基于Orcaflex的浮式防波堤水動力分析

黃 棟，包雄關(guān)，馮宏祥，費殷怡

(寧波大學(xué) 海運學(xué)院，寧波 315211)

防波堤作為碼頭重要組成部分，對減小波浪侵蝕、保護港內(nèi)水域的平穩(wěn)和其他水工建筑物，確保船只進出、停泊與裝卸作業(yè)安全方面具有重大作用，因此，分析浮式防波堤運動性能，保證其安全顯得至關(guān)重要。

毛偉清等[1]利用Frank源匯分布法和Grim切片理論分析在波浪作用下浮式防波堤的消波性能并預(yù)報了浮式防波堤在不規(guī)則波中的消波性能。周效國等[2]利用試驗對透空式防波堤進行了全面的分析，并說明其在港口建設(shè)中的應(yīng)用情況。董國海等[3]提出新式板-網(wǎng)浮式防波堤，并探索平板剛度、平板寬度、網(wǎng)衣數(shù)目等變量對消波效果的影響。賀大川等[4]發(fā)明水下板式-浮筒型防波堤，并分析其水動力特性，并說明該結(jié)構(gòu)形式浮式防波堤具有較好的消波性能。張寧川等[5]利用流體界面捕捉的方法，探究潛式雙層水平板型防波堤與海浪的相互影響。嵇春艷等[6]利用試驗把不同類型浮式防波堤的消波性能和運動響應(yīng)特性進行對比，得出浮式防波堤的最優(yōu)形式。J.N.Newman[7]通過對兩個相同浮式防波堤在剛性連接和鉸連接情況下運動響應(yīng)特性分析，得出鉸連接運動特性優(yōu)于剛性連接情況。S.A.Sannasira等[8]利用試驗分析浮筒式浮式防波堤在不同錨泊形式下的運動響應(yīng)特性和系泊纜張力情況。E.Luca[9]利用試驗分析錨鏈在不同布置形式的情況下對浮式防波堤的影響。E.Louko等[10]利用試驗分析包含多個浮體的浮式防波堤的消波和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性。Koutandos等[11]分別利用有限差分法和邊界元法對淺水和中等水深時的固定和垂蕩浮式防波堤的消波性能以及受力情況進行計算。國內(nèi)外文獻主要針對防波堤防波性能進行研究，對其強度及運動特性研究較少，本文則通過對浮式防波堤運動特性及系泊纜有效張力進行研究，并根據(jù)近幾年學(xué)者的研究成果進行比對，確保本模型的準(zhǔn)確性，對浮式防波堤在實際工程中的應(yīng)用具有較好參考價值。

1 基本理論

該浮式防波堤有浮筒等剛性部件和錨纜等柔性部件。對于剛性部分，依據(jù)剛體運動學(xué)建立運動方程；對于柔性部分，則采用凝集質(zhì)量法建立其運動方程,浮式防波堤在重力FW、浮力FB、慣性力FI、波流載荷曳力FD以及張力FT等載荷作用下偏移S，此時結(jié)構(gòu)的運動方程為

(1)

式中：ρ為水密度；v為排水體積；Cm為附加質(zhì)量系數(shù)。

對于錨纜等這類撓性小尺度結(jié)構(gòu)物可忽略結(jié)構(gòu)對波浪的影響，常采用Morison公式來統(tǒng)一計算拖曳力，OrcaFlex中拓展后的Morison公式為

(2)

式中：F為波浪載荷；△=ρv為排水量；aw為水質(zhì)點絕對加速度；ar為水質(zhì)點相對于結(jié)構(gòu)物的加速度；vr為水質(zhì)點相對于結(jié)構(gòu)物的速度；CD為拖曳力系數(shù)；A為拖曳投影面積。

OrcaFlex 中有效張力表達式如式(3)所示

Te=Tw+P0A0-PiAi

(3)

式中：Te為有效張力；P0為外部壓力；A0為管線橫截面積；Pi為內(nèi)部壓力；Ai為內(nèi)管橫截面積。特別地，纜索Pi與Ai均為零。相鄰兩節(jié)點間壁張力與有效張力相對關(guān)系如圖1所示。

