深水柔性浮式防波堤的消浪機理與結構設計

(武漢紡織大學 湖北 武漢 430200)

海浪是海洋中一種常見的波動現象，主要可分為風浪、涌浪和近岸浪三種，一般把海浪分成 0-9 等級，一般在 5 級以上的海浪會對海上工程作業產生很大的影響，等級大的海浪會威脅作業人員的生命安全，因此為提高海上施工效率，可以預先在惡劣海況下的施工平臺周圍鋪設浮式防波堤進行防護，創造一個相對安全穩定的工作環境。

同時，浮式防波堤相對于傳統的坐底式防波堤有很多優點，傳統的坐底固定式防波堤隨著水深的增加施工周期漫長，技術難度大，造價高昂，限制了區域水體的循環易造成污染；并且根據對波浪相關理論的數值模擬和試驗研究表明：水體運動中波浪的能量基本集中在表層水體，即在水面以下2到3倍波高的水深范圍以內集中了90%～98%的波浪能量，故傳統坐底固定式防波堤材料的使用與波能分布規律完全不適應。而浮式防波堤造價低廉，鋪設方便，不影響水體的循環與交換節能又環保，是未來防波堤的正確發展方向。

一、深水浮式防波堤總體設計的理論基礎

(一)浮式防波堤的消浪機理

評估浮式防波堤消浪效果的一個重要指標是其透射系數。浮式防波堤堤身的結構形式是影響消浪效果的重要因素，不同浮體結構形式的浮式防波堤其消浪機理也有所不同，歸納起來其消浪機理主要與以下四種因素有關[1]：

1.波能反射：堤身浮體結構將部分入射波能量反射到外海，防波堤的相對入水深度是影響消浪效果的重要參數。

2.波列間的干涉消能：入射波的頻率與消浪浮體本身興起波浪的頻率不同，在特定條件下可以產生部分消能。

3.紊動消能：水體與消波浮體間相互摩擦，碰撞從而產生部分消能。

4.波浪力做功：波浪力作用于消波浮體，使浮體發生位移或者變形而耗能。

(二)浮式防波堤的主要結構型式

1.浮箱式防波堤：其消波浮體由一個或者多個剛性的浮箱組成，主要利用有一定吃水深度的箱體來反射入射波波能來消波，波浪與堤體運動之間的相位差也能對波浪的傳輸產生一定的抑制和衰減作用。

2.浮筒式防波堤：消波浮體結構多為圓筒形框架式結構，浮筒式防波堤的材料和消波機理與浮箱式防波堤很相似，但其吸收入射波波能量的能力較浮箱式防波堤略強。

3.浮筏式防波堤：其消波浮體多為帶孔的平板結構，其堤身吃水較小，反射波能的能力較小，結構尺度在波浪傳播方向上較長，主要利用抑制波能水質點在垂直方向上的運動速度來達到消浪效果，紊動消除波能的能力較強。

4.其他形式的浮式防波堤：如垂簾式浮式防波堤[2]，其浮體主要是由柔性繩索串接起來的六棱柱浮塊構成的阻尼結構，再通過鋼架與錨鏈系統鏈接到水底，吃水深度較大，已有物理模型試驗證明此種浮式防波堤對長、短周期的波浪都有較好的消浪效果。再如一種應急型浮式防波堤[3]，其堤身由三根三塊120°板片組裝成的消浪管、帶快速鎖扣的緊固架和自充氣氣囊組成，通過通孔結構造成水流流速的減慢，進而使得各個方向上的水流的流動方向發生改變，影響波浪以及水流的傳播，從而實現消減波浪的效果。

二、深水柔性浮式防波堤的浮體設計

(一)防浪浮體的主要設計參數

此新型柔性浮式防波堤的主體結構是一個水囊，形狀為：兩端是半球體，中間為柱體，設計的囊體總長為 120m，半球體的直徑為 3m。投入使用時，利用數量不等的囊體連接組合而成的結構形式來增強消波性能，囊體的材料采用交織聚脂纖維雙面PVC(聚氯乙烯)涂層專用氣艇布，抗拉強度 53.4kN，抗寒零下 30 攝氏度，抗熱零上70攝氏度。本文借鑒了之前研究學者相關的模擬模型試驗結果，并綜合其模型結構各自的特點，設計出滿足本文需要的柔性防浪浮體結構。

