浮π型防波堤運(yùn)動和時域響應(yīng)的有限元模擬研究

姜 海

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

砂質(zhì)海岸防侵蝕是岸線管理的重點(diǎn)內(nèi)容，傳統(tǒng)重力型防波堤不適合深水海岸防護(hù)，且造價成本高，施工困難，易造成海岸變遷、泥沙淤積以及對水體造成污染。波浪能分布規(guī)律顯示，其98%的能量分布于3倍波浪高的水面以下深度范圍，且其大部分能量匯集于水面。傳統(tǒng)重力防波堤在波能分布較少水域分配了較多的建筑材料，結(jié)構(gòu)功能不合理，同時也浪費(fèi)了大量材料，相對而言，浮式防波堤更適合波浪能分布規(guī)律。本文借助ANSYS Workbench系統(tǒng)的G模型和HD模型，通過計(jì)算浮體的輻射饒射，確定阻尼系數(shù)、剪力彎矩在內(nèi)的參數(shù)值，形成云圖和數(shù)理分析曲線，對浮π型防波堤運(yùn)動和時域響狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬分析研究。

1 浮型防波堤的消浪原理

可以用繞射系數(shù)Kr，反射系數(shù)Kr和透射系數(shù)Kt，來反應(yīng)浮式結(jié)構(gòu)的消波性能，詳見公式（1）、（2）和（3）。理論上，Kt反映了浮體的消波性能，該值越小表明結(jié)構(gòu)的消波性能越高[1-2]。

式中：Hi為入射波的高度；Ht為透射波的高度；Hr為反射波的高度；Hd為繞射波的高度。

不同浮體對應(yīng)的消波機(jī)理不一樣，當(dāng)前主要有四種消波表現(xiàn)形式，具體如下：

（1）波浪力做功。在波浪力的作用下，結(jié)構(gòu)很容易會發(fā)生位移或變形，且部分能耗是無法恢復(fù)的；

（2）波能反射。經(jīng)結(jié)構(gòu)反射可使反射波與入射波的部分衰減波能相抵；

（3）紊動消能。由于水體與結(jié)構(gòu)在交互的過程中，容易出現(xiàn)摩擦、擾流，導(dǎo)致初始波浪質(zhì)點(diǎn)的行動軌跡發(fā)生變化，形成紊動狀態(tài)，損失大量消能。

（4）波列間的干涉。結(jié)構(gòu)在運(yùn)動過程中，所形成的波浪頻率與入射波浪頻率存在較大差異，由此導(dǎo)致兩波間波動既能互相約束，也能相抵[3]。

2 浮π型防波堤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)重力式防波堤整體性能較低，尤其是對不均勻沉降較為敏感，當(dāng)?shù)鼗霈F(xiàn)沉降時容易發(fā)生變形。傳統(tǒng)防波堤，由于其自重大，容易被破壞，施工難度高且進(jìn)度緩慢，維修費(fèi)用也非常高。而浮型防波堤的主要優(yōu)勢在于其既能應(yīng)用于淺水，也能應(yīng)用于深水。

浮型防波堤施工便捷、工程造價低、環(huán)境被污染率低。浮型防波堤傳統(tǒng)型主要有：T型和重U型兩種形式，后者主要適用于深水區(qū)域，前者主要適用于水深不足6 m或波高超過1.1 m的區(qū)域。

在兩者基礎(chǔ)上，后來又衍生出浮π型防波堤，該型防波堤承繼傳統(tǒng)浮型防波堤的優(yōu)點(diǎn)，但又由于其特殊的型式而具有特定的效能。浮π型防波堤的主要優(yōu)勢在于既能應(yīng)用于淺水，也能應(yīng)用于深水。浮π型防波堤能有效契合于地理環(huán)境及水況，相對更適用于水深在6 m～12 m之間或波高超過2.5 m的區(qū)域防波中應(yīng)用，在該條件下能獲得更為理想的防護(hù)海岸效果。各式浮型防波堤適應(yīng)的不同波浪和水深條件比較見圖1[4-5]。

圖1 各式浮型防波堤適應(yīng)的不同波浪和水深條件浮π型防波堤的橫、縱斷面設(shè)計(jì)，具體見圖2和圖3。

圖2 浮π型防波堤的橫斷面設(shè)計(jì)

