多层浮管结构浮式防波堤消浪特性研究

2022-01-12张金凤

港工技术 2021年6期

刘滨，张余，马瑞，张金凤

(1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

关键字：多层浮管结构；浮式防波堤；消浪效果；透射系数

引言

目前，在海岸工程和港口工程中，防波堤常用的结构型式为两大类，一类为抛填结构，如：抛石结构和充填砂袋结构等，另一类为预制安装构件结构，如：沉箱结构、半圆体结构、箱桶结构等。这两类结构为了达到满意的消浪效果，防波堤的结构断面尺度往往比较大，材料用量多、工期长，工程造价随着水深的增加而快速增长，另外，为了满足结构的安全、稳定的要求，还需要开挖地基或者进行地基处理，从而引起环境污染等问题。

为了解决传统防波堤的问题，考虑波浪能量主要集中于水体上层的特点，浮式防波堤结构将主要消能结构尽量分布在水体上层，消能结构和波浪的能量分布相对应，从而有效消弱波浪能量、阻断波浪冲击力，堤后能提供良好的掩护。

目前浮式防波堤也有多种多样[1-11]，吴维登[1]等研究的钢管-轮胎式结构、董华洋[2]等研究的水平板式结构、张余[3]等研究的废旧轮胎浮式结构、王环宇[4]等研究的多孔浮式结构等，大多采用整体铺设在水面上，利用防波堤的体型压制波浪，进行消能，但是随着波浪的周期和波长不断加大，浮式防波堤体型也会不断加大，当波浪周期增大到10 s 以上情况时，一般的浮式防波堤消浪效果变差，不能提供有效的掩护条件。

1 消浪机理

浮式防波堤按消浪机理[12-15]来分主要有：

1）反射方式，利用浮堤的迎浪断面，使波高反射，与入射波产生相位差以及摩擦等复合作用使堤后波高减小；

2）摩阻方式，主要利用浮堤沿波浪传播方向的结构长度，使入射波在浮堤上沿程破碎摩擦，从而消耗部分波能；

3）波浪破碎方式，主要利用浮堤结构使波浪破碎，入射波作用在浮堤结构上造成波能损耗，从而同时衰减反射波和透射波。

鉴于前两种消浪机理多应用于浮筒和浮垫结构，本文的其他结构方案也采用这两种消浪方式，本结构方案考虑从第三种消浪机理入手，而对应该机理的结构多采用栅栏式结构。

根据微幅波的理论：

1）当水深与波长的比值d/L＞0.5 时，水体的质点是循圆形轨迹运动，圆半径按指数规律从水面向下衰减，水质点的水平速度分量在水表面最大，随着水面向下而急骤减小，在半水深处的速度约为水面的1/5。由于波浪的动能大部分靠近水面，采用浮堤消波效果很好；

2）当d/L≤0.05 时，为极浅水波，水质点几乎呈水平轨道往复运动，其速度水平分量从水面到水底几乎不变；

3）0.05＜d/L＜0.5 时，为浅水波，水质点轨迹为一椭圆，水平速度沿水深的衰减率介于二者之间。

本文主要研究周期为12 s 的波浪，波长较大为80～120 m，d/L 为0.1 左右，属于浅水波。由于波浪水质点运动速度的水平分量沿水深的分布规律实际上是波浪能量的分布规律，可知栅栏式结构浮堤进行消波不能仅仅设置在水表面，需要竖直深入水中一定深度方能有效拦阻波浪水质点运动，损耗波能。

目前，采用栅栏式浮式防波堤进行消浪的研究还不多，一般采用固定式，常见的几种方案，如：斜坡式防波堤护面的栅栏板结构、沉箱或扶壁式格栅防波堤[12]、单排桩式直立堤以及新型透空格栅板式防波堤[13]等。

图1 格栅式防波堤示意图

针对本文研究的内容，在固定式桩基结构的基础上加以改进，结合锚链固定方式提出半固定的格栅式浮管结构。但单排桩式结构一般适用于波浪周期较小的情况，波浪周期超过10 s 以上时，受孔隙率的影响波浪透射系数较大，很难达到理想的消浪效果，试图通过控制格栅孔隙率和多层拦阻来达到理想的消浪效果。

