王志瑜，李 超，張金鳳，馬 瑞，趙一帆

(1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222； 2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

浮式防波堤作為防護(hù)構(gòu)筑物，與傳統(tǒng)防波堤相比能夠保證被掩護(hù)水域的海水正常交換[1-3]，保證被掩護(hù)區(qū)域的水體質(zhì)量，對(duì)防波堤所在區(qū)域以及掩護(hù)區(qū)域原有生態(tài)系統(tǒng)影響相對(duì)較小，尤其適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、游艇碼頭等對(duì)水體質(zhì)量要求較高的區(qū)域[4-5]，且浮式防波堤可模塊化生產(chǎn)、安裝，具有便于安裝、維修、拆除等優(yōu)點(diǎn)，拆除后不影響工程區(qū)域的后續(xù)開發(fā)利用，有廣闊的發(fā)展前景和重要的社會(huì)意義。

浮防波堤的種類多種多樣，按照堤身的變形性能可將浮防波堤分為三類：剛性浮防波堤、柔性浮防波堤和混合式浮防波堤。剛性浮防波堤在波浪作用下不發(fā)生形變，常見的有浮箱式[6-9]、浮筒式[10]、柵欄式和浮筒柵欄式等。其中浮箱式浮筒式都是反射型的浮防波堤，而浮筒柵欄式是反射波浪破碎型浮防波堤；浮箱的墻體主要由鋼板和鋼筋混凝土制成，斷面形式一般為矩形、圓形等規(guī)則形狀，這樣的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、施工以及安裝容易，造價(jià)低，在運(yùn)動(dòng)幅度比較小時(shí)還可以兼做道路、錨船或者漁碼頭等。柵欄式浮防波堤具有破碎反射波的功能，是由反射、諧振和波浪破碎來減少透射波的，主要代表為開孔箱式浮防波堤、垂直幕墻式浮防波堤、多層浮管式浮防波堤[11-12]。柔性浮防波堤在波浪作用下可以通過改變其形狀吸收波浪能量，柔性浮防波堤的最典型代表就是廢舊輪胎浮防波堤，各個(gè)輪胎之間以鉸接形式連成浮防波堤[13]。近年來出現(xiàn)了“剛?cè)嵯酀?jì)”的浮防波堤，就是結(jié)合了剛性和柔性材料特點(diǎn)的浮防波堤，例如板網(wǎng)式防波堤[14-15]和新型筏式防波堤[16]。

本文提出了一種網(wǎng)箱式浮防波堤，該防波堤靠鋼框架將消能網(wǎng)固定，框架中鋼梁斷面較小對(duì)波浪反射較小，減少了結(jié)構(gòu)直接受力，主要靠網(wǎng)孔打亂波浪水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，達(dá)到減少堤后波浪的目的。網(wǎng)箱式浮防波堤通過一層一層消能網(wǎng)逐漸消耗波浪能量，通過多層消能網(wǎng)的累積效應(yīng)達(dá)到堤后波高不超過入射波高一半的目的。影響網(wǎng)箱式浮防波堤消浪效果的因素主要有相對(duì)吃水、相對(duì)寬度、相對(duì)波高、消能網(wǎng)間距、消能網(wǎng)孔隙率等，本文采用FLOW-3D軟件研究了相對(duì)吃水、相對(duì)寬度、消能網(wǎng)間距對(duì)消浪效果的影響。如圖1所示，網(wǎng)箱式浮式防波堤主要由框架結(jié)構(gòu)、消能網(wǎng)和錨碇系統(tǒng)組成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)為空心封閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部可填充塑料泡沫，除了起到固定消能網(wǎng)的作用之外，還為結(jié)構(gòu)整體提供浮力，不再設(shè)置單獨(dú)的浮力單元。消能網(wǎng)采用耐久性較好、強(qiáng)度較大且基本不吸水的材料。錨碇系統(tǒng)用于限制結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)幅度，其中錨碇構(gòu)件固定于海底，通過錨鏈和彈性構(gòu)件與框架結(jié)構(gòu)連結(jié)，能夠使各個(gè)錨鏈?zhǔn)芰鶆?，有效避免某一個(gè)錨鏈突然受力過大的情況出現(xiàn)，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