圖3 浮π型防波堤的縱斷面設(shè)計(jì)

由圖2可知，該結(jié)構(gòu)的寬度、高度、吃水深度分別為8 m、4.06 m、2.06 m，而其的擋板高度和寬度則依次設(shè)置為1 m和0.5 m。由圖3可知，浮π型防波堤的縱斷面設(shè)計(jì)，每間隔4 m均設(shè)置1個隔斷面。

該工程應(yīng)對海岸200 m的區(qū)域?qū)嵤┎ɡ讼芊雷o(hù)，防波堤采用浮π型，將其離岸距離設(shè)置為500 m。通過各段長度為800 m、寬度為8 m的三段式防波堤，且每段均設(shè)置了對稱分布的8個系泊纜繩。

3 浮π型防波堤的有限元模擬分析

利用ANSYS WORKBENCH軟件的G模型和HD模型，通過計(jì)算浮體的輻射饒射確定阻尼系數(shù)、剪力彎矩等在內(nèi)的相關(guān)參數(shù)值，該算法最大優(yōu)點(diǎn)在于可對不同狀態(tài)下的浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與平衡性進(jìn)行科學(xué)分析。利用Geometry構(gòu)建一套與浮π型防波堤相吻合的模型（圖4），由圖可知，此模型由兩部分構(gòu)成，一是水面以上的區(qū)域，二是水面以下的區(qū)域。另外，用Hydrodynamic Diffraction模塊來劃分模型網(wǎng)格，以此獲得1680個節(jié)點(diǎn)及1678個單元。

圖4 浮π型防波堤有限元模型及其網(wǎng)格劃分

3.1 新型浮π型防波堤的運(yùn)動響應(yīng)

在完成模型構(gòu)建之后，將各參數(shù)輸入到HD模塊中，在深度為10 m的水環(huán)境下，將水密度定義為1025 kg/m3，重力加速度定義為9.80665 m/s2,計(jì)算與分析HD模塊，然后利用AWQA-GS對獲取的求值結(jié)果進(jìn)行后處理，根據(jù)衍射、輻射理論，基于同等環(huán)境下，分別在90°波浪方向下的浮π型防波堤和浮箱式防波堤的輸出結(jié)果中提取出有效數(shù)據(jù)，具體涉及了浮π型防波堤重心向背浪100 m距離的波高，并計(jì)算其透射值。

圖5為浮π型防波堤的垂蕩響應(yīng)，通過此圖可發(fā)現(xiàn)在頻率一直變大的情況下，垂蕩響應(yīng)卻由大變小；在頻率相同的條件下，伴隨入射波角度的不斷變大，垂蕩響應(yīng)幅值同樣也由大變小[7]。

圖5 浮π型防波堤之垂蕩響應(yīng)曲線圖

其中，將水深度設(shè)置為10 m，在90°浪向作用下，相較于浮箱防波堤，浮結(jié)構(gòu)的6個自由度的運(yùn)動響應(yīng)更為強(qiáng)烈。這兩種結(jié)構(gòu)橫蕩幅值響應(yīng)算子沒有出現(xiàn)太大差異，浮箱式防波堤的縱搖、縱蕩及艏搖幅值響應(yīng)比較小，可忽略不計(jì)。這兩種結(jié)構(gòu)的橫搖和垂蕩幅值響應(yīng)卻非常劇烈。在頻率不斷變大的情況下，運(yùn)動響應(yīng)會下降，在頻率為1.25 rad/s時，其響應(yīng)幅值則會達(dá)到峰值。

根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)對比可知，伴隨相對寬度的不斷增大，防波堤的透射系數(shù)會先大后小，消波性能也會逐漸改善。在寬度同等的條件下，相較于浮箱式結(jié)構(gòu)，“π”結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)更小，消波性能也更理想。

通過研究浮π型防波堤波浪云圖，可進(jìn)一步了解并掌握8個系泊系統(tǒng)的排序情況，同時也能獲取到90°浪向下波浪通過防波堤的提取結(jié)果，由此可以看，經(jīng)防波堤后，波高出現(xiàn)了顯著變化，不斷降低。

3.2 規(guī)則波作用下的新型浮π型防波堤時域響應(yīng)

