顧辰馳，蔣志勇

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 浮式防波堤

浮式防波堤通常由金屬、鋼筋混凝土和塑料等材料制造的浮式構(gòu)件和錨泊系統(tǒng)組成的防浪設(shè)施，其主要優(yōu)點是有很強的海水交換功能，可防止海水污染;隨著水深的增加，其造價比固定式要便宜得多;可以很容易地應(yīng)用在軟海床水域，不需要進行地基處理;安放位置可以很容易地改變;浮體、纜繩和錨具都很容易制造;可任意拆遷，重復(fù)使用;建造周期短，速度快。現(xiàn)有的浮式防波堤有以下基本結(jié)構(gòu):浮箱式浮式防波堤、浮筒式浮式防波堤、浮筏式浮式防波堤。

防波堤由4個部分組成，包括2個浮筒、14 根連接柱和防浪網(wǎng)，總長度為20 m，寬為10 m。浮筒直徑為4 m，壁厚為0.15 m，浮筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置直徑50 mm的鋼筋24 根。連接柱直徑為0.5 m，長度為2 m，也是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有直徑32 mm的鋼筋21 根。防浪網(wǎng)外部是由鋼架構(gòu)成，高度為7.5 m，防浪網(wǎng)網(wǎng)目尺寸為40 mm，網(wǎng)線粗度為210 D/90 股(2.35 mm)。防浪網(wǎng)內(nèi)部設(shè)有防浪球，防浪球布滿1/3 防浪網(wǎng)的空間，防浪球為外徑150 mm、內(nèi)徑79 mm的聚乙酸乙烯脂橡膠球(重力等于浮力)。防浪網(wǎng)下設(shè)有沉子，為每個5 kg的石塊，如圖1所示:

圖1 浮式防波堤Fig.1 Floating breakwater

使用拖航方式將浮式防波堤運輸至工作海域，為了減小拖航阻力，拖航中防浪網(wǎng)部分會置于水面以上，因此拖船將防波堤拖至工作海域后，在定位錨泊之前，需對防波堤進行翻身。為了控制成本，在安裝過程中不考慮使用浮吊等大型起重設(shè)備，通過向單個浮筒中注水，使防波堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾覆，再通過拖拽、抽水的操作完成翻身。

1 數(shù)值模擬計算

首先采用Maxsurf 對浮式防波堤進行建模，將模型導(dǎo)入Hydromax，利用Equilibrium Analysis 模塊進行計算，驗證方案的可行性。

關(guān)于軟件建模的幾點說明:由于Maxsurf 軟件建模的限制性，該模型中并沒有將防浪網(wǎng)部分的結(jié)構(gòu)進行建模，而是直接將防浪網(wǎng)作為載荷加入，直接輸入重量重心，即在設(shè)置Loadcase 時將防浪網(wǎng)部分的結(jié)構(gòu)也作為Loadcase的一項內(nèi)容。由于防浪網(wǎng)的排水體積很小，與其重量相比可忽略，因而可作此簡化。

在該模型中未考慮防浪球的重量。課題需研究防波堤翻身方案的可行性，在該注水翻身方案中，防波堤處于關(guān)鍵浮態(tài)時，防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)均完全浸沒，即防浪球的重量對防波堤翻轉(zhuǎn)運動的影響較小。因此為了方便建模，防浪球的重力可進行忽略。為了驗證該忽略操作的可行性，筆者在計算時嘗試添加過防浪球的重力進行模擬計算，結(jié)果證明了在防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)浸沒之前，在Loadcase 中加入防浪球的重量對右舷旋轉(zhuǎn)角度也幾乎沒有影響。在設(shè)置浮筒中的進水量時，為了方便計算，設(shè)置了4個水位線，分別是1/4 D (925 mm)，1/2D (1 850 mm)，3/4D(2 775 mm)，D(3 700 mm)，用水位線來描述浮筒中加載水的量。

第1 次模擬計算的4個水位線對應(yīng)的右舷旋轉(zhuǎn)角度如表1所示。

表1 右舷旋轉(zhuǎn)角度Tab.1 Rotation angles of starboard

浮筒內(nèi)液面高度位于925～1 850 mm和2 775～3 700 mm 時，液面增加相同高度時，防波堤的旋轉(zhuǎn)角度相對較小，即旋轉(zhuǎn)速度較小，而當液面高度位于1 850～2 775 mm 時，防波堤的旋轉(zhuǎn)速度較快。造成這種現(xiàn)象可能的原因有:1)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)重力作用的力矩變大，使得防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)對防波堤旋轉(zhuǎn)運動的影響更大;2)由于在描述浮筒內(nèi)進水量時采用的量是浮筒內(nèi)的液面高度，因此當液面高度越接近1 850 mm，也就是液面越接近圓心時，增加單位高度的水相應(yīng)的增加的水量要大于液面高度較小時，因此當液面高度位于1 850～2 775 mm 時，實際進水速度更快。