2 结构设计

多层浮管结构浮式防波堤结构如图2 所示，根据消浪效率的目标要求，本方案设置三层防波堤单元排，通过数模研究，每层防波堤单元排间隔四分之一波长布置，利用多层垂直漂浮于水体中的浮管对波浪进行拦阻，阻止波浪传播，并使波浪通过浮管时破碎。浮管结构在波浪作用下上下浮动、前后摆动，干扰波浪水质点运动，使水质点运动紊乱，反射、谐振和波浪破碎来减小透射波，达到消减波能的目的。

图2 多层浮管结构断面图

每层防波堤单元排为一独立结构，包括：主体结构、拉索和锚碇结构。主体结构由多个浮管单元串联且竖直悬浮于水体中形成浮体，各浮管单元之间设有间距形成孔隙；浮管单元的两侧及底部分别连接有拉索，拉索的另一端固定于沉放在海底的锚碇结构上；锚碇结构为联锁软体排结构。

在本结构方案中竖向漂浮在水中的格栅状的主体结构是消浪的核心部件，而主体结构则是由一个个浮管单元连接成为整体的，每个浮管单元主要由浮管、轮胎及空浮腔构成。

根据计算，同时考虑浮管单元的强度和稳定性，浮管单元中的浮管的材质为钢管，外直径为0.48 m，壁厚20 mm，间距1.4 m 排列。浮管漂浮于水中，在空浮腔上下分成两段，露出水面部分的高度为2 m，水深10 m 条件下空浮腔以下的高度为5.72 m，浮管的长度可以根据水深进行调节，根据数模计算的结果，若达到较好的消浪效果，建议浮管的入水长度与设计水深比大约为0.8～0.9 较为适宜。

浮管露出水面一定高度能阻挡波浪的爬高和越浪，从而降低越顶次生波在堤后的影响。经过数模分析对比研究，露出高度与设计波高有直接联系，一般设置为高于水位一倍波高较为适宜。

由于钢管外表光滑，为加大糙率，使波浪在穿过格栅状的浮管时能够摩擦效能，浮管外采用包裹橡胶轮胎，既能提高波浪的摩擦效能，同时又增加浮力，保证整体浮式防波堤的浮游稳定性。轮胎规格采用 49’×19’-20’，每个轮胎厚度0.51 m，外径1.25 m，每根浮管上安装上述规格的轮胎尽量包裹整个浮管。根据数模计算对比研究，浮管外面包裹轮胎以后形成的间隔孔隙对消浪效果影响较大，为达到本文设定的目标，本方案采用孔隙率为0.1，浮管、轮胎的排列如图3 所示。

图3 浮管结构平面图（单层）

11 个浮管单元依靠浮管中部的空浮腔和底部的连接钢管连成一组防波堤单元，每组防波堤单元宽度为15.25 m。每组防波堤结构中，相邻两根浮管中心间距为1.4 m，浮管外套轮胎后直径为1.25 m，因此两个浮体单元之间的缝隙宽度为0.15 m。水面以下1.8 m 范围内为空浮腔，空浮腔串联一组单元内的浮管，长度 15.25 m，高度1.3 m，给防波堤结构提供必要的浮力。底部连接钢管的外直径0.48。每组防波堤单元中浮管间隔地用两侧16 根拉索及底部6 根拉索，固定在海底的联锁软体排。联锁软体排的分段长度为12.25 m，和防波堤单元分段相同。联锁软体排采用多层混凝土连锁软体排体，厚度为1 m。每组防波堤结构的浮管顶部可设置3 盏警示灯。

根据以上结构方案，考虑本多层浮管结构的浮式防波堤的建造施工过程如下：

1）采用铺排船将陆上提前预制好的联锁软体排敷设在海底预定位置；

2）在陆上的预制场，将浮管、轮胎、空浮腔及连接钢管安装成一组一组的长度为15.25 m 防波堤单元；

3）采用船吊或滑道等方式将预制的防波堤单元下水，漂浮于水面，浮管和连接钢管内灌水调整姿态，使防波堤直立于水中；

4）在浮管两侧和底部安装拉索，将拉索固定于联锁软体排预设位置上；

5）采用联锁装置将各个防波堤单元连锁成为一整排，沿防波堤轴线方向依次布置多组防波堤结构段，完成第一排防波堤；

6）在第一排防波堤后四分之一波长处，依上述顺序施工第二排防波堤，在第二排防波堤后四分之一波长处施工第三排防波堤。