織物增強囊袋式防波堤消浪效果研究

仲承浩 曾憲森

武漢紡織大學機械工程與自動化學院， 湖北 武漢 430200

20世紀70年代浮式防波堤理論一經提出，浮式防波堤便進入了研究者的研究視野。Ikeno等[1]設計了一種含增壓氣艙的凹型浮式防波堤，即在凹型浮式防波堤上添加了增壓氣艙，提高了防波堤的消浪性能。Nakamula[2]設計了一種雙矩形浮箱式浮堤，采用圓管和薄板連接兩個剛性矩形浮箱，利用堤身產生紊流破壞水分子運動規律來達到消減波浪的效果。吳靜萍等[3]提出了一種仿生浮漂式防波堤，通過模擬水塘中的浮萍將多塊圓柱形木板組合成矩形鋪在水面利用波浪摩擦產生消浪效果。胡嵋等[4]提出一種新的箱型浮式防波堤結構，即在空心管和柵欄板組成的框架結構中嵌入浮箱。楊彪等[5]在雙浮箱浮式防波堤的基礎上提出一種帶雙水平板的雙浮箱式浮堤，附加的水平板能夠增強浮堤的消浪效果并降低堤體的運動響應。

自我國提出“一帶一路”倡議以來，遠海開發愈發受到重視，對海上作業平臺的安全防護也顯得越來越重要。但上述幾種傳統浮式防波堤受制于堤身材質約束，無法滿足日益增長的遠海作業需求。因此，設計一種能面向遠洋海域大規模且快速鋪裝的新型浮式防波堤迫在眉睫。

紡織材料既可進行結構增強，又可折疊，并且隨著新纖維在抗拉強度、抗腐蝕等方面較大的發展，織物防波堤完全可以適應海洋環境。本文基于已有的研究成果，提出一種以大型織物增強囊袋作為堤身的柔性浮式防波堤結構，通過堤身抵御海浪波能，達到消浪或減浪的效果。柔性囊袋外形結構如圖1所示。每個圓柱形囊袋外設置注水閥和排水閥等保壓裝置以穩定囊袋內壓，使堤身具有一定剛度并保持堤身形態。在柔性囊袋式防波堤的堤身上等距設置多個連接錨定裝置結構，可保持堤身形態穩定，不受風浪影響。

圖1 柔性囊袋外形結構示意圖

1 試驗設計與試樣制備

為驗證本文設計的織物增強囊袋式防波堤對海浪的消浪效果，制作了防波堤的物理模型，在規則波造波水池中研究防波堤在不同規則波下的消浪性能及波浪變化規律。設計浮式防波堤的物理模型時，充分考慮試驗模型與原型之間的幾何相似性、運動相似性及動力相似性。

1.1 試驗設計依據

我國行業標準JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》[6]中規定：波浪物理模型試驗宜采用正態模型，且必須滿足Froude重力相似準則。因此將試驗模型模擬幾何比例尺選取為1∶20。

1.2 試驗試樣制備

制備物理模型的囊袋材料采用高強滌綸材質，其具有耐蠕變、耐疲勞、耐磨擦，以及受溫度影響小和尺寸穩定性好等優點[7]。制備過程如下：

(1)增強織物。以線密度為277.78 tex(2 500 D)的高強滌綸長絲為經、緯紗線，通過入緯速率為800 m/min、幅寬為2 m、車速為90 r/min的片梭織機，織造面密度為250 g/m2、織物密度(經向×緯向)為80根/(10 cm)×78根/(10 cm)、厚度為1.8 mm的高強滌綸平紋土工織物。增強織物的性能測試結果如表1所示。織造完成后，采用刮刀在織物兩面涂覆厚度為1 mm的PVC涂層。涂層工藝流程如圖2所示。

表1 增強織物的性能測試結果

圖2 涂層工藝流程圖

(2)縫合囊體。使用超聲波縫合機將增強織物縫合成試驗所需的囊體結構。

(3)囊體結構增強。在外部用平帶為囊袋增加一層加強網帶，對囊袋內部進行充水成型，使其壓強保持在200～300 kPa，以滿足試驗所需的剛度要求。

1.3 試驗條件

物理模型試驗在造波水池中進行，水池長132.0 m，寬10.8 m，最大工作水深為2.0 m，配有三維推板式24單元造波機進行造波。使用YWS100-AXX型電容式波高儀和DS30型浪高測量系統采集并處理波浪數據。試驗前對所有儀器進行標定，確保試驗數據的準確性。