在浪向90°垂直入射及波高為5 m的條件下，采用周期為5 s的標(biāo)準(zhǔn)完成求值運(yùn)算，在運(yùn)算的過程中，不可忽略風(fēng)速影響，將風(fēng)速定義為34 m/s，時間步長設(shè)置為0.1 s，持續(xù)時間保持在150 s左右。在90°浪向下的條件下，無論是艏搖、縱蕩還是橫搖、縱搖其幅值響應(yīng)均比較小。通過深入研究可知，結(jié)構(gòu)的橫蕩響應(yīng)比垂蕩響應(yīng)更為強(qiáng)烈，其原因在于垂直入射會對結(jié)構(gòu)的橫蕩方向產(chǎn)生巨大沖擊力。

通過數(shù)據(jù)處理分析進(jìn)一步了解到，結(jié)構(gòu)在橫蕩方向的運(yùn)動范圍在-0.797 m～1.672 m區(qū)間，是水深的24.7%，均值為0.169 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.704；而在垂蕩方向，其運(yùn)動范圍則保持在-2.26 m～0.626 m之間，是水深的28.9%，均值為-0.796 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.942，詳見表 1。

表1 規(guī)則波作用下的新型浮π型防波堤的運(yùn)動響應(yīng)

表2為兩條系泊纜線的張力結(jié)果，其中，1號纜線的最大張力達(dá)到了2766.26 kN，與設(shè)計(jì)值F=2839 kN沒有太大差距。在完整狀態(tài)下，由API RP2SK設(shè)計(jì)規(guī)則及動態(tài)法獲悉系泊安全系數(shù)為1.67。而上表各項(xiàng)數(shù)據(jù)均比1.67高，說明符合規(guī)則要求。

表2 規(guī)則波作用下的浮π型防波堤系泊纜張力

3.3 不規(guī)則波作用下的新型浮π型防波堤時域響應(yīng)

本課題利用Pierson-Moskowitz不規(guī)則波進(jìn)行求值運(yùn)算，基于90°的浪向下，將波高定義為3.5 m，周期設(shè)置為5 s，時間步長定義為0.1 s，持續(xù)時間設(shè)置為1200 s。

由表3進(jìn)一步了解到，在橫蕩方向，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動范圍在-28.243 m～33.597 m區(qū)間內(nèi)，而在橫搖方向，其運(yùn)動范圍則保持在-36.621°至36.553°之間，相較于其他方向，這兩個方向的幅值響應(yīng)最為強(qiáng)烈。

表3 新型浮π型防波堤基于不規(guī)則波的運(yùn)動響應(yīng)

對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行時域耦合處理之后，及時了解并掌握了系泊纜張力在各個時間段的變化情況，經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在不忽略風(fēng)速、波浪的影響下，隨著時間的變化，系泊纜的動態(tài)平衡效果就越顯著，承受的張力也就不一樣。1號的最大張力達(dá)到了4286.47 kN，8號的最大張力也超過了4532.17 kN。在90°的浪向作用下，沿著防波堤的寬度方向移動，就能大大增強(qiáng)8號的承受力。

表4 浮π型防波堤基于不規(guī)則波的系泊纜張力

表4為浮π型防波堤基于不規(guī)則波的系泊纜張力的計(jì)算結(jié)果，其中，8號的最大張力達(dá)到了4532.17 kN。由APIRP2SK設(shè)計(jì)規(guī)則及動態(tài)法獲悉其安全系數(shù)為1.67。而上表各項(xiàng)數(shù)據(jù)均比1.67高，說明浮π型防波堤符合規(guī)則和功能要求。

4 結(jié)語

文章圍繞幅值響應(yīng)算子及透射系數(shù)與浮箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析確認(rèn)，浮π型防波結(jié)構(gòu)的幅值響應(yīng)更顯著。在寬度相同時，浮π型防波結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)非常小，消浪效果顯著。通過波浪云圖分析，浮π型防波結(jié)構(gòu)能大大減弱波浪產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力。本文基于規(guī)則和不規(guī)則波作用，對π型防波堤的系泊力和時域響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算與分析，由此獲得了6個自由度的幅值響應(yīng)及系泊受力結(jié)果。