一種新型防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

楊培杰 莊寧 楊文濤

摘 要：針對現(xiàn)有傳統(tǒng)防波堤結(jié)構(gòu)用途單一，空間利用率不高的問題，本文提出一種新型防波堤結(jié)構(gòu)型式。新型防波堤結(jié)構(gòu)依托于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，對其內(nèi)部構(gòu)造進行創(chuàng)新改進，在滿足原有防波消浪的功能上，進一步利用海洋風力、水體勢能進行清潔發(fā)電，為未來海洋新能源發(fā)展提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：防波堤;新型結(jié)構(gòu);新能源

1引言

近年來，隨著我國海洋事業(yè)的飛速發(fā)展，海上交通運輸日趨繁忙。在國家“一帶一路”的倡議下，港口碼頭的建設(shè)步伐不斷加快。但隨著優(yōu)良岸線規(guī)劃殆盡，以及船舶噸位的不斷提高，對于碼頭及其配套設(shè)施的要求越來越高。為保持港內(nèi)水域平穩(wěn)，便于船舶泊穩(wěn)和船舶裝卸作業(yè)的需要，通常在港池外側(cè)設(shè)置防波堤，以減小港外水體對港池內(nèi)船舶的影響。

結(jié)合防波堤工作原理，防波堤主要分為實體式和透空式兩大類[1-2]，實體式防波堤主要采用拋石構(gòu)造，結(jié)構(gòu)簡單，可較大程度減小外海側(cè)波浪能。透空式防波堤[3]包括梳式防波堤、噴氣防波堤、噴水防波堤等，透空式防波堤投資較少，但消能效果較實體式差，故實際使用中以采用實體式防波堤居多。現(xiàn)行實體式防波堤主要用于削弱波能，使用方向較為單一。

隨著不可再生能源的不斷消耗，人們對新型能源的開發(fā)和利用愈發(fā)重視，利用海洋上風能、波浪能進行發(fā)電的裝置不斷涌現(xiàn)。以海上風機為例，重力式、單樁式、浮筒式等各種新型式結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在海洋上。但海上風機多建于外海范圍，在海上惡劣的海象條件作用下，結(jié)構(gòu)施工時困難較大且后期防腐加固成本較大。如果能夠通過改進現(xiàn)有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)功能多元化，提高結(jié)構(gòu)的利用率，將使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與綠色環(huán)保結(jié)合，實現(xiàn)效益最大化。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文基于傳統(tǒng)實體式防波堤結(jié)構(gòu)，提出一種能夠兼顧消能和發(fā)電的新型式防波堤，利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)將海洋上風能和水體勢能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多元化利用。

如圖1所示，防波堤采用重力式結(jié)構(gòu)，防波堤中部設(shè)置沉箱，沉箱前后側(cè)回填拋石，在減輕結(jié)構(gòu)整體重量的同時保證結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定。防波堤向海側(cè)斜坡上設(shè)置若干個凹槽，凹槽下設(shè)有傳送帶，凹槽中海水可借助傳送帶上的取水箱輸送。防波堤向海側(cè)堤頂設(shè)置圓弧形胸墻，擋浪墻上設(shè)有風葉板，可在海風作用下轉(zhuǎn)動，帶動傳動帶工作，將斜坡凹槽中海水輸送至沉箱內(nèi)。由于胸墻采用圓弧形，可有效匯聚風力，提高風葉板轉(zhuǎn)動效率。傳送帶上部端口處設(shè)置有一盛水容器，可暫時儲存水體。因盛水容器下側(cè)設(shè)置有一復位彈簧，當水體達到既定重量時，彈簧壓縮使容器向下傾倒泄水。泄水后盛水容器在復位彈簧作用下復位，盛水容器進入下階段循環(huán)。盛水容器下側(cè)設(shè)置有一發(fā)電葉片，可通過水體動能驅(qū)動進行發(fā)電。沉箱底板通過鉸支座連接有兩根桿件，一根桿件頂端固定有鐵質(zhì)浮子，可在上部磁鐵控制下轉(zhuǎn)動，另一根桿件內(nèi)置彈簧，可控制閥門啟閉。

如圖2、圖3、圖4所示，水體傳送模塊由若干傳動帶構(gòu)成，通過風力驅(qū)動風葉板轉(zhuǎn)動，進而帶動傳送帶運轉(zhuǎn)。傳送帶上設(shè)有若干個取水箱，取水箱開孔上大下小，可有效蓄存水體。風力驅(qū)動傳送帶運轉(zhuǎn)后，取水箱向高處移動，待到達最高點位后，取水箱在傳送帶作用下翻轉(zhuǎn)，水體進入盛水容器。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計時通過風力驅(qū)動，無需額外動力，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟性較好。