為了進一步研究防波堤旋轉(zhuǎn)運動速度變化的規(guī)律，又添加了9個水量，分別是9/16D (2 081.25 mm)，10/16D (2 312.5 mm)，41/64D (2 370.3 mm)，42/64D (2 428.13 mm)，43/64D (2 485.94 mm)，11/16D (2 543.75 mm)，45/64D (2 601.6 mm)，46/64D(2 659.4 mm)，47/64D(2 717.2 mm)。這9個水量都位于1 850～2 775 mm 之間。增加Loadcase后再次進行計算，對計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

加載水深度達到2 500 mm 左右時，防波堤的旋轉(zhuǎn)速度存在一個急增現(xiàn)象，因此在旋轉(zhuǎn)過程中可能會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度過大的現(xiàn)象。同時，注意到旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生急增時，防波堤旋轉(zhuǎn)的角度在25°～75°之間，在這樣的旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間中，防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)部分會進行入水，防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)入水時如果速度過大，拍擊水面的力度就會很大，會使結(jié)構(gòu)的安全性和完整性受到威脅。因此，為了安全地完成翻身操作，在防波堤翻身過程中，不應(yīng)該讓其自由旋轉(zhuǎn)，需要采取措施，保證防波堤的旋轉(zhuǎn)速度在合理的范圍內(nèi)。

表2 所有Loadcase 對應(yīng)的右舷旋轉(zhuǎn)角度Tab.2 Starboard rotation angles of all loadcases

當液面高度為3 700 mm 時，也就是當單個浮筒中注滿水時，右舷的旋轉(zhuǎn)角度為90.7°，角度大于90°，此時如果對該浮筒進行排水操作，防波堤會保持原來的旋轉(zhuǎn)方向進行旋轉(zhuǎn)，因此從可行性角度上來看，該翻身方案可以完成防波堤的翻身。

然而，注滿水的旋轉(zhuǎn)角度僅僅是略微大于90°，在實際海況下，需要綜合考慮風(fēng)、浪、流對防波堤的影響，因此在實際翻身過程中如果不施加外力，對防波堤的翻身進行協(xié)助，極有可能無法順利完成防波堤的翻身。因此，雖然該翻身方案中在理論上可以不借助外力的干涉對防波堤進行翻身，但在實際工程施工中，還是建議施加外力協(xié)助翻身。

在進行模型實驗時，首先需要觀察翻身方案的可行性，同時，也需注意在旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)速度的變化是否與數(shù)值模擬計算時表現(xiàn)一致。

2 模型實驗

綜合模型制作的可行性、實驗結(jié)果的準確性以及實驗操作的便捷性，確定模型的縮尺比為1∶20。模型采用內(nèi)外筒之間填砂的配重方法進行配重，通過計算驗證，內(nèi)筒采用內(nèi)徑180 mm的管代替185 mm的管，填砂配重后的模型重量與按縮尺比計算后的重量非常接近。

在浮式防波堤的一個浮筒上設(shè)置4個進/出水管。其目的是方便進出水時的排氣和進氣，又因為旋轉(zhuǎn)過程會改變水管的位置(上到下和下到上)，因此上下都設(shè)置可以確保能將水全部排出。在浮筒長度方向設(shè)置2 組水管同樣也是為了確保能將水全部排出，如果只有一邊有水管，一旦發(fā)生縱傾，極有可能水全部停留在沒有水管的一邊，使得排水出現(xiàn)問題。

模型中防浪網(wǎng)部分的制作方案:選取5 mm的鋼筋制作防浪網(wǎng)，制作2個防浪網(wǎng)，一個為標準縮尺比尺寸，同網(wǎng)格的防浪網(wǎng)，另外一個只制作外圍鋼架部分。其目的是:從數(shù)值模擬結(jié)果的分析中我們已經(jīng)得出不加外力的情況下，防波堤最終的旋轉(zhuǎn)角度只能稍大于90°，在實際操作過程中需要施加外力。上述方案中2個防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量一定會大于所需的0.149 kg，這樣制作在結(jié)構(gòu)上維持了模型的完整性，多出的質(zhì)量可以看作為對翻身的加載力，2個不同質(zhì)量的防浪網(wǎng)可以作為2 種不同大小的加載。同樣，由于防浪球的重量對翻身沒有影響，模型中也不放置防浪球。

注/抽水方案:使用高位水槽壓力注水。選用該注水方式是考慮到注水速度的線性，同時采用這種方法也能較好的控制注水速度。抽水則采用的是抽水泵進行。模型如圖2所示。

圖2 實驗?zāi)Ｐ虵ig.2 Experiment model

浮式防波堤的翻身實驗分為3個部分:第1 部分實驗為不安裝防浪網(wǎng)，直接注水、抽水進行翻身;第2 部分實驗為安裝全尺寸防浪網(wǎng)進行翻身實驗;第3部分實驗為安裝減重的防浪網(wǎng)進行防波堤翻身實驗。

3個實驗的目的與作用分別是:

實驗1為模擬防波堤真實的翻身過程(見圖3)，從前文分析可知，不含防浪球的防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與浮筒質(zhì)量相比很小，因此其對翻身過程的影響也可近似忽略;