圖1 有效張力示意圖Fig.1 Schematic diagram of effective tension

圖中Tw表示壁面張力，表達式為

Tw=EAε-2v(P0A0-PiAi)+EAe(dL/dT)/L0

(4)

式中：EAε是由于軸向剛度產(chǎn)生的；-2v(P0A0-PiAi)是由于內(nèi)部、外部壓力產(chǎn)生的(通過泊松比的影響)；EAe是由于軸向阻尼產(chǎn)生的。式中EA為纜索軸向剛度；ε=(L-λL0)/λL0是總的軸向平均應(yīng)變,λ是分段的伸長系數(shù),L0是分段的原長；v是泊松比；e為阻尼系數(shù)；dL/dt是長度增加的速率。由于結(jié)構(gòu)阻尼對纜索的影響較小，一般忽略不計。

2 模型建立

表1 浮式防波堤參數(shù)Tab.1 Floating breakwater parameters

根據(jù)實際情況需要，本文浮式防波堤由10個60 m長的堤段及9組5 m長的連接段組成，總長度為645 m，寬度為25 m，布置于被保護工程的來流方向。本文中浮式防波堤所在水域為我國南海某水域,根據(jù)1979～2017年39 a水文資料統(tǒng)計，僅選取斜浪為67.5°和90°進行分析。在本文模型中，空心浮筒通過軟件6D buoy 模塊中Towed Fish建立，改變Towed Fish的密度達到與空心浮筒相同作用效果，錨繩和錨鏈通過軟件中Line模塊實現(xiàn)，具體參數(shù)見表1。本文主要研究浮式防波堤系泊系統(tǒng)性能，因此忽略含有防浪球的防浪網(wǎng)在本模型中的建模。

系泊系統(tǒng)中共有64條系泊纜，對稱的分布在浮式防波堤的來流面和背流面。其中兩個頂端分別布置一組系泊纜，每組2根系泊纜，來減弱浮式防波堤小幅值縱蕩運動，另外56根均勻分布在防波堤的兩側(cè)，主要用來減弱防波堤的橫蕩、垂蕩和橫搖運動，平面布置如圖2所示。系泊半徑為150 m，水深40 m，系泊纜與海底的夾角為14.931°，如圖3所示。

圖2 浮式防波堤示意圖Fig.2 Floating breakwater schematic

3 結(jié)果分析

圖3 浮式防波堤側(cè)視圖Fig.3 Floating breakwater side view

浮式防波堤在工作的時候會產(chǎn)生6個自由度的運動相應(yīng)，分別為橫蕩(Sway)、縱搖(Pitch)、垂蕩(Heave)、橫搖(Roll)、縱蕩(Surge)和艏搖(Yaw)。圖4給出了在橫浪和斜浪以及1#和64#纜失效作用下，浮式防波堤整體運動特性。在90°橫浪作用時，縱蕩運動最大響應(yīng)幅值為1.8 m，為水深的4.5%；橫蕩運動最大響應(yīng)幅值為1.55 m，為水深的3.9%；垂蕩運動最大響應(yīng)幅值為6.5 m，為水深的16.25%；橫搖運動最大響應(yīng)幅值為6.5°；縱搖運動最大響應(yīng)幅值為0.55°；艏搖運動最大響應(yīng)幅值為0.14°；在67.5°斜浪作用時，縱蕩運動最大響應(yīng)幅值為2.5 m，為水深的6.25%；橫蕩運動最大響應(yīng)幅值為0.6 m，為水深的1.5%；垂蕩運動最大響應(yīng)幅值為2.8 m，為水深的7%；橫搖運動最大響應(yīng)幅值為1.5°；縱搖運動最大響應(yīng)幅值為0.25°；艏搖運動最大響應(yīng)幅值為0.075°。

4-a 縱蕩時歷曲線4-b 橫蕩時歷曲線

4-c 垂蕩時歷曲線4-d 橫搖時歷曲線

4-e 縱搖時歷曲線4-f 艏搖時歷曲線圖4 浮式防波堤運動特性Fig.4 Floating breakwater movement characteristics

