◎ 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

1.引言

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。

2.數(shù)學(xué)方程

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。

3.數(shù)值分析

3.1 坐標(biāo)系

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。

3.2 模型參數(shù)

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。

3.3 水動(dòng)力建模

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

3.4 數(shù)值求解

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。

4.結(jié)果分析

4.1 評(píng)估指標(biāo)

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。

4.2 結(jié)果分析

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

4.3 波浪周期適應(yīng)性

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

5.結(jié)論

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。