楊會利，譚忠華，陳漢寶

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

0 引言

浮式防波堤的組成設(shè)施一般包括浮式構(gòu)件以及錨泊系統(tǒng)，利用浮體對波能的反射和耗散進(jìn)行消波。與固定式防波堤相比，浮式防波堤因具有強(qiáng)大的海水交換功能，可以避免海水交換不良的問題；隨著水深的增加，其造價相比更低；并且適用于軟土海床水域上，不需要進(jìn)行地基加固處理；安放的位置可變；具有臨時機(jī)動性、可重復(fù)使用、方便快捷等特性；浮體以及錨固系統(tǒng)易于制造、安裝和拆除；對港口自然狀況影響較小。這些特點決定了浮式防波堤可以用于傳統(tǒng)防波堤無法應(yīng)用以及不適合應(yīng)用的場合，有著廣闊的應(yīng)用前景。

浮式防波堤作為一種海工建筑的防護(hù)設(shè)施，其消浪性能、運(yùn)動特性和錨泊受力是工程界最為關(guān)注的[1]，目前對防波堤的消浪性能研究較多，而浮式防波堤的運(yùn)動和錨鏈?zhǔn)芰Φ难芯肯鄬^少，王環(huán)宇[2]，胡嵋[3]，董華洋[4]，侯勇[5-6]等分別研究了多孔浮式防波堤、雙浮箱-雙水平板式以及底浮箱式等結(jié)構(gòu)浮式防波堤、浮箱-水平板式、帶開孔圓弧的矩形方箱的水動力特性，及波陡、相對寬度等因素對消浪性能、浮式防波堤運(yùn)動特性和錨鏈力的影響。這些研究成果為浮式防波堤的錨泊設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，對浮體的安全保障具有積極的意義。

近年來受全球氣候條件影響，惡劣海況頻次有逐年提升態(tài)勢，造成海上重大災(zāi)害事件頻發(fā)[7]。這些情況需要一種簡潔、靈活、能快速安裝和造價較低的新型應(yīng)急防浪結(jié)構(gòu)來減弱波浪，針對此要求推出一種應(yīng)急型浮式防波堤新型結(jié)構(gòu)形式，并對其消浪性能、運(yùn)動特性和錨泊受力進(jìn)行了波浪斷面模型試驗，本文主要對應(yīng)急型浮式防波堤的運(yùn)動特性和錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行論述。

1 應(yīng)急型浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式的提出

1.1 結(jié)構(gòu)概述

此新型結(jié)構(gòu)由3根消浪管、帶快速鎖扣的緊固架和自充氣氣囊組成，為方便快速安裝每根消浪管由3塊120°板片組成。此結(jié)構(gòu)具有快速靈活、高效率及方便運(yùn)輸三大特點。消浪管分為開孔透空型和氣囊式消浪管。氣囊式消浪管內(nèi)部放置遇水可自動充氣氣囊，并可通過端部的出氣孔快速地調(diào)節(jié)消浪管的入水深度，開孔透空型消浪管管體通孔交錯排列分布，通孔結(jié)構(gòu)可充分使得水體紊動，造成水流流速減慢，從而使得各個流動方向發(fā)生改變，影響波浪和水流的傳播，實現(xiàn)消波、消流的效果，提高消浪性能。應(yīng)急型浮式防波堤結(jié)構(gòu)如圖1所示。本結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)輕便、組裝簡單，可以在短時間內(nèi)組裝，充分體現(xiàn)應(yīng)急防護(hù)的特點[8]。

圖1 應(yīng)急型浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式圖Fig.1 Structure diagram of emergent type floating breakwater

1.2 模型設(shè)計

模型試驗水槽長45 m，寬0.5 m，高1.1 m，配有吸收式造波機(jī)，末端布置消波裝置，防止透射波的二次反射。

模型試驗中浮體采用重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計，試驗遵照《波浪模型試驗規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型。浮體選用PVC管制作，模型中浮體外直徑為7.5 cm，長48 cm，3根消浪管位置呈正三角形布置，最大寬度為15 cm，最大高度為14 cm，模型密度按0.6 g/cm3考慮。

試驗中的尼龍纜模擬主要滿足幾何相似和彈性相似，考慮到來浪的不確定性并滿足結(jié)構(gòu)受力均勻性等要求，錨鏈采用迎浪面和背浪面對稱的“平行型”布置方式，模型中采用直徑1 mm的尼龍纜進(jìn)行模擬，尼龍纜間距28 cm，錨鏈的彈性剛度通過定制彈簧來模擬。尼龍纜一端與緊固架相連，另一端拉緊后錨固于試驗水槽底部，尼龍纜長度與水深比為2∶1。 浮體放置在水槽中間，模型共布置5根波高傳感器，浮體前部布置1號和2號共2根波高傳感器，記錄浮體前的波面過程線，后端布置3號、4號和5號3個波高傳感器，間距0.25 m，3號波高傳感器距浮體3.0 m，測量堤后波高，模型布置圖如圖2所示。不同組次試驗時至少重復(fù)3次，當(dāng)3次試驗現(xiàn)象和測量結(jié)果差別較大時，增加重復(fù)次數(shù)。

