◎ 張騰飛 南通高等研究院有限公司
張浩 中設(shè)科欣設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司南京港航工程分公司
孫雷 中交四航工程研究院有限公司
隨著工程建設(shè)和海洋資源開(kāi)發(fā)不斷拓展,工程建設(shè)向遠(yuǎn)?;?、深水化方向發(fā)展趨勢(shì)明顯;加之21世紀(jì)海上絲綢之路的建設(shè),港口及近岸工程施工遇到海況條件更為復(fù)雜。港口、碼頭和防波堤作為主要的近岸水工建筑物為海洋運(yùn)輸提供了良好的平臺(tái),防波堤作為一種典型的消浪結(jié)構(gòu),起到了抵擋外海波浪入侵,保護(hù)港域內(nèi)波浪平穩(wěn)、船舶安全作業(yè)的作用。相較于傳統(tǒng)的重力式防波堤,浮式防波堤的提出為海洋工程的初期建設(shè)提供了經(jīng)濟(jì)有效的臨時(shí)掩護(hù),具有受水深及海床條件的影響較小、環(huán)境友好、海水交換能力強(qiáng)、受潮汐變化影響小等優(yōu)點(diǎn)。
王永學(xué)和王國(guó)玉系統(tǒng)地介紹了近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外浮式防波堤結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展與工程應(yīng)用情況。討論了浮箱式、浮簡(jiǎn)式、浮筏式等類型的浮式防波堤結(jié)構(gòu)的消浪性能,波浪反射與透射系數(shù)的計(jì)算方法,相對(duì)寬度、相對(duì)水深、波陡等參數(shù)對(duì)浮式防波堤結(jié)構(gòu)透射系數(shù)的影響,分析了目前限制浮式防波堤結(jié)構(gòu)實(shí)際工程應(yīng)用的主要困難。宋憲倉(cāng)和王樹(shù)青考慮了方箱型、π型、方箱-水平板型、Y-型和A-frame型等浮式防波堤結(jié)構(gòu),利用Flow3D軟件數(shù)值計(jì)算了在相似條件下消波性能,結(jié)果表明,Y-型的性能最優(yōu),方箱型性能最差,其他三種結(jié)構(gòu)介于兩者之間。姚國(guó)權(quán)等提出了幾種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的矩形浮式防波堤進(jìn)行了規(guī)則波試驗(yàn),比較了不同矩形浮式防波堤和不同于弦高度與吃水,選出了浮堤的最佳結(jié)構(gòu)形式。侯勇等通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)研究了規(guī)則波作用下矩形浮箱式浮防波堤的運(yùn)動(dòng)特性和錨鏈?zhǔn)芰μ匦裕⑻接懥烁∠湎鄬?duì)寬度、錨鏈剛度、導(dǎo)鏈孔處錨鏈與水平線夾角等因素的影響。何超勇等通過(guò)物理模型試驗(yàn),探討矩形方箱錨鏈錨泊浮式防波堤透射系數(shù)隨浮箱寬度,吃水深度,錨鏈初始張力等因素的變化規(guī)律,研究結(jié)果表明,增大浮箱的寬度和吃水深度,可以減小透射系數(shù);增加錨鏈的初始張力,可以限制浮箱運(yùn)動(dòng),減小透射系數(shù)。丁寧等針對(duì)V形浮式防波堤設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析中波浪力(矩)的確定問(wèn)題,分析了在規(guī)則波作用下防波堤濕表面的動(dòng)壓力及幅值分布規(guī)律,基于三維線性頻域勢(shì)流理論并考慮繞射作用,利用邊界元法通過(guò)計(jì)算有限水深格林函數(shù),求解了防波堤周圍流場(chǎng)的速度勢(shì),根據(jù)流場(chǎng)速度勢(shì)由線性伯努利方程確定了動(dòng)壓力,沿防波堤濕表面數(shù)值計(jì)算了規(guī)則波作用下動(dòng)壓力及其幅值的分布。