1.4 試驗方案

試驗設計兩種布置方式：一是將2個充水后的柔性囊袋堤身以一定布置角度a呈V字形擺放，在堤身后形成一個扇形的掩護區域；二是以充水后的單個柔性囊袋為堤身，直接迎浪橫放。試驗模型在水池中的布置方式如圖3和圖4所示。

圖3 V字形浮堤試驗布置圖

圖4 迎浪橫放浮堤布置圖

試驗共使用3個波高儀，均沿浮堤的堤身中心線固定。3個波高儀依次記為為1#、2#、3#。1#號波高儀位于堤體后方掩護區域距防波堤3.0 m。2#波高儀距堤身前方1.0 m，與3#波高儀相距0.2 m。

試驗共選取3組波高(0.10,0.15,0.20 m)下的物理規則波，每組規則波均設定5種平均周期(T=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6 s)，設定織物增強囊袋式防波堤物理模型的工作水深d為2.0 m。表2為試驗模型與原型的波浪要素對照表，其中實模比為1∶20。

表2 模型試驗波要素對照表

1.5 試驗數據處理

透射系數Kt是評估柔性浮式防波堤消浪效果的一個重要指標，可由堤前入射波高Hi、堤后透射波高Ht求得，計算式如式(1)所示。

Kt=Ht/Hi

(1)

記入射波和反射波的波幅AI和AR，波浪反射系數Kr的計算式如式(2)所示。

Kr=AR/AI

(2)

其中AI和AR采用Goda等[8]在1976年提出的兩點法求得。

波能衰減系數Ks可由式(3)計算求得。

Kt2+Kr2+Ks2=1

(3)

2 試驗結果分析

表3詳細列舉了規則波高為0.20 m時囊袋式防波堤的消浪試驗數據。在規則波高為0.20 m，不同的布置夾角情況下，織物增強囊袋式防波堤的消浪效果的變化規律如圖5～圖7所示。

表3 囊袋式防波堤規則波試驗結果

由表3和圖5～圖7可知：織物增強囊袋式“V”字形防波堤在模型試驗不同布置角度下，均對規則波有明顯的消減效果。在不同的堤身寬度布置下，布置角度為60°的“V”字形防波堤均有最好的消浪效果，且都優于迎浪橫放布置的防波堤。在布置角度為60°時，無論堤身寬度取何值，波能衰減系數計算結果均最大，說明布置角度為60°的“V”字形防波堤在試驗布置的條件下消浪效果最好。

由圖7可知，布置角度為60°的“V”字形柔性囊袋式浮堤的波浪透射系數控制在工程常用范圍。在相對堤寬為0.260 0以上時，布置角度為60°的“V”字形柔性囊袋式浮堤與單方箱錨鏈式浮式防波堤較為相似。如圖8所示，與圖中列出的浮式防波堤消浪性能相比，除浮板+圓柱體塊浮式防波堤外，相對堤寬為0.400 0，布置角度為60°的“V”字形布置的囊袋式防波堤對周期較短的波浪有更好的消浪效果。

圖5 布置角度α對Kt的影響

圖6 布置角度α對Kr的影響

圖7 布置角度α對Ks的影響

圖8 幾種防波堤的消浪效果對比

因此，相比多數傳統結構形式的浮式防波堤，本文設計的織物增強囊袋式防波堤具有更優異的消浪效果。

3 結論

(1)對于造波水池的規則波，織物增強囊袋式結構的防波堤在不同迎浪角度下，均對波浪有明顯的消減效果，且在相同條件下，消浪效果優于大多數傳統的浮式防波堤。

(2)在不同的規則波作用下，本文設計的織物增強囊袋式防波堤均能保持有效抵御波浪的形態，并發揮其良好的消減效果，表明高強度紡織材料完全可以應用于柔性浮式防波堤的設計中。

(3)柔性囊袋式防波堤具有結構簡單、經濟高效、可快速鋪裝的優勢，是一種可大規模推廣的浮式防波堤結構，可為海洋工程的安全防護提供一種新的選擇。