圖2 模型布置示意圖Fig.2 Layout of physical model

1.3 試驗條件

原型入射波高為1.5 m、3.0 m、5.0 m，波周期為 5.0 s、6.0 s、8.0 s、10.0 s、12.0 s、14.0 s，水深為15 m、25 m和35 m，探討了相對寬度、波高、水深和相對入水深度等因素對應(yīng)急型浮式防波堤的運(yùn)動特性和錨泊受力的影響。

試驗中使用的參數(shù)和相關(guān)符號見表1。

表1 試驗相關(guān)參數(shù)及符號Table 1 Test parameters and symbols

2 結(jié)果分析

2.1 運(yùn)動特性分析

斷面試驗中，波浪作用下浮體的運(yùn)動特性包括橫蕩、垂蕩及橫搖，圖3分別為橫蕩、垂蕩及橫搖隨時間變化的過程線，從中可以看出橫蕩、升沉與橫搖過程基本體現(xiàn)了規(guī)則波的特性。分析試驗數(shù)據(jù)得知，由于浮體順浪向橫蕩、上升垂蕩、逆時針橫搖值要大于逆浪向橫蕩、下降垂蕩、順時針橫搖，因此主要以順浪向橫蕩、上升垂蕩和逆時針橫搖最大值對浮體運(yùn)動特性進(jìn)行分析。

圖3 浮體運(yùn)動響應(yīng)時間過程線（模型值）Fig.3 Time series of pontoon motions(model value)

2.1.1 相對寬度與波高對運(yùn)動量的影響

圖4～圖6為水深15 m、25 m和35 m時，3種入射波高條件下，浮體橫蕩、垂蕩、橫搖與相對寬度和波高的關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著波高的增大浮體橫蕩值明顯增大，說明波高的變化對浮體的橫蕩影響較大；分析相對寬度對浮體橫蕩值的影響，可以發(fā)現(xiàn)浮體橫蕩值基本隨著相對寬度的增大而減小，而當(dāng)相對寬度較小時，即周期較大時，浮體的橫蕩值不再隨著相對寬度的減小而增大，而是趨于穩(wěn)定。這是由于受到錨鏈的限制，在不同波況下，浮體的橫蕩值增大到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。

圖4 浮體橫蕩與相對寬度及波高的關(guān)系（原型值）Fig.4 Relation of pontoon sway with relative width and wave height(original shape value)

圖5 浮體垂蕩與相對寬度和波高的關(guān)系（原型值）Fig.5 Relation of pontoon heave with relative width and wave height(original shape value)

圖6 浮體橫搖與相對寬度和波高的關(guān)系（原型值）Fig.6 Relation of pontoon roll with relative width and wave height(original shape value)

從圖5可知隨著波高的增大浮體垂蕩也基本呈現(xiàn)增大的規(guī)律，說明波高也是影響浮體垂蕩的主要因素；分析相對寬度對浮體垂蕩值的影響可以發(fā)現(xiàn)，浮體垂蕩值隨著相對寬度的增大而減小，這是由于試驗中浮體寬度是不變的，相對寬度對垂蕩的影響歸因于周期，當(dāng)周期增大時，浮體的隨波性增強(qiáng)，表現(xiàn)為波谷處浮體的垂蕩值增大。

從圖6中可以看出隨著波高的增大，浮體橫搖也呈現(xiàn)增大的規(guī)律，說明波高也是影響浮體橫搖的主要因素；分析相對寬度對浮體橫搖值的影響可以發(fā)現(xiàn)，浮體橫搖值隨著相對寬度的減小而減小，究其原因，當(dāng)相對寬度減小時，浮體的橫蕩、垂蕩值增大，由于此時水質(zhì)點運(yùn)動軌跡變?yōu)闄E圓形，因而橫搖值減小，浮體接近平動；此外，在波高一定時，相對寬度減小則波陡減小，橫搖值亦隨著減小。

2.1.2 水深對運(yùn)動特性的影響

圖7～圖9分別為相同波高條件下，水深對浮體橫蕩、垂蕩及橫搖的影響。從圖中可知，相同的波高條件下，浮體橫蕩、垂蕩及橫搖與水深的相關(guān)性都較差，說明水深不是浮體運(yùn)動特性的主要影響因素。

