动控制方程

(1)连续方程。

(3)

式中：VF为可流动的体积积分；ρ为流体密度；RDIF为紊动扩散项；RSOR为质量源项；u、w、v分别代表x、y、z三个方向的速度分量。

(2)动量方程。

(4)

式中：Gx、Gy、Gz为物质在x、y、z三个方向的重力加速度；fx、fy、fz为x、y、z三个方向的粘滞力加速度；bx、by、bz为在多孔介质中的流动损失。

1.2 模型设置

图2 数值模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the numerical model

根据使用要求，在水深12 m，平均周期12 s，波高达到4级海况的条件下，浮式防波堤掩护区域的波高不超过行进波波高的0.5倍。故本次数值模拟采用的水文条件为：周期T=12 s、波高H=2.5 m、水深d=12 m、波长L=123 m。采用Flow-3D建立二维模型进行防波堤消浪效果的研究，数值模拟波浪水槽长800 m，其中消波区长430 m，高度18 m。消能网采用多孔介质进行模拟，计算模型中孔隙率为50%，为了兼顾计算精度和计算时间，对于水面1倍波高范围以及防波堤中心两侧各60 m的范围网格尺寸0.1 m，其他区域网格适当加大，最大网格尺寸不超过1.0 m。波高监测位置为堤后1倍波长位置。计算时间取为8个周期96 s，间隔0.2 s采集一个结果。本文假定浮防波堤固定，不在波浪的作用下运动，在这个假定条件下对网箱式浮防波堤的消浪效果进行数值研究(见图2)。

图3 理论计算波面和验证模型堤后波面实测值对比图Fig.3 Comparison of the theoretically calculated wave surface and the measured value of the wave surface behind the verification model

1.3 模型验证

为了验证模型的合理性，保证研究成果的科学性，本文拟采用5阶Stocks波的理论计算波面与消能网在孔隙率为99.9%情况下堤后实测波面进行对比。

验证模型中的浮防波堤主要参数：消能网数量10片、间距5 m、孔隙率99.9%，吃水8.0 m。

图3为5阶Stocks波的理论计算波面与验证模型中的堤后实测波面的对比图。从图中可知二者差别不大，本模型可用于网箱式浮防波堤消浪效果的数值模拟。

表1 网箱式浮防波堤计算工况Tab.1 Calculation conditions of net cage floating breakwater

2 数值计算结果及分析

本文主要研究了相对吃水(浮防波堤吃水/水深)、相对宽度(浮防波堤宽度/波长)、消能网间距、消能网孔隙率对消浪效果的影响。并分别绘制了相对吃水、相对宽度、消能网间距与透射系数的散点图，根据计算结果分别分析了相对吃水、相对宽度、消能网间距对透射系数的影响规律。

数值试验共分为3组，第一组是仅改变相对吃水一个变量，来研究相对吃水对浮防波堤消浪效果的影响，第二组和第三组的变量分别为相对宽度和消能网间距，分别研究相对宽度和消能网间距对消浪效果的影响。网箱式浮防波堤数值模型计算工况见表1。

图4给出了相对吃水对消浪效果的影响曲线，从图4中可以看出透射系数随着相对吃水的增加而减小，随着相对吃水的增加，透射系数减小的速率有逐渐降低的趋势。图5给出了相对宽度对消浪效果的影响曲线，从图5中可以看出透射系数随着相对宽度的增加而减小，随着相对宽度的增加，透射系数减小的速率有逐渐降低的趋势。图6给出了消能网间距对透射系数的影响曲线，从图6中可以看出透射系数随着消能网间距的增加而增加，随着消能网距离的增加，透射系数的增加速率有逐渐减少的趋势。图7给出了孔隙率对透射系数的影响规律，从图6可看出，透射系数随着孔隙率的增大而增大。在计算范围之内，相对宽度、相对吃水和孔隙率对消浪效果影响较大，且相对吃水越大、相对宽度越大、孔隙率越小消浪效果越好；消能网间距对透射系数影响相对较小，消能网间距越大，消浪效果越差，但是对消浪效果的影响能力与相对宽度、相对吃水、孔隙率相比较小。网箱式浮防波堤消耗波浪能量主要在3个方面：(1)消能网反射；(2)消能网与水质点的摩擦；(3)消能网的存在扰乱了水质点的运动轨迹，第3个因素是主要因素。增加相对吃水、相对宽度对消耗波能的3个方面均有所加强，而减少消能网间距和增加孔隙率则对这3个方面均有所减弱。

上述工作完成过后，由于本文给出的网箱式浮防波堤是为了在较深的水域应用，所以在同样波浪条件下，计算了25 m水深情况下该浮防波堤的消浪效果，当采用上述结论中相同的相对吃水、相对宽度、消能网间距、孔隙率时，计算结果表明其变化规律与12 m水深时的变化规律一致。

3 结语

(1)在计算范围之内，消浪效果与相对吃水、相对宽度呈正相关，即相对吃水越大、相对宽度越大则消浪效果越好；(2)在计算范围之内，消能网间距越小，消浪效果越好，但是消能网间距对消浪效果的影响程度较弱；(3)在计算范围之内，消浪效果与孔隙率呈负相关，即孔隙率越小，消浪效果越好；(4)当水深为12 m，周期为12 s，波高为2.5 m的情况下，相对吃水不小于0.67、相对宽度不小于0.33、消能网间距不超过2.6 m的情况下堤后波高能够减弱至原波高的0.5倍及以下。

对于网箱式浮防波堤影响其消浪效果的因素和消能网孔隙率沿波浪传播方向的变化、浮体约束条件等因素。后续将研究消能网孔隙沿波浪传播方向的变化、浮体约束条件等因素对消浪效果的影响，增加相对吃水、相对宽度、消能网间距、消能网孔隙率、消能网孔隙率沿波浪传播方向的变化对运动幅度和锚链力(或者其他约束方式)的影响规律。待数值模拟研究比较完善之后进行物理模型试验研究。