程建生等數(shù)值結(jié)果給出了不同入射波波長(zhǎng)及防波堤不同垂向沉深時(shí)防波堤周圍波幅的等高線圖,認(rèn)為圓弧型浮式防波堤的防浪效果與入射波波長(zhǎng)和防波堤的垂向沉深密切相關(guān),給出了圓弧型浮式防波堤防浪效果計(jì)算的解析方法。陳誠(chéng)等基于三維勢(shì)流理論,通過(guò)使用Ansys AQWA對(duì)多體浮式防波堤在不同入射角和浮筒吃水深度下的消波效果展開(kāi)研究,結(jié)果表明,多浮筒浮式防波堤能夠最大程度地消減波浪,透射系數(shù)隨吃水深度的增加而不斷減小,實(shí)際工程中應(yīng)盡量保證浮式防波堤的迎浪面與波浪的來(lái)波方向垂直。仇正中等開(kāi)展了針對(duì)圓柱形柔性浮式防波堤的試驗(yàn)研究,分析其在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的消浪特性,通過(guò)大量水槽試驗(yàn)給出了圓柱形柔性浮式防波堤透射系數(shù),反射系數(shù),衰減系數(shù)與錨固方式,試驗(yàn)水深,相對(duì)寬度的變化關(guān)系。陳翔自主設(shè)計(jì)了三種不同構(gòu)型的浮式防波堤,對(duì)其水動(dòng)力性能與消波性能展開(kāi)了研究,通過(guò)對(duì)比主尺度相同但構(gòu)型不同的三種浮式防波堤,研究不同構(gòu)型對(duì)消波性能和水動(dòng)力性能的影響,得到較優(yōu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)。
圖1 入射波示意圖
本研究擬探究典型海況下一字型、V字型、半圓型防波堤和半框型浮式防波堤的擋浪效果,使用勢(shì)流理論,考慮入射波、繞射波和反射波的作用,對(duì)提出的4種典型形狀浮式防波堤的擋浪效果進(jìn)行對(duì)比分析,并討論不同波浪周期下浮式防波堤的擋浪適應(yīng)性。
在微幅波假設(shè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)控制方程及邊界條件進(jìn)行線性化處理,可以對(duì)結(jié)構(gòu)物在自由液面上的運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)中的速度勢(shì)(,,,)進(jìn)行求解。對(duì)于不可壓縮的理想流體,在無(wú)旋場(chǎng)中,速度勢(shì)滿足拉普拉斯方程:
勢(shì)函數(shù)根據(jù)浮體運(yùn)動(dòng)可以劃分為入射波勢(shì)、衍射勢(shì)和散射勢(shì),具體的效應(yīng)產(chǎn)生的力可由對(duì)應(yīng)波勢(shì)進(jìn)行計(jì)算:
(1)浮體受到波列的作用問(wèn)題,作用在浮體上的波浪力可以考慮為波浪激發(fā)的力,通??梢苑譃閮刹糠?,F(xiàn)-K力和繞射力。
(2)浮體運(yùn)動(dòng)對(duì)波勢(shì)的影響,浮體的運(yùn)動(dòng)將會(huì)使得流體作用在浮體上產(chǎn)生輻射波應(yīng)力,這些力將會(huì)用附加質(zhì)量和波浪阻尼系數(shù)來(lái)表示。
考慮衍射輻射的一階波浪力的勢(shì)函數(shù)可寫(xiě)為:
式中:φ為入射波勢(shì),φ為衍射波勢(shì),φ為j自由度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波勢(shì),x為j自由度運(yùn)動(dòng),為入射波頻率。
無(wú)擾動(dòng)三維入射波勢(shì)可以表示為