實驗2 增加安裝了全尺寸的防浪網(wǎng)(見圖4)，經(jīng)測量，該防浪網(wǎng)的質(zhì)量3.1 kg，而防波堤實物中防浪網(wǎng)加上防浪球的總質(zhì)量為27.57 t，按縮尺比換算所得模型中的該結(jié)構(gòu)重量為3.4 kg，因此實驗2可以近似模擬裝有防浪網(wǎng)中帶防浪球結(jié)構(gòu)的浮式防波堤的翻身情況，但僅僅是防浪網(wǎng)在水面以上的運動情況具有研究意義，注滿水后的中間浮態(tài)沒有研究意義，因此，該實驗主要用來驗證防浪球部分對防浪網(wǎng)入水前翻轉(zhuǎn)運動的影響;

實驗3 中使用了減重的防浪網(wǎng)(見圖5)，防浪網(wǎng)的質(zhì)量為1.2 kg。由于場地限制和模型結(jié)構(gòu)限制，在實驗中無法很好地完成輔助外力的施加，因此用增加防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)重量的方法替代輔助外力，從而完成施加外力對浮式防波堤翻身影響的研究。

圖3 實驗1Fig.3 Experiment 1

圖4 實驗2Fig.4 Experiment 2

圖5 實驗3Fig.5 Experiment 3

3 實驗結(jié)果分析和建議

從實驗結(jié)果可以看出，利用向單個浮筒中注水、抽水進行浮式防波堤翻身的方案可行。

在翻身方案確定的初期階段曾進行過是否需要增加外力協(xié)助防波堤翻身的討論，最初單從防波堤的自身結(jié)構(gòu)特點來考慮，防波堤可以在沒有外力協(xié)助的情況下完成翻身。經(jīng)過數(shù)值模擬計算，發(fā)現(xiàn)在沒有外力協(xié)助時，防波堤的翻身有可能會出現(xiàn)問題。模型實驗結(jié)果再次驗證了數(shù)值模擬中得出的結(jié)論。實驗1 中的防波堤模型的重心分布情況與防波堤實物的重心分布情況最為接近，而在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，只有施加外力，使得防波堤模型從平衡位置再偏轉(zhuǎn)一定的角度(約5°)時，才能使翻身正常完成。

圖6 外力施加方案Fig.6 Plan for exerting external force

使用該翻身方案同時也需要施加外力協(xié)助。實際施工中的外力協(xié)助方案如圖6所示。通過在防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂端施加拉力，協(xié)助防波堤翻身。有可能遇到的問題是防浪網(wǎng)的強度不夠，無法承受旋轉(zhuǎn)防波堤所需的彎矩。因此使用該方案前需要先校核防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的強度。如果防浪網(wǎng)強度不夠，可使用圖7所示的候補協(xié)助方案。候補方案中纜繩的連接點為浮筒外側(cè)的錨鏈孔。

圖7 候補方案Fig.7 Backup plan

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，如果不對防波堤模型的位置進行固定，隨著注水，重心位置變化帶來的旋轉(zhuǎn)和其他方向的運動使得防波堤模型的位置就會一直移動。防波堤實物在工作海域進行翻身施工時，加上風(fēng)浪影響，這種現(xiàn)象會更嚴重，因此在翻身過程中需要對防波堤進行定位。防波堤的定位方案如圖8所示。

圖8 定位方案Fig.8 Locating plan

另外，定位裝置在防波堤翻身過程中還可以起到其他作用。無論是數(shù)值模擬計算結(jié)果還是模型實驗結(jié)果都表明，在防波堤翻身旋轉(zhuǎn)的過程中，有一個階段旋轉(zhuǎn)速度會急增，因此在現(xiàn)場施工時需要采取措施防止防波堤旋轉(zhuǎn)速度過快。防波堤定位時所使用的纜繩即可以幫助減緩旋轉(zhuǎn)速度。定位時1、2、3、4 號四根纜繩均為收緊狀態(tài)，在翻身過程中可以隨著防波堤的旋轉(zhuǎn)逐漸放松1 號和2 號纜繩，通過纜繩的收放控制防波堤的旋轉(zhuǎn)，確保防波堤能安全地進行翻身。

4 結(jié) 語

通過Maxsurf 軟件的數(shù)值模擬計算以及模型實驗，得到了以下結(jié)論:

1)利用向一個浮筒中注水使防波堤失穩(wěn)，再通過抽水完成防波堤翻身的方案可行;

2)翻身過程中需要施加外力協(xié)助防波堤翻身。由于單浮筒注滿水后防波堤的右舷旋轉(zhuǎn)角度不能完全滿足翻身，因此外力的協(xié)助必須，同時提出了2種可行的施力方式;

3)翻身過程中需對防波堤進行定位以確保翻身操作的安全性;

4)翻身過程中需要控制防波堤的旋轉(zhuǎn)速度，確保翻身操作的安全性、防波堤結(jié)構(gòu)的完好，可借助防波堤的定位纜繩實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)速度的控制。

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