圖1 網(wǎng)箱式浮防波堤示意圖Fig.1 Schematic diagram of net cage floating breakwater

1 數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證

1.1 數(shù)學(xué)模型建立的基本理論

本文計(jì)算浮防波堤的消浪效果采用的是FLOW-3D軟件。

1.1.1 流體在孔隙介質(zhì)的控制方程

本文在模擬消能網(wǎng)時(shí)采用的是孔隙介質(zhì)模型?？紫督橘|(zhì)的孔隙率Vf定義為孔隙體積與總體積之比。通過構(gòu)建孔隙介質(zhì)的連續(xù)模型并平均到每一個(gè)控制體中，其質(zhì)量方程為

(1)

式中：Ux、Uy、Uz分別代表x、y、z方向上的速度。

波浪水質(zhì)點(diǎn)在消能網(wǎng)和消能網(wǎng)之間會(huì)發(fā)生紊動(dòng)，本文采用由雷諾數(shù)確定的拖拽力系數(shù)Fd的計(jì)算公式為

(2)

式中：a=180/D2；b=1.8～4.0/D，b越大表明越粗糙。

1.1.2 波浪運(yùn)動(dòng)控制方程

(1)連續(xù)方程。

(3)

式中：VF為可流動(dòng)的體積積分；ρ為流體密度；RDIF為紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)；RSOR為質(zhì)量源項(xiàng)；u、w、v分別代表x、y、z三個(gè)方向的速度分量。

(2)動(dòng)量方程。

(4)

式中：Gx、Gy、Gz為物質(zhì)在x、y、z三個(gè)方向的重力加速度；fx、fy、fz為x、y、z三個(gè)方向的粘滯力加速度；bx、by、bz為在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)損失。

1.2 模型設(shè)置

圖2 數(shù)值模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the numerical model

根據(jù)使用要求，在水深12 m，平均周期12 s，波高達(dá)到4級(jí)海況的條件下，浮式防波堤掩護(hù)區(qū)域的波高不超過行進(jìn)波波高的0.5倍。故本次數(shù)值模擬采用的水文條件為：周期T=12 s、波高H=2.5 m、水深d=12 m、波長L=123 m。采用Flow-3D建立二維模型進(jìn)行防波堤消浪效果的研究，數(shù)值模擬波浪水槽長800 m，其中消波區(qū)長430 m，高度18 m。消能網(wǎng)采用多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬，計(jì)算模型中孔隙率為50%，為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，對(duì)于水面1倍波高范圍以及防波堤中心兩側(cè)各60 m的范圍網(wǎng)格尺寸0.1 m，其他區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)加大，最大網(wǎng)格尺寸不超過1.0 m。波高監(jiān)測(cè)位置為堤后1倍波長位置。計(jì)算時(shí)間取為8個(gè)周期96 s，間隔0.2 s采集一個(gè)結(jié)果。本文假定浮防波堤固定，不在波浪的作用下運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)假定條件下對(duì)網(wǎng)箱式浮防波堤的消浪效果進(jìn)行數(shù)值研究(見圖2)。

圖3 理論計(jì)算波面和驗(yàn)證模型堤后波面實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the theoretically calculated wave surface and the measured value of the wave surface behind the verification model

1.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的合理性，保證研究成果的科學(xué)性，本文擬采用5階Stocks波的理論計(jì)算波面與消能網(wǎng)在孔隙率為99.9%情況下堤后實(shí)測(cè)波面進(jìn)行對(duì)比。

驗(yàn)證模型中的浮防波堤主要參數(shù)：消能網(wǎng)數(shù)量10片、間距5 m、孔隙率99.9%，吃水8.0 m。

圖3為5階Stocks波的理論計(jì)算波面與驗(yàn)證模型中的堤后實(shí)測(cè)波面的對(duì)比圖。從圖中可知二者差別不大，本模型可用于網(wǎng)箱式浮防波堤消浪效果的數(shù)值模擬。

表1 網(wǎng)箱式浮防波堤計(jì)算工況Tab.1 Calculation conditions of net cage floating breakwater

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

本文主要研究了相對(duì)吃水(浮防波堤吃水/水深)、相對(duì)寬度(浮防波堤寬度/波長)、消能網(wǎng)間距、消能網(wǎng)孔隙率對(duì)消浪效果的影響。并分別繪制了相對(duì)吃水、相對(duì)寬度、消能網(wǎng)間距與透射系數(shù)的散點(diǎn)圖，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別分析了相對(duì)吃水、相對(duì)寬度、消能網(wǎng)間距對(duì)透射系數(shù)的影響規(guī)律。

