新型钢结构浮式防波堤结构

2022-02-15左志刚相如昕

水运工程 2022年1期

董浩，左志刚，相如昕

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院有限公司，天津300456)

浮式防波堤通常是由金属、钢筋混凝土和塑料等材料制造的浮式构件和锚泊系统组成的防浪设施。与传统实体防波堤相比，浮式防波堤具有海水交换功能强、不需要进行地基处理、安放位置可变、施工速度快等优点。同时，随着水深的增加，其造价低于实体防波堤。近10 年来，随着我国对波浪研究的深入和经济技术的发展，各种浮式防波堤的研究也提上日程。

目前，常见的防波堤结构类型有箱式、筏式、板网式结构浮式防波堤以及上述类型浮式防波堤的复合结构。郑艳娜等[1]选取3种结构形式(单箱式、双箱式和板网式)的浮式防波堤进行物理模型试验研究，得到在规则波浪作用下3种形式浮式防波堤的消浪效果：板网式结构浮式防波堤消浪效果最好，双箱结构次之，单箱最差；王永学[2]认为，对于通常结构的浮式防波堤，要使透射系数小于0.5，浮堤自身的宽度(W)与波长(L)的比值要不小于0.3，这对堤身的宽度提出很高的要求，增加了浮堤的造价及安装和控制难度。

同时，研究资料表明：板网式结构浮式防波堤虽然消浪效果较好，但相对宽度较大，需占用较大范围的海域，且使用及维护难度较大；双箱式浮式防波堤箱体间自身连接极易损坏，一旦结构发生破坏，维修较困难；单箱式浮式防波堤虽然消浪效果相对较差，但其结构简单，便于安装维护，目前应用最为广泛。但由于上述几种形式的浮式防波堤对结构连接和锚泊系统的要求较高，布置形式不当容易引起缆绳断裂，故浮式防波堤的研究及应用尚处于起步阶段。

本文提出一种新型钢结构浮式防波堤结构，克服了浮式防波堤对结构连接和锚泊系统要求较高的缺点，并对其消浪效果进行了试验研究。

1 大型钢结构浮式防波堤

该新型防波堤结构采用单、双箱结合形式，前、后各设有封闭压载箱及消浪室，前、后箱体直接设置消浪室，封闭压载箱可以注入压载水以控制防波堤吃水深度，消浪室上、下设置多个开口。同时，通过直立桩进行安装，防波堤只进行上下运动，不产生横摇。各结构段之间无连接件，因此不会产生连接结构破坏(图1)。

图1 浮式防波堤结构

2 模型试验

2.1 试验条件

为验证浮式防波堤的消浪效果，使用大比尺波浪试验水槽[3-4]进行模型试验，水槽设计总长度450 m，宽5 m，最深处12 m。按波浪的生成、试验、消波等，分为造波区、试验区、消波区。可以进行1:5到1:1的大比尺模型试验，水槽内配有先进的吸收式造波机。采用电容式波高传感器进行测量，通过TK2008 型动态采集分析系统进行波高和周期数据的采集与分析。

2.2 模型制作

水槽宽度5 m，可模拟水深为5 m的实际波浪，模型几何比尺定为1:1。浮式防波堤模型采用钢结构，浮箱高2.5 m、宽4.8 m，前压载箱宽2.3 m，后压载箱宽1.1 m，中消浪室宽1.1 m，横向长度为4.5 m，两端和水槽边壁各留25 cm空隙。浮式防波堤采用3根φ300 mm钢管桩定位，迎浪侧布置2根，背浪侧布置1根。钢管桩与浮箱间采用抱箍连接，浮箱可随水位变化升降。浮式防波堤模型布置剖面见图2，浮式防波堤试验现场见图3。

图2 浮式防波堤模型布置剖面(单位：mm)

图3 浮式防波堤试验现场

2.3 波浪模拟

为探明新型浮式防波堤透浪系数与浮式防波堤宽度和入水深度之间的关系，考虑2种不同水深，对防波堤进行不同周期、不同波高条件下的消浪试验。模型水深分别为5.06和4.62 m，代表浮式防波堤所处位置的不同设计水位对水深的影响。试验过程中采用规则波，在没有结构物的情况下进行率波，造波20个，造波机的二次反射影响较小。试验波高为0.15～1.00 m，周期为4～6 s。试验波要素见表1。