式中:d為水深,k為波數(shù),為波浪入射角(與x軸夾角)。
當(dāng)勢(shì)函數(shù)求解出來(lái)后,一階水動(dòng)壓力分布可根據(jù)線性伯努利方程求解
式中:F為j自由度運(yùn)動(dòng)激發(fā)的力,為表面法向量,為浮體濕表面。
波浪對(duì)浮體產(chǎn)生的力(入射力)可表示為下面兩部分:
由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射力可表示為:
根據(jù)以上所述,綜合上述的各類波浪力,可得到浮體在頻域下的一階運(yùn)動(dòng)方程,即浮體在波浪下的的響應(yīng):
其中,M(s)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣,M(a)為水動(dòng)力附加質(zhì)量矩陣,C為系統(tǒng)線性阻尼矩陣,K(s)為系統(tǒng)總剛度矩陣,F(xiàn)為系統(tǒng)所受的波浪力(單位波高),X為幅值響應(yīng)算子。
基于三維勢(shì)流理論和切片理論,采用右手笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)定義系統(tǒng):空間固定坐標(biāo)系o-xyz,空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)固定于未擾動(dòng)的靜水面上,ox指向浮體首向,oy指向浮體左舷,oz垂直向上。空間固定坐標(biāo)系用以引入入射波,入射波的浪向設(shè)置為-180°~180°,浪向角定義為來(lái)波方向與x軸逆時(shí)針?lè)较虻膴A角,180°浪向?yàn)橛恕?35°浪向?yàn)槭仔崩恕?0°浪向?yàn)闄M浪。
為探究典型海況下不同形狀浮式防波堤的擋浪消波效果,分別提出一字型、V字型、半圓型和半框型四種結(jié)構(gòu)形式浮式防波堤,其擋浪寬度和長(zhǎng)度相同,討論不同結(jié)構(gòu)形式浮式防波堤在同一波浪條件下(波高和周期)的擋浪消波特性。
四種形式浮式防波堤的直徑取8m,吃水均為6m,一字型浮式防波堤長(zhǎng)度(迎浪面寬度)為80m;V字型浮式防波堤的夾角為60°、單邊邊長(zhǎng)為80m;半圓型浮式防波堤的直徑為80m;半框型浮式防波堤的迎浪面寬度為80m、兩短邊均為40m,各模型的形狀和坐標(biāo)系如圖2所示。
海洋工程勢(shì)流分析軟件ANSYS AQWA是基于三維勢(shì)流理論開(kāi)發(fā),是一套集成模塊,因其僅在結(jié)構(gòu)與水體的接觸面進(jìn)行離散,計(jì)算總未知數(shù)相對(duì)較少,求解效率很高,可以方便地對(duì)各種施工工況進(jìn)行組合,非常適用于工程計(jì)算?;谠搩?yōu)勢(shì),利用海洋工程浮體分析軟件AQWA分別對(duì)四種結(jié)構(gòu)形式浮式防波堤進(jìn)行水動(dòng)力建模和分析。依據(jù)四種結(jié)構(gòu)形式浮式防波堤的尺寸,建立各型浮式防波堤的三維結(jié)構(gòu)模型(如圖2所示)。
圖2 四種浮式防波堤浪的形狀
依據(jù)三維結(jié)構(gòu)模型形成面模型,并以水線面為界面劃分水上和水下兩部分,將其水上和水下兩部分按網(wǎng)格單元最大長(zhǎng)度1m、特征容差0.5m的規(guī)格劃分網(wǎng)格,四種防波堤分別生成6210、11555、9296和6210個(gè)面網(wǎng)格,并設(shè)置對(duì)應(yīng)的防波堤質(zhì)量、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,獲得各類浮式防波堤的水動(dòng)力模型如圖3示。
圖3 四種浮式防波堤浪的網(wǎng)格劃分
