织物增强囊袋式防波堤消浪效果研究

仲承浩 曾宪森

武汉纺织大学机械工程与自动化学院， 湖北 武汉 430200

20世纪70年代浮式防波堤理论一经提出，浮式防波堤便进入了研究者的研究视野。Ikeno等[1]设计了一种含增压气舱的凹型浮式防波堤，即在凹型浮式防波堤上添加了增压气舱，提高了防波堤的消浪性能。Nakamula[2]设计了一种双矩形浮箱式浮堤，采用圆管和薄板连接两个刚性矩形浮箱，利用堤身产生紊流破坏水分子运动规律来达到消减波浪的效果。吴静萍等[3]提出了一种仿生浮漂式防波堤，通过模拟水塘中的浮萍将多块圆柱形木板组合成矩形铺在水面利用波浪摩擦产生消浪效果。胡嵋等[4]提出一种新的箱型浮式防波堤结构，即在空心管和栅栏板组成的框架结构中嵌入浮箱。杨彪等[5]在双浮箱浮式防波堤的基础上提出一种带双水平板的双浮箱式浮堤，附加的水平板能够增强浮堤的消浪效果并降低堤体的运动响应。

自我国提出“一带一路”倡议以来，远海开发愈发受到重视，对海上作业平台的安全防护也显得越来越重要。但上述几种传统浮式防波堤受制于堤身材质约束，无法满足日益增长的远海作业需求。因此，设计一种能面向远洋海域大规模且快速铺装的新型浮式防波堤迫在眉睫。

纺织材料既可进行结构增强，又可折叠，并且随着新纤维在抗拉强度、抗腐蚀等方面较大的发展，织物防波堤完全可以适应海洋环境。本文基于已有的研究成果，提出一种以大型织物增强囊袋作为堤身的柔性浮式防波堤结构，通过堤身抵御海浪波能，达到消浪或减浪的效果。柔性囊袋外形结构如图1所示。每个圆柱形囊袋外设置注水阀和排水阀等保压装置以稳定囊袋内压，使堤身具有一定刚度并保持堤身形态。在柔性囊袋式防波堤的堤身上等距设置多个连接锚定装置结构，可保持堤身形态稳定，不受风浪影响。

图1 柔性囊袋外形结构示意图

1 试验设计与试样制备

为验证本文设计的织物增强囊袋式防波堤对海浪的消浪效果，制作了防波堤的物理模型，在规则波造波水池中研究防波堤在不同规则波下的消浪性能及波浪变化规律。设计浮式防波堤的物理模型时，充分考虑试验模型与原型之间的几何相似性、运动相似性及动力相似性。

1.1 试验设计依据

我国行业标准JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[6]中规定：波浪物理模型试验宜采用正态模型，且必须满足Froude重力相似准则。因此将试验模型模拟几何比例尺选取为1∶20。

1.2 试验试样制备

制备物理模型的囊袋材料采用高强涤纶材质，其具有耐蠕变、耐疲劳、耐磨擦，以及受温度影响小和尺寸稳定性好等优点[7]。制备过程如下：

(1)增强织物。以线密度为277.78 tex(2 500 D)的高强涤纶长丝为经、纬纱线，通过入纬速率为800 m/min、幅宽为2 m、车速为90 r/min的片梭织机，织造面密度为250 g/m2、织物密度(经向×纬向)为80根/(10 cm)×78根/(10 cm)、厚度为1.8 mm的高强涤纶平纹土工织物。增强织物的性能测试结果如表1所示。织造完成后，采用刮刀在织物两面涂覆厚度为1 mm的PVC涂层。涂层工艺流程如图2所示。

表1 增强织物的性能测试结果

图2 涂层工艺流程图

(2)缝合囊体。使用超声波缝合机将增强织物缝合成试验所需的囊体结构。

(3)囊体结构增强。在外部用平带为囊袋增加一层加强网带，对囊袋内部进行充水成型，使其压强保持在200～300 kPa，以满足试验所需的刚度要求。

1.3 试验条件

物理模型试验在造波水池中进行，水池长132.0 m，宽10.8 m，最大工作水深为2.0 m，配有三维推板式24单元造波机进行造波。使用YWS100-AXX型电容式波高仪和DS30型浪高测量系统采集并处理波浪数据。试验前对所有仪器进行标定，确保试验数据的准确性。

