王志瑜，李 超，張金鳳，馬 瑞，趙一帆

(1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222； 2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點 實驗室，天津 300072)

浮式防波堤作為防護構筑物，與傳統(tǒng)防波堤相比能夠保證被掩護水域的海水正常交換[1-3]，保證被掩護區(qū)域的水體質量，對防波堤所在區(qū)域以及掩護區(qū)域原有生態(tài)系統(tǒng)影響相對較小，尤其適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、游艇碼頭等對水體質量要求較高的區(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，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，這樣的結構形式設計、施工以及安裝容易，造價低，在運動幅度比較小時還可以兼做道路、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，各個輪胎之間以鉸接形式連成浮防波堤[13]。近年來出現(xiàn)了“剛柔相濟”的浮防波堤，就是結合了剛性和柔性材料特點的浮防波堤，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波浪反射較小，減少了結構直接受力，主要靠網(wǎng)孔打亂波浪水質點的運動規(guī)律，達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)的累積效應達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吃水、相對寬度、相對波高、消能網(wǎng)間距、消能網(wǎng)孔隙率等，本文采用FLOW-3D軟件研究了相對吃水、相對寬度、消能網(wǎng)間距對消浪效果的影響。如圖1所示，網(wǎng)箱式浮式防波堤主要由框架結構、消能網(wǎng)和錨碇系統(tǒng)組成?？蚣芙Y構為空心封閉結構，其內部可填充塑料泡沫，除了起到固定消能網(wǎng)的作用之外，還為結構整體提供浮力，不再設置單獨的浮力單元。消能網(wǎng)采用耐久性較好、強度較大且基本不吸水的材料。錨碇系統(tǒng)用于限制結構的運動幅度，其中錨碇構件固定于海底，通過錨鏈和彈性構件與框架結構連結，能夠使各個錨鏈受力均勻，有效避免某一個錨鏈突然受力過大的情況出現(xiàn)，提高結構的安全性。

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)學模型的建立及驗證

1.1 數(shù)學模型建立的基本理論

本文計算浮防波堤的消浪效果采用的是FLOW-3D軟件。

1.1.1 流體在孔隙介質的控制方程

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

(1)

式中：Ux、Uy、Uz分別代表x、y、z方向上的速度。

波浪水質點在消能網(wǎng)和消能網(wǎng)之間會發(fā)生紊動，本文采用由雷諾數(shù)確定的拖拽力系數(shù)Fd的計算公式為

(2)

式中：a=180/D2；b=1.8～4.0/D，b越大表明越粗糙。

1.1.2 波浪運動控制方程

(1)連續(xù)方程。

(3)

式中：VF為可流動的體積積分；ρ為流體密度；RDIF為紊動擴散項；RSOR為質量源項；u、w、v分別代表x、y、z三個方向的速度分量。

(2)動量方程。

(4)

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

1.2 模型設置

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，波高達到4級海況的條件下，浮式防波堤掩護區(qū)域的波高不超過行進波波高的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)采用多孔介質進行模擬，計算模型中孔隙率為50%，為了兼顧計算精度和計算時間，對于水面1倍波高范圍以及防波堤中心兩側各60 m的范圍網(wǎng)格尺寸0.1 m，其他區(qū)域網(wǎng)格適當加大，最大網(wǎng)格尺寸不超過1.0 m。波高監(jiān)測位置為堤后1倍波長位置。計算時間取為8個周期96 s，間隔0.2 s采集一個結果。本文假定浮防波堤固定，不在波浪的作用下運動，在這個假定條件下對網(wǎng)箱式浮防波堤的消浪效果進行數(shù)值研究(見圖2)。

圖3 理論計算波面和驗證模型堤后波面實測值對比圖Fig.3 Comparison of the theoretically calculated wave surface and the measured value of the wave surface behind the verification model

1.3 模型驗證

為了驗證模型的合理性，保證研究成果的科學性，本文擬采用5階Stocks波的理論計算波面與消能網(wǎng)在孔隙率為99.9%情況下堤后實測波面進行對比。

驗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波的理論計算波面與驗證模型中的堤后實測波面的對比圖。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)箱式浮防波堤計算工況Tab.1 Calculation conditions of net cage floating breakwater

2 數(shù)值計算結果及分析

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

數(shù)值試驗共分為3組，第一組是僅改變相對吃水一個變量，來研究相對吃水對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寬度和消能網(wǎng)間距，分別研究相對寬度和消能網(wǎng)間距對消浪效果的影響。網(wǎng)箱式浮防波堤數(shù)值模型計算工況見表1。

圖4給出了相對吃水對消浪效果的影響曲線，從圖4中可以看出透射系數(shù)隨著相對吃水的增加而減小，隨著相對吃水的增加，透射系數(shù)減小的速率有逐漸降低的趨勢。圖5給出了相對寬度對消浪效果的影響曲線，從圖5中可以看出透射系數(shù)隨著相對寬度的增加而減小，隨著相對寬度的增加，透射系數(shù)減小的速率有逐漸降低的趨勢。圖6給出了消能網(wǎng)間距對透射系數(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。圖7給出了孔隙率對透射系數(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。在計算范圍之內，相對寬度、相對吃水和孔隙率對消浪效果影響較大，且相對吃水越大、相對寬度越大、孔隙率越小消浪效果越好；消能網(wǎng)間距對透射系數(shù)影響相對較小，消能網(wǎng)間距越大，消浪效果越差，但是對消浪效果的影響能力與相對寬度、相對吃水、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個方面：(1)消能網(wǎng)反射；(2)消能網(wǎng)與水質點的摩擦；(3)消能網(wǎng)的存在擾亂了水質點的運動軌跡，第3個因素是主要因素。增加相對吃水、相對寬度對消耗波能的3個方面均有所加強，而減少消能網(wǎng)間距和增加孔隙率則對這3個方面均有所減弱。

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用，所以在同樣波浪條件下，計算了25 m水深情況下該浮防波堤的消浪效果，當采用上述結論中相同的相對吃水、相對寬度、消能網(wǎng)間距、孔隙率時，計算結果表明其變化規(guī)律與12 m水深時的變化規(guī)律一致。

3 結語

(1)在計算范圍之內，消浪效果與相對吃水、相對寬度呈正相關，即相對吃水越大、相對寬度越大則消浪效果越好；(2)在計算范圍之內，消能網(wǎng)間距越小，消浪效果越好，但是消能網(wǎng)間距對消浪效果的影響程度較弱；(3)在計算范圍之內，消浪效果與孔隙率呈負相關，即孔隙率越小，消浪效果越好；(4)當水深為12 m，周期為12 s，波高為2.5 m的情況下，相對吃水不小于0.67、相對寬度不小于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消浪效果的影響，增加相對吃水、相對寬度、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運動幅度和錨鏈力(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行物理模型試驗研究。