在AQWA中添加外部環(huán)境的水深20m、海水密度1025kg/m、重力加速度為9.806m/s,以及三維水動(dòng)力模型的質(zhì)心、質(zhì)量點(diǎn)、慣性半徑,由AQWA自動(dòng)控制計(jì)算水動(dòng)力模型的重量和慣性質(zhì)量。取波浪周期分別為5s~20s(共計(jì)16個(gè)周期);波浪遭遇角分別為0°。分析四種防波堤分別擋浪時(shí)海面波幅和擋浪效果。
采用消波效率對(duì)浮式防波堤的消波效果進(jìn)行評(píng)估,消波效率按下式進(jìn)行計(jì)算。透射波高越小,消波效率越高,其擋浪消波能力就越好。
式中,H為透射波高;H為入射波高。本研究中,透射波高和入射波高均為浮式防波堤前后特定位置的波幅。
考慮入射波、繞射波和反射波的作用,獲得四種浮式防波堤迎著周期6s波浪的區(qū)域波幅圖,如圖4所示,圖5為四種浮式防波堤的堤后波幅曲線和消波效率曲線。
分析圖4中不同類型的臨時(shí)擋浪擋浪的波幅圖分布可知,V字型浮式防波堤對(duì)波浪反射不明顯,V型兩邊尾端出現(xiàn)了局部壅高現(xiàn)象;一字型浮式防波堤和半框架型浮式防波堤前波形受形狀影響較大,反射明顯,半框架型防波堤的堤后擋浪區(qū)域最廣,V字型浮式防波堤的擋浪區(qū)域面積最小。
圖4 各型防波堤在迎6s波浪時(shí)波面圖
分析圖5中各型防波堤在迎6s波浪時(shí)擋浪效果,一字型浮式防波堤堤后波幅下降劇烈,擋浪效果良好,但是波幅很快就單調(diào)恢復(fù)至堤前的狀態(tài);V字型浮式防波堤堤后波幅變化明顯,堤后有一個(gè)小波幅的三角區(qū)域;半圓型防波堤和半框型防波堤的堤后波幅維持一個(gè)小波幅區(qū)域??梢哉J(rèn)為,單從堤后波幅來(lái)評(píng)估,一字型浮式防波堤擋浪效果最好,半圓型防波堤和半框型防波堤的擋浪效果較為穩(wěn)定。
圖5 各型防波堤在迎6s波浪時(shí)擋浪效果
為了對(duì)比以上各型浮式防波堤在不同周期波浪中的擋浪適應(yīng)性,分別計(jì)算其在周期為6s、8s、10s、12s、14s、16s、17s和20s波浪中的擋浪效果,不同周期波浪中堤后波幅見(jiàn)圖6所示。隨著波浪周期的增大,堤前波浪的反射減小,堤后波幅接近入射波,且變化更加平緩。周期為6s的波浪下,各型浮式防波堤能擋住50%以上的波浪;周期為8s的波浪下,各型浮式防波堤能擋住20%以上的波浪;當(dāng)波浪周期超過(guò)10s以上,各型浮式防波堤基本不具備擋浪的效果。
圖6 各型防波堤在不同周期波浪中堤后消波效率
本文探究了典型海況下一字型、V字型、半圓型防波堤和半框型浮式防波堤的擋浪效果,使用勢(shì)流水動(dòng)力軟件AQWA,考慮入射波、繞射波和反射波的作用,對(duì)4種典型形狀浮式防波堤的擋浪效果進(jìn)行對(duì)比分析,并討論不同波浪周期下浮式防波堤的擋浪適應(yīng)性。主要結(jié)論如下:
(1)V字型浮式防波堤對(duì)波浪反射不明顯,兩邊尾端出現(xiàn)了局部壅高現(xiàn)象;一字型浮式防波堤和半框架型浮式防波堤前波形受形狀影響較大,反射明顯,半框架型防波堤的堤后擋浪區(qū)域最廣,V字型浮式防波堤的擋浪區(qū)域面積最小。
(2)一字型浮式防波堤堤后波幅下降劇烈,擋浪效果良好,但是波幅很快就單調(diào)恢復(fù)至堤前的狀態(tài);V字型浮式防波堤堤后波幅變化明顯,堤后有一個(gè)小波幅的三角區(qū)域;半圓型防波堤和半框型防波堤的堤后波幅維持一個(gè)小波幅區(qū)域。
(3)隨著波浪周期的增大,堤前波浪的反射減小,堤后波幅接近入射波,且變化更加平緩。周期為6s的波浪下,各型浮式防波堤能擋住50%以上的波浪;周期為8s的波浪下,各型浮式防波堤能擋住20%以上的波浪;當(dāng)波浪周期超過(guò)10s以上,各型浮式防波堤基本不具備擋浪的效果。