浮式防波堤結構及其性能數值研究

楊利樂 中交海洋建設開發有限公司

浮式防波堤主要是由浮式構件和系泊系統組成，具備防浪消波的基本功能，常用于港灣、海口甚至海上工程施工現場，以及海水養殖、工業生產等諸多領域。尤其是在開放式海域養殖生產過程中，隨著海水網箱養殖范圍的進一步拓寬，越來越多海上網箱受到臺風、海浪甚至漲潮落潮的侵襲造成養殖損毀，海水網箱養殖經濟效益過低。因此，為保證海水網箱養殖的安全高效與養殖魚群的正常生長，促進海水網箱養殖產業的不斷擴大，對浮式防波堤進行消浪減浪研究也就具備重要意義。因此，本文對浮式防波堤結構及其性能參數的探討與研究，也就具備重要理論意義和現實價值。

1.浮式防波堤的消浪機理與主要類型

浮式防波堤的結構類別是影響其消能消浪效果的最重要因素，不同類型的浮式防波堤的消浪機理有所不同，總體而言，主要存在波能反射原理、波列間干涉削能削波原理、紊動消波原理以及波浪力做功消波原理四大類別。

近年來，隨著國內外學者對浮式防波堤研究的不斷深入，浮式防波堤進一步被分為筏式浮堤、板-網式浮堤和箱式浮堤三大類別。

（1）就波能反射消波而言，可利用浮式波消堤消前部分反射能量與波浪間的能量關系，使消防堤的相對入水深度降低，達到浮式堤消波消浪的效果。

（2）就波列間的干涉消波而言，由于波浪間的傳遞頻率及結構類別與波浪本身所具備的頻率有所不同，因此，波浪傳遞頻率與波浪本身頻率之間的相互牽制和抵消，能達到波列間的干涉作用，從而達到消去波浪能量的最終效果。

（3）就紊動消能原理而言，由于水體結構與浮式防波堤結構類別相互作用，兩者之間形成的碰撞、摩擦甚至相互沖擊等破壞了原有波浪運動的作用規律，將其運動轉變為雜亂紊動，以此達到波浪消減的目的。

（4）就波浪力作功原理而言，波浪力使浮式消波堤的結構形式產生豎直位移或橫向、縱向變形，使該部分波浪力做功達到能量耗減的目的，最終達成消波功能。

（5）就閥式浮堤而言，該結構主要借助波浪運動過程中水質點垂直運動速度的抑制作用，達到波浪消減以及能量消耗的作用。由于閥式浮堤吃水深度往往較小，結構尺度在波浪橫向傳播上的方向距離較長，因此，往往需達到一倍以上波長才能有效起到波浪能量消減的作用。該消浪機理主要是通過阻止波浪運動過程中波能水質點運動時的垂直分量，使該分量變小，從而使波浪運動質點從以往的有規律的軌跡運動轉化為雜亂無章的紊動運動狀態，以此達到波浪能量消減作用。在筏式浮堤應用過程中，由于該結構本身具備透水性，且筏式浮堤的上下波動會造成流動水體的上下波動而破壞法筏式浮堤底部與水頂部之間波浪質點的水平分量，以此進一步加強筏式浮堤的波能消減。

2.浮式防波堤結構形式與作用試驗

浮式防波堤的制作最初選用的材料為鍍鋅鐵板，但由于浮式防波堤結構類型多種多樣，且模型采用錫焊接時，鐵板焊縫大小無法保證，其均勻性與對稱性難以有效控制，很容易導致筏式防波堤模型重量呈現不對稱狀態，最終影響浮式防波堤在靜水結構中的頂面水平狀態的保持，因此，本文最終選擇利用有機玻璃作為制作浮式防波堤結構的基本材料，對其作用進行波能檢測和消減，再以物理試驗探討其作用。

圖1 L型中浮箱式防波堤和L型邊浮箱式防波堤透過率變化影響曲線圖

圖2 不同結構類型和不同寬度條件下邊浮箱式防波堤透過率變化影響曲線圖

采用有機玻璃制作浮式防波堤，能有效克服原本鍍鋅鐵板制作浮式防波堤模型帶來的對稱性與均勻性無法保持的缺點，且浮式防波堤的加工更加靈活，因此，為最大限度體現浮式防波堤結構形式對整個波浪能量的削減效果和透過率，本文選擇L型中浮箱式防波堤和L型邊浮箱式防波堤兩種結構。就L型中浮箱式防波堤而言，該類型浮式防波堤由柵欄板和舷板組成，利用柵欄板與舷板圍合為方形結構，再將浮箱固定在浮式防波堤中部結構。L形邊浮箱式防波堤則利用柵欄板和舷板圍合，將空心型的圓筒形的浮箱固定在防波堤的兩側，從而形成完整的浮式防波堤。

在采用空心圓管和柵欄板結合的浮式防波堤為條件的基礎上，設置水深8m和8.2m的淺水區域，探究不同類別浮式防波堤結構形式與波能消減作用之間的關系。在此基礎上，設置長34m、寬0.5m、高0.68m的水槽，在該水槽中進行浮式防波堤消能消波作用的探討與試驗。在水槽一側利用推板式造波機模擬自然條件下的波浪涌動運動規律，由此產生單向規則波和單向不規則波，在水槽另一側則安裝消能裝置以吸收波浪能量，達到波浪能量消減和減少波浪能量反射的作用。

3.浮式防波堤系統試驗的性能數值

以L型中浮箱式防波堤和L型邊浮箱式防波堤為主要探究對象，探討不同類別箱式防波堤在不同的浮堤寬度條件下，通過物理試驗研究采集到的浮堤前后的波浪高值，進一步分析得到L型中浮箱式防波堤和L型邊浮箱式防波堤在浮箱寬度為6m、8m、5.95m和7.98m的四個不同條件下的透過率，其結果曲線圖如圖1。由圖可知，當浮式防波堤均為L型中浮箱式防波堤時，隨著防波堤寬度的增加，中浮箱式防波堤透過率變化影響并不大。也就是說，L型中浮箱式防波堤的堤壩寬度變化對整個波能消減過程中透過率的影響并不大。但當研究對象為邊浮箱式防波堤時，隨著浮堤寬度的不斷增加，L型邊浮箱式防波堤的透過率存在著較大變化。也就是說，L型邊浮箱式防波堤的浮堤寬度變化對其波能消減過程中透過率的變化有著明顯影響。

為進一步探究不同結構類型邊浮箱式防波堤和不同寬度條件下邊浮箱式防波堤對整個波能消減過程中透過率的影響變化，本文以L型、T型和H型邊浮箱式防波堤為主，探討了上述三種不同類型的邊浮箱式防波堤在浮堤寬度為5.95m、7.89m的不同條件下的透過率，其曲線結果示意圖如圖2。由圖可知，當浮堤寬度大小值相同時，同樣是邊浮箱式防波堤，H形和T形防波堤的浮堤寬度變化對波能消減過程中透過率的影響并不大，但L型邊浮箱式防波堤浮堤寬度的變化，對波能消減過程中的透過率則有著明顯影響。當控制防波堤結構類別均為H型邊浮箱式防波堤時，隨著不同浮堤寬度的變化，在波能消減過程中的透過率變化斜率有所不同。

4.結論

浮式防波堤的結構類型，將影響浮式防波堤波浪透過系數，最終借助影響透過率影響波能消減效果。因此，在利用浮式防波堤時，應根據實際情況具體分析，采取波能消減效果影響因素最少的浮堤結構形式和浮堤寬度條件，為更好地利用浮式防波堤結構作出應有貢獻。