(二)堤身浮體中提供浮力的囊體與注水囊體的結構形式

浮力囊結構示意圖如圖 2-1所示

圖 2-1 浮力囊結構示意圖

水囊結構示意圖如圖 2-2 所示。

圖 2-2 單個水囊結構示意圖

水囊采用“分倉式”結構。這樣設計，是為了防止囊體因密封性變差或者受到海水沖擊、漂浮物劃破等情況，無法提供水壓保持剛度而無法工作。“分倉式”結構相較于“通倉式”結構來說，當其中某一個倉室遭到損壞時，不至于整個水囊失壓而無法工作，它任然會有 2/3 的部分可以繼續正常工作。考慮到水囊 的密封性能會隨著連接部分的增多而變差，故設計水囊一共分為 3 個倉，每個倉長 40m。

(三)防浪浮體的組合結構設計

設計防浪最大等級為5級，查資料得5級風浪對應的波高最大為4m,可算得其浪的振幅為2m,浮力囊直徑為3m(>2m),故堤身在投入使用時可以滿足防止大量越浪的出現。再根據已有關于波浪的理論和實驗研究發現，水體在運動過程中產生的波浪，其能量基本都集中在表層水體，即在水面以下2倍至 3倍波高的水深范圍內集中了 90%～98%的波浪能[2]，因此防浪浮體的組合結構整體高度可設計為12m。應對5級浪，其防浪浮體組合結構斷面形式如圖：

(四)防浪浮體中囊體間的連接結構方式

該連接方案是由于其囊體自身的結構所決定的，其囊體結構被一種網兜狀的“夾克”所包裹住，用來抵抗主水囊結構的內壓力，同時也可以增強主水囊結構自身的強度。這種“夾克”應該由橫向和縱向編織帶(也稱吊帶)相互編織而成，橫向吊帶與縱向吊帶相交形成一個節點補丁，四個節點 補丁可以形成兩條相互交錯的吊帶，其結構如圖所示。

“夾克”結構示意圖

浮體中囊體與囊體之間通過卸扣，環眼和纜繩相連接，如圖所示

(五)防波堤錨固系統的設計

本文設計的浮式防波堤按正對波浪入射方向布置，防波堤在波浪作用下會出現橫向振蕩和垂向振蕩，同時還伴有微小幅度的縱向振蕩。但是，由于防波堤的橫向振蕩是最為劇烈的，也是對防波堤定位影響最大的因素，因此，在設計系泊系統時，錨泊系統要針對橫蕩運動來設計。

為了保證浮式防波堤橫蕩運動不出現大幅度的運動，在結構的周圍布置20根錨鏈，分成兩組分布于囊體的兩側，在一側中第一個錨鏈與最后一根錨鏈距離端部只有15m，還有兩根錨鏈以30m的距離均勻分布，兩側的錨鏈對稱布置。考慮到浮式防波堤的小幅度縱蕩運動，且整體結構較大，于是在兩端各布置4個錨鏈，其整體分布圖如下圖：

整體與斷面結構錨鏈分布

在浮堤的端面時，將 5 個囊體分為一組，一共有 4 組，將每組的 5 個囊體連 接在一起，形成一個連接點，然后在將這個連接點與 1 個錨鏈相連，其端面連接圖如下圖所示。

端面錨鏈布置

三、新型結構的消浪機理

整個防波堤斷面結構的吃水深度和堤身的寬度都比較大大，那么其消浪的效果也會很好。當波浪沖擊到浮堤上時，一部分的波能會被堤身結構所吸收而產生上下運動，而且采用彈性錨定的方式也能吸收部分能量，能很大程度上消耗波能，中間的兩個囊體能將波浪破碎從而導致水流流向各個方向，使水體與囊體相互作用形成碰撞、摩擦和繞流，破壞了原來波浪質點有規律的運動，轉變為雜亂的紊動而達到消能目的；另一部分的波能被囊體給反射回去，與隨著而來的波能相互抵消。整個結構和波浪的運動會產生相位差，而相位差對波浪的傳遞起到一定的衰減和抑制的作用。

四、研究與展望

本文通過分析現有的一些浮式防波堤物理試驗模型，設計了一種滿足要求的新型柔性浮式防波堤結構，但是其中也有許多需要完善的地方：

1.在檢索現有的防波堤模型時，其試驗都是在室內水槽中進行的，上述的結構設計有很大的優化改進空間，下一步也可以在造波水槽中進行試驗研究，為后續的實際應用奠定基礎。

2.囊體采用的是滌綸纖維等材料，長期使用的話應該要考慮長期的日照、海水的腐蝕和波浪沖擊作用下的老化磨損，尋找一種更加抗磨損，抗腐蝕的材料。

3.現有的防波堤消浪的過程，都是將海浪的波能損耗，以熱量的形式散發，未來的設計可在吸收能量的同時能夠將其儲存利用，這是一個很有意義值得探究的研究發展方向。