浮式防波堤结构及其性能数值研究

杨利乐 中交海洋建设开发有限公司

浮式防波堤主要是由浮式构件和系泊系统组成，具备防浪消波的基本功能，常用于港湾、海口甚至海上工程施工现场，以及海水养殖、工业生产等诸多领域。尤其是在开放式海域养殖生产过程中，随着海水网箱养殖范围的进一步拓宽，越来越多海上网箱受到台风、海浪甚至涨潮落潮的侵袭造成养殖损毁，海水网箱养殖经济效益过低。因此，为保证海水网箱养殖的安全高效与养殖鱼群的正常生长，促进海水网箱养殖产业的不断扩大，对浮式防波堤进行消浪减浪研究也就具备重要意义。因此，本文对浮式防波堤结构及其性能参数的探讨与研究，也就具备重要理论意义和现实价值。

1.浮式防波堤的消浪机理与主要类型

浮式防波堤的结构类别是影响其消能消浪效果的最重要因素，不同类型的浮式防波堤的消浪机理有所不同，总体而言，主要存在波能反射原理、波列间干涉削能削波原理、紊动消波原理以及波浪力做功消波原理四大类别。

近年来，随着国内外学者对浮式防波堤研究的不断深入，浮式防波堤进一步被分为筏式浮堤、板-网式浮堤和箱式浮堤三大类别。

（1）就波能反射消波而言，可利用浮式波消堤消前部分反射能量与波浪间的能量关系，使消防堤的相对入水深度降低，达到浮式堤消波消浪的效果。

（2）就波列间的干涉消波而言，由于波浪间的传递频率及结构类别与波浪本身所具备的频率有所不同，因此，波浪传递频率与波浪本身频率之间的相互牵制和抵消，能达到波列间的干涉作用，从而达到消去波浪能量的最终效果。

（3）就紊动消能原理而言，由于水体结构与浮式防波堤结构类别相互作用，两者之间形成的碰撞、摩擦甚至相互冲击等破坏了原有波浪运动的作用规律，将其运动转变为杂乱紊动，以此达到波浪消减的目的。

（4）就波浪力作功原理而言，波浪力使浮式消波堤的结构形式产生竖直位移或横向、纵向变形，使该部分波浪力做功达到能量耗减的目的，最终达成消波功能。

（5）就阀式浮堤而言，该结构主要借助波浪运动过程中水质点垂直运动速度的抑制作用，达到波浪消减以及能量消耗的作用。由于阀式浮堤吃水深度往往较小，结构尺度在波浪横向传播上的方向距离较长，因此，往往需达到一倍以上波长才能有效起到波浪能量消减的作用。该消浪机理主要是通过阻止波浪运动过程中波能水质点运动时的垂直分量，使该分量变小，从而使波浪运动质点从以往的有规律的轨迹运动转化为杂乱无章的紊动运动状态，以此达到波浪能量消减作用。在筏式浮堤应用过程中，由于该结构本身具备透水性，且筏式浮堤的上下波动会造成流动水体的上下波动而破坏法筏式浮堤底部与水顶部之间波浪质点的水平分量，以此进一步加强筏式浮堤的波能消减。

2.浮式防波堤结构形式与作用试验

浮式防波堤的制作最初选用的材料为镀锌铁板，但由于浮式防波堤结构类型多种多样，且模型采用锡焊接时，铁板焊缝大小无法保证，其均匀性与对称性难以有效控制，很容易导致筏式防波堤模型重量呈现不对称状态，最终影响浮式防波堤在静水结构中的顶面水平状态的保持，因此，本文最终选择利用有机玻璃作为制作浮式防波堤结构的基本材料，对其作用进行波能检测和消减，再以物理试验探讨其作用。

图1 L型中浮箱式防波堤和L型边浮箱式防波堤透过率变化影响曲线图

图2 不同结构类型和不同宽度条件下边浮箱式防波堤透过率变化影响曲线图

采用有机玻璃制作浮式防波堤，能有效克服原本镀锌铁板制作浮式防波堤模型带来的对称性与均匀性无法保持的缺点，且浮式防波堤的加工更加灵活，因此，为最大限度体现浮式防波堤结构形式对整个波浪能量的削减效果和透过率，本文选择L型中浮箱式防波堤和L型边浮箱式防波堤两种结构。就L型中浮箱式防波堤而言，该类型浮式防波堤由栅栏板和舷板组成，利用栅栏板与舷板围合为方形结构，再将浮箱固定在浮式防波堤中部结构。L形边浮箱式防波堤则利用栅栏板和舷板围合，将空心型的圆筒形的浮箱固定在防波堤的两侧，从而形成完整的浮式防波堤。

在采用空心圆管和栅栏板结合的浮式防波堤为条件的基础上，设置水深8m和8.2m的浅水区域，探究不同类别浮式防波堤结构形式与波能消减作用之间的关系。在此基础上，设置长34m、宽0.5m、高0.68m的水槽，在该水槽中进行浮式防波堤消能消波作用的探讨与试验。在水槽一侧利用推板式造波机模拟自然条件下的波浪涌动运动规律，由此产生单向规则波和单向不规则波，在水槽另一侧则安装消能装置以吸收波浪能量，达到波浪能量消减和减少波浪能量反射的作用。

3.浮式防波堤系统试验的性能数值

以L型中浮箱式防波堤和L型边浮箱式防波堤为主要探究对象，探讨不同类别箱式防波堤在不同的浮堤宽度条件下，通过物理试验研究采集到的浮堤前后的波浪高值，进一步分析得到L型中浮箱式防波堤和L型边浮箱式防波堤在浮箱宽度为6m、8m、5.95m和7.98m的四个不同条件下的透过率，其结果曲线图如图1。由图可知，当浮式防波堤均为L型中浮箱式防波堤时，随着防波堤宽度的增加，中浮箱式防波堤透过率变化影响并不大。也就是说，L型中浮箱式防波堤的堤坝宽度变化对整个波能消减过程中透过率的影响并不大。但当研究对象为边浮箱式防波堤时，随着浮堤宽度的不断增加，L型边浮箱式防波堤的透过率存在着较大变化。也就是说，L型边浮箱式防波堤的浮堤宽度变化对其波能消减过程中透过率的变化有着明显影响。

为进一步探究不同结构类型边浮箱式防波堤和不同宽度条件下边浮箱式防波堤对整个波能消减过程中透过率的影响变化，本文以L型、T型和H型边浮箱式防波堤为主，探讨了上述三种不同类型的边浮箱式防波堤在浮堤宽度为5.95m、7.89m的不同条件下的透过率，其曲线结果示意图如图2。由图可知，当浮堤宽度大小值相同时，同样是边浮箱式防波堤，H形和T形防波堤的浮堤宽度变化对波能消减过程中透过率的影响并不大，但L型边浮箱式防波堤浮堤宽度的变化，对波能消减过程中的透过率则有着明显影响。当控制防波堤结构类别均为H型边浮箱式防波堤时，随着不同浮堤宽度的变化，在波能消减过程中的透过率变化斜率有所不同。

4.结论

浮式防波堤的结构类型，将影响浮式防波堤波浪透过系数，最终借助影响透过率影响波能消减效果。因此，在利用浮式防波堤时，应根据实际情况具体分析，采取波能消减效果影响因素最少的浮堤结构形式和浮堤宽度条件，为更好地利用浮式防波堤结构作出应有贡献。