表2 系泊纜錨泊點有效張力Tab.2 Mooring line anchor point effective tension

一般情況下，與浮式防波堤背浪面系泊纜張力相比，防波堤迎浪面的系泊纜張力更大,因此選取防波堤迎浪面系泊纜作為主要的研究對象，又由于系泊纜對稱性張力相等，所以在分析90°橫浪作用和67.5°斜浪作用下系泊纜有效張力時，選取27#、30#、31#、32#、33#、34#、35#和38#系泊纜為主要研究對象。由圖2知，27#和30#纜為迎流纜，31#、32#、33#和34#纜為浮式防波堤端側(cè)纜，35#和38#纜為背流纜，其錨泊點所受有效張力時歷曲線如圖5，有效張力最大值和均值見表2。由表2數(shù)據(jù)，在90°斜浪作用下，系泊纜有效張力明顯大于67.5°斜浪作用下系泊纜有效張力，且31#、32#、33#和34#系泊纜無論經(jīng)歷橫浪作用還是斜浪作用，有效張力比迎流纜和背流纜高8 000 kN左右，因此要注意浮式防波堤兩端8根系泊纜強度問題。

5-a 27#纜有效張力5-b 30#纜有效張力

5-c 31#纜有效張力5-d 32#纜有效張力

5-e 33#纜有效張力5-f 34#纜有效張力

5-g 35#纜有效張力5-h 38#纜有效張力圖5 系泊纜錨泊點有效張力時歷曲線Fig.5 Mooring line mooring point effective tension calendar curve

圖6 2#纜錨泊點有效張力時歷曲線Fig.6 2 # Cable anchor point effective tension calendar curve

考慮浮式防波堤兩端會有系泊纜失效情況，在分析系泊纜有效張力時，本文就1#和64#纜失效的情況進行研究，浮式防波堤主體水動力性能如圖4。由圖4-a可知，當(dāng)浮式防波堤1#和64#纜失效后，對浮式防波堤6個自由度響應(yīng)影響最大的是縱蕩，對其他響應(yīng)影響不強，90°橫浪作用下，失效后響應(yīng)幅值增加478%，67.5°斜浪作用下，失效后響應(yīng)幅值增加50%。且失效前后相鄰系泊纜錨泊點有效張力對比如圖6，有效張力極值增加180%。

4 結(jié)論

本文通過大型水動力分析軟件Orcaflex，對浮式防波堤進行建模，分析其在不同波浪方向下浮式防波堤主體的運動響應(yīng)及系泊纜有效張力，并分析在一端系泊纜失效情況下，對浮式防波堤運動特性和系泊纜張力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)在橫浪作用下，浮式防波堤整體縱搖和艏搖運動響應(yīng)極小，其主要運動響應(yīng)是縱蕩、橫蕩、垂蕩和橫搖。在斜浪作用下，浮式防波堤整體的縱搖和艏搖運動響應(yīng)比橫浪條件下大很多，但對于橫蕩、縱蕩、垂蕩和橫搖運動響應(yīng)，橫浪的影響卻遠遠大于斜浪。此外，斜浪作用時，浮式防波堤整體的3個平動響應(yīng)相差不大，3個旋轉(zhuǎn)運動中橫搖運動響應(yīng)最大，縱搖和艏搖運動響應(yīng)較小；

(2)浮式防波堤兩側(cè)系泊纜有效張力均遠遠小于兩端系泊纜有效張力，因此浮式防波堤兩端系泊纜強度要適當(dāng)提高，且在橫浪作用下最大系泊纜張力遠遠大于斜浪作用下最大系泊纜張力，這說明該系泊系統(tǒng)對斜浪的承受力要優(yōu)于橫浪；

(3)當(dāng)端側(cè)系泊纜發(fā)生失效，相鄰系泊纜張力將大大增加，且縱向運動響應(yīng)也會大大提高，因此當(dāng)發(fā)生類似系泊纜失效事故，應(yīng)及時修復(fù)或提高系泊纜的密度。