數(shù)值試驗(yàn)共分為3組，第一組是僅改變相對(duì)吃水一個(gè)變量，來研究相對(duì)吃水對(duì)浮防波堤消浪效果的影響，第二組和第三組的變量分別為相對(duì)寬度和消能網(wǎng)間距，分別研究相對(duì)寬度和消能網(wǎng)間距對(duì)消浪效果的影響。網(wǎng)箱式浮防波堤數(shù)值模型計(jì)算工況見表1。

圖4給出了相對(duì)吃水對(duì)消浪效果的影響曲線，從圖4中可以看出透射系數(shù)隨著相對(duì)吃水的增加而減小，隨著相對(duì)吃水的增加，透射系數(shù)減小的速率有逐漸降低的趨勢(shì)。圖5給出了相對(duì)寬度對(duì)消浪效果的影響曲線，從圖5中可以看出透射系數(shù)隨著相對(duì)寬度的增加而減小，隨著相對(duì)寬度的增加，透射系數(shù)減小的速率有逐漸降低的趨勢(shì)。圖6給出了消能網(wǎng)間距對(duì)透射系數(shù)的影響曲線，從圖6中可以看出透射系數(shù)隨著消能網(wǎng)間距的增加而增加，隨著消能網(wǎng)距離的增加，透射系數(shù)的增加速率有逐漸減少的趨勢(shì)。圖7給出了孔隙率對(duì)透射系數(shù)的影響規(guī)律，從圖6可看出，透射系數(shù)隨著孔隙率的增大而增大。在計(jì)算范圍之內(nèi)，相對(duì)寬度、相對(duì)吃水和孔隙率對(duì)消浪效果影響較大，且相對(duì)吃水越大、相對(duì)寬度越大、孔隙率越小消浪效果越好；消能網(wǎng)間距對(duì)透射系數(shù)影響相對(duì)較小，消能網(wǎng)間距越大，消浪效果越差，但是對(duì)消浪效果的影響能力與相對(duì)寬度、相對(duì)吃水、孔隙率相比較小。網(wǎng)箱式浮防波堤消耗波浪能量主要在3個(gè)方面：(1)消能網(wǎng)反射；(2)消能網(wǎng)與水質(zhì)點(diǎn)的摩擦；(3)消能網(wǎng)的存在擾亂了水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，第3個(gè)因素是主要因素。增加相對(duì)吃水、相對(duì)寬度對(duì)消耗波能的3個(gè)方面均有所加強(qiáng)，而減少消能網(wǎng)間距和增加孔隙率則對(duì)這3個(gè)方面均有所減弱。

上述工作完成過后，由于本文給出的網(wǎng)箱式浮防波堤是為了在較深的水域應(yīng)用，所以在同樣波浪條件下，計(jì)算了25 m水深情況下該浮防波堤的消浪效果，當(dāng)采用上述結(jié)論中相同的相對(duì)吃水、相對(duì)寬度、消能網(wǎng)間距、孔隙率時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明其變化規(guī)律與12 m水深時(shí)的變化規(guī)律一致。

3 結(jié)語

(1)在計(jì)算范圍之內(nèi)，消浪效果與相對(duì)吃水、相對(duì)寬度呈正相關(guān)，即相對(duì)吃水越大、相對(duì)寬度越大則消浪效果越好；(2)在計(jì)算范圍之內(nèi)，消能網(wǎng)間距越小，消浪效果越好，但是消能網(wǎng)間距對(duì)消浪效果的影響程度較弱；(3)在計(jì)算范圍之內(nèi)，消浪效果與孔隙率呈負(fù)相關(guān)，即孔隙率越小，消浪效果越好；(4)當(dāng)水深為12 m，周期為12 s，波高為2.5 m的情況下，相對(duì)吃水不小于0.67、相對(duì)寬度不小于0.33、消能網(wǎng)間距不超過2.6 m的情況下堤后波高能夠減弱至原波高的0.5倍及以下。

對(duì)于網(wǎng)箱式浮防波堤影響其消浪效果的因素和消能網(wǎng)孔隙率沿波浪傳播方向的變化、浮體約束條件等因素。后續(xù)將研究消能網(wǎng)孔隙沿波浪傳播方向的變化、浮體約束條件等因素對(duì)消浪效果的影響，增加相對(duì)吃水、相對(duì)寬度、消能網(wǎng)間距、消能網(wǎng)孔隙率、消能網(wǎng)孔隙率沿波浪傳播方向的變化對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度和錨鏈力(或者其他約束方式)的影響規(guī)律。待數(shù)值模擬研究比較完善之后進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究。