1.4 试验方案

试验设计两种布置方式：一是将2个充水后的柔性囊袋堤身以一定布置角度a呈V字形摆放，在堤身后形成一个扇形的掩护区域；二是以充水后的单个柔性囊袋为堤身，直接迎浪横放。试验模型在水池中的布置方式如图3和图4所示。

图3 V字形浮堤试验布置图

图4 迎浪横放浮堤布置图

试验共使用3个波高仪，均沿浮堤的堤身中心线固定。3个波高仪依次记为为1#、2#、3#。1#号波高仪位于堤体后方掩护区域距防波堤3.0 m。2#波高仪距堤身前方1.0 m，与3#波高仪相距0.2 m。

试验共选取3组波高(0.10,0.15,0.20 m)下的物理规则波，每组规则波均设定5种平均周期(T=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6 s)，设定织物增强囊袋式防波堤物理模型的工作水深d为2.0 m。表2为试验模型与原型的波浪要素对照表，其中实模比为1∶20。

表2 模型试验波要素对照表

1.5 试验数据处理

透射系数Kt是评估柔性浮式防波堤消浪效果的一个重要指标，可由堤前入射波高Hi、堤后透射波高Ht求得，计算式如式(1)所示。

Kt=Ht/Hi

(1)

记入射波和反射波的波幅AI和AR，波浪反射系数Kr的计算式如式(2)所示。

Kr=AR/AI

(2)

其中AI和AR采用Goda等[8]在1976年提出的两点法求得。

波能衰减系数Ks可由式(3)计算求得。

Kt2+Kr2+Ks2=1

(3)

2 试验结果分析

表3详细列举了规则波高为0.20 m时囊袋式防波堤的消浪试验数据。在规则波高为0.20 m，不同的布置夹角情况下，织物增强囊袋式防波堤的消浪效果的变化规律如图5～图7所示。

表3 囊袋式防波堤规则波试验结果

由表3和图5～图7可知：织物增强囊袋式“V”字形防波堤在模型试验不同布置角度下，均对规则波有明显的消减效果。在不同的堤身宽度布置下，布置角度为60°的“V”字形防波堤均有最好的消浪效果，且都优于迎浪横放布置的防波堤。在布置角度为60°时，无论堤身宽度取何值，波能衰减系数计算结果均最大，说明布置角度为60°的“V”字形防波堤在试验布置的条件下消浪效果最好。

由图7可知，布置角度为60°的“V”字形柔性囊袋式浮堤的波浪透射系数控制在工程常用范围。在相对堤宽为0.260 0以上时，布置角度为60°的“V”字形柔性囊袋式浮堤与单方箱锚链式浮式防波堤较为相似。如图8所示，与图中列出的浮式防波堤消浪性能相比，除浮板+圆柱体块浮式防波堤外，相对堤宽为0.400 0，布置角度为60°的“V”字形布置的囊袋式防波堤对周期较短的波浪有更好的消浪效果。

图5 布置角度α对Kt的影响

图6 布置角度α对Kr的影响

图7 布置角度α对Ks的影响

图8 几种防波堤的消浪效果对比

因此，相比多数传统结构形式的浮式防波堤，本文设计的织物增强囊袋式防波堤具有更优异的消浪效果。

3 结论

(1)对于造波水池的规则波，织物增强囊袋式结构的防波堤在不同迎浪角度下，均对波浪有明显的消减效果，且在相同条件下，消浪效果优于大多数传统的浮式防波堤。

(2)在不同的规则波作用下，本文设计的织物增强囊袋式防波堤均能保持有效抵御波浪的形态，并发挥其良好的消减效果，表明高强度纺织材料完全可以应用于柔性浮式防波堤的设计中。

(3)柔性囊袋式防波堤具有结构简单、经济高效、可快速铺装的优势，是一种可大规模推广的浮式防波堤结构，可为海洋工程的安全防护提供一种新的选择。