圖7 水深對浮體橫蕩的影響（原型值）Fig.7 Relation of pontoon sway with water depth(original shape value)

圖8 水深對浮體垂蕩的影響（原型值）Fig.8 Relation of pontoon heave with water depth(original shape value)

圖9 水深對浮體橫搖的影響（原型值）Fig.9 Relation of pontoon roll with water depth(original shape value)

2.2 錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/h3>

通過二維物理模型試驗數(shù)據(jù)分析得知，浮體迎浪側(cè)錨鏈力大于背浪側(cè)，這是由于當(dāng)迎浪向錨鏈處于張緊受力狀態(tài)，背浪向則處于松弛狀態(tài)，反之亦然，在時間上兩者存在π/2相位差，因此模型迎浪向與背浪向所受錨鏈力的規(guī)律一致。由于錨鏈?zhǔn)芰εc浮體的運(yùn)動特性一致，浮體順浪向橫蕩值大于逆浪向，逆時針橫搖值大于順時針，因此，迎浪向錨鏈?zhǔn)芰Ω蟆?/p>

本文主要分析浮體相對寬度、相對入水深度及波高對應(yīng)急型浮式防波堤迎浪向錨鏈力的影響。

2.2.1 相對寬度與波高對錨鏈力的影響

圖10為水深分別為15 m、25 m和35 m時，3種入射波高條件下，浮式防波堤錨鏈?zhǔn)芰εc相對寬度及波高的關(guān)系。從圖中可以看出，浮體所受錨鏈力隨著波高的增大而增大，且變化幅度較為明顯，說明波高與錨鏈力的相關(guān)性較好。

圖10 相對寬度及波高對錨鏈力的影響（原型值）Fig.10 Relation of mooring forces with relative width and wave height(original shape value)

分析相對寬度對錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?，可以發(fā)現(xiàn)，錨鏈?zhǔn)芰﹄S著相對寬度的減小而增大。當(dāng)周期較大時，錨鏈力隨著相對寬度的減小而增大的趨勢變緩，甚至趨于穩(wěn)定。究其原因，當(dāng)周期較大時，紊動消能加大，浮體的耗散系數(shù)加大，錨鏈力也隨著減小。此外，錨鏈?zhǔn)芰Υ笮∈歉◇w橫蕩、垂蕩和橫搖相互影響疊加而成。浮體橫蕩值在周期較大時達(dá)到極限，錨鏈的張緊程度達(dá)到最大，因此錨鏈?zhǔn)芰呌诜€(wěn)定；而在周期較小時，錨鏈的張緊程度隨著減小，因此錨鏈?zhǔn)芰﹄S之減小。

2.2.2 相對入水深度對錨鏈力的影響

圖11為波高不變時，相對入水深度分別為0.224、0.134和0.096時，入水深度均為0.6倍浮體高度值，通過改變水深而改變相對入水深度，得到錨鏈力與相對入水深度的關(guān)系。從圖中可知，試驗范圍內(nèi)，在波高H=1.5 m時，相同的相對寬度條件下，錨鏈力隨著相對入水深度的增大而增大，隨著波高的增大，模型相對入水深度對錨鏈力的影響越來越小。從波高對浮體的錨鏈力影響結(jié)果來看，浮體錨鏈力隨著波高的增大而增大，在波高較小時，浮體錨鏈力也相對較小，此時相對入水深度對浮體錨鏈力的影響比較明顯；隨著波高增大，浮體錨鏈?zhǔn)芰σ苍絹碓酱?，而此時相對入水深度對浮體錨鏈力的影響越來越小。

圖11 相對入水深度對錨鏈力的影響（原型值）Fig.11 Relation of mooring forces with relative water depth(original shape value)

3 結(jié)語

1）在規(guī)則波作用下，浮體運(yùn)動量隨著波高的增大而增大；垂蕩和橫蕩隨著相對寬度的增大而減小，浮體橫搖值隨著相對寬度的減小而減??；水深對浮體的運(yùn)動量影響關(guān)系規(guī)律不明顯。

2）在規(guī)則波作用下，浮式防波堤的錨鏈力迎浪側(cè)大于背浪側(cè)，在各種影響因素中對波高的敏感度最高，規(guī)律性較明顯，錨鏈力與波高成正比關(guān)系，隨著波高的增大錨鏈力也隨之增大；錨鏈?zhǔn)芰﹄S著相對寬度的減小而增大。當(dāng)周期較大時，錨鏈力隨著相對寬度的減小而增大的趨勢變緩，甚至趨于穩(wěn)定；在相同相對寬度條件下，波高較小時錨鏈力隨著相對入水深度的增大而增大，隨著波高的增大，模型相對入水深度對錨鏈力的影響越來越小。