2.2工作原理

外海在惡劣的海象條件作用下，海風、海浪均較大。海浪拍擊防波堤后，受防波堤阻擋消能，水體沿防波堤斜坡向下回流。由于防波堤向海側(cè)堤頂設(shè)有圓弧狀胸墻，內(nèi)設(shè)有風力轉(zhuǎn)動葉片，在海風作用下，可有效驅(qū)動轉(zhuǎn)動葉片轉(zhuǎn)動。圓弧形胸墻可有效匯聚風力，提高風力利用效率。水體沿防波堤斜坡回流后，部分水體可經(jīng)斜坡面凹槽存儲于傳送帶的取水箱內(nèi)。取水箱經(jīng)傳送帶傳輸至斜坡頂后，水體傾泄至沉箱內(nèi)的盛水容器中，當盛水容器中水體量達到設(shè)計預期量后，容器在重力作用下壓縮彈簧，容器傾斜泄水，水體在自重作用下沖擊下側(cè)發(fā)電葉片，驅(qū)動發(fā)電葉片轉(zhuǎn)動發(fā)電。盛水容器中水體減少至設(shè)計值時，盛水容器在復位彈簧作用下歸位。水體帶動發(fā)電葉片轉(zhuǎn)動后，存貯于沉箱內(nèi)，待沉箱內(nèi)水體量達一定設(shè)計值時，浮子控制沉箱側(cè)閥門開啟，水體外排，驅(qū)動排水管中第二發(fā)電葉片工作發(fā)電。水體減少后，鐵質(zhì)浮子隨水位同步下降，但由于受上部磁鐵吸力作用，鐵質(zhì)浮子下降速度較慢，進一步促進沉箱內(nèi)水體排泄。待鐵質(zhì)浮子完全歸位后，閥門完全關(guān)閉，沉箱進入下一階段蓄水循環(huán)。

3應用前景

（1）保留傳統(tǒng)防波堤結(jié)構(gòu)，在防波消浪的同時，充分利用空間結(jié)構(gòu)進行發(fā)電，實現(xiàn)單一結(jié)構(gòu)的多元化利用。由于防波堤主要布置于近海，較海上風機等發(fā)電結(jié)構(gòu)物而言，施工不可測要素較少，施工方便。投入使用后，由于不需人為操控，自動清潔運行，后期維護費用也較低。

（2）適應當前節(jié)能減排、綠色環(huán)保的時代要求，通過大自然中風能、波浪能等清潔能源發(fā)電，將可再生資源合理利用，符合未來海洋能的利用方向。

（3）傳統(tǒng)防波堤運作時，僅起消波消能的作用，未能很好地將波浪能進行利用。本文所述的新型結(jié)構(gòu)可將海洋波浪能充分利用，在部分消除破壞性能量的同時，也能部分轉(zhuǎn)化能量，可為海洋新能源方向提供借鑒。

4結(jié)論與展望

（1）針對傳統(tǒng)防波堤結(jié)構(gòu)用途單一的問題，本文提出一種新型防波堤結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)防波消能的基礎(chǔ)上，結(jié)合能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)布局，在無需額外能量消耗的同時進行清潔發(fā)電。在目前節(jié)能環(huán)保，大力發(fā)展清潔能源的現(xiàn)階段，該結(jié)構(gòu)將為可持續(xù)發(fā)展理念提供借鑒和參考。

（2）該新型防波堤結(jié)構(gòu)相比于海上風電平臺等新能源結(jié)構(gòu)而言，施工安全便利，受海洋條件約束較少。且該結(jié)構(gòu)可充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，工程投資低，對于未來海洋新能源市場具有巨大潛力。

參考文獻：

[1]盧超，鄭龍.板式開孔防波堤水動力特性及受力研究綜述[J].中國水運（下半月），2018，18（07）：159-160+162.

[2]合田良實， 劉淑珍. 新型防波堤結(jié)構(gòu)的研究概況[J]. 水道港口， 1983（03）：52-55.

[3]徐寧，楊小樺，龐丹，劉仔峰.透空式雙層板防波堤消波特性研究[J].中國水運（下半月），2014，14（07）：214-216.