董 浩，左志剛，相如昕

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300456)

浮式防波堤通常是由金屬、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。與傳統(tǒng)實(shí)體防波堤相比，浮式防波堤具有海水交換功能強(qiáng)、不需要進(jìn)行地基處理、安放位置可變、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時，隨著水深的增加，其造價(jià)低于實(shí)體防波堤。近10 年來，隨著我國對波浪研究的深入和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，各種浮式防波堤的研究也提上日程。

目前，常見的防波堤結(jié)構(gòu)類型有箱式、筏式、板網(wǎng)式結(jié)構(gòu)浮式防波堤以及上述類型浮式防波堤的復(fù)合結(jié)構(gòu)。鄭艷娜等[1]選取3種結(jié)構(gòu)形式(單箱式、雙箱式和板網(wǎng)式)的浮式防波堤進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究，得到在規(guī)則波浪作用下3種形式浮式防波堤的消浪效果：板網(wǎng)式結(jié)構(gòu)浮式防波堤消浪效果最好，雙箱結(jié)構(gòu)次之，單箱最差；王永學(xué)[2]認(rèn)為，對于通常結(jié)構(gòu)的浮式防波堤，要使透射系數(shù)小于0.5，浮堤自身的寬度(W)與波長(L)的比值要不小于0.3，這對堤身的寬度提出很高的要求，增加了浮堤的造價(jià)及安裝和控制難度。

同時，研究資料表明：板網(wǎng)式結(jié)構(gòu)浮式防波堤雖然消浪效果較好，但相對寬度較大，需占用較大范圍的海域，且使用及維護(hù)難度較大；雙箱式浮式防波堤箱體間自身連接極易損壞，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，維修較困難；單箱式浮式防波堤雖然消浪效果相對較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝維護(hù)，目前應(yīng)用最為廣泛。但由于上述幾種形式的浮式防波堤對結(jié)構(gòu)連接和錨泊系統(tǒng)的要求較高，布置形式不當(dāng)容易引起纜繩斷裂，故浮式防波堤的研究及應(yīng)用尚處于起步階段。

本文提出一種新型鋼結(jié)構(gòu)浮式防波堤結(jié)構(gòu)，克服了浮式防波堤對結(jié)構(gòu)連接和錨泊系統(tǒng)要求較高的缺點(diǎn)，并對其消浪效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 大型鋼結(jié)構(gòu)浮式防波堤

該新型防波堤結(jié)構(gòu)采用單、雙箱結(jié)合形式，前、后各設(shè)有封閉壓載箱及消浪室，前、后箱體直接設(shè)置消浪室，封閉壓載箱可以注入壓載水以控制防波堤吃水深度，消浪室上、下設(shè)置多個開口。同時，通過直立樁進(jìn)行安裝，防波堤只進(jìn)行上下運(yùn)動，不產(chǎn)生橫搖。各結(jié)構(gòu)段之間無連接件，因此不會產(chǎn)生連接結(jié)構(gòu)破壞(圖1)。

圖1 浮式防波堤結(jié)構(gòu)

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證浮式防波堤的消浪效果，使用大比尺波浪試驗(yàn)水槽[3-4]進(jìn)行模型試驗(yàn)，水槽設(shè)計(jì)總長度450 m，寬5 m，最深處12 m。按波浪的生成、試驗(yàn)、消波等，分為造波區(qū)、試驗(yàn)區(qū)、消波區(qū)?？梢赃M(jìn)行1:5到1:1的大比尺模型試驗(yàn)，水槽內(nèi)配有先進(jìn)的吸收式造波機(jī)。采用電容式波高傳感器進(jìn)行測量，通過TK2008 型動態(tài)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行波高和周期數(shù)據(jù)的采集與分析。

2.2 模型制作

水槽寬度5 m，可模擬水深為5 m的實(shí)際波浪，模型幾何比尺定為1:1。浮式防波堤模型采用鋼結(jié)構(gòu)，浮箱高2.5 m、寬4.8 m，前壓載箱寬2.3 m，后壓載箱寬1.1 m，中消浪室寬1.1 m，橫向長度為4.5 m，兩端和水槽邊壁各留25 cm空隙。浮式防波堤采用3根φ300 mm鋼管樁定位，迎浪側(cè)布置2根，背浪側(cè)布置1根。鋼管樁與浮箱間采用抱箍連接，浮箱可隨水位變化升降。浮式防波堤模型布置剖面見圖2，浮式防波堤試驗(yàn)現(xiàn)場見圖3。

圖2 浮式防波堤模型布置剖面(單位：mm)

圖3 浮式防波堤試驗(yàn)現(xiàn)場

2.3 波浪模擬

為探明新型浮式防波堤透浪系數(shù)與浮式防波堤寬度和入水深度之間的關(guān)系，考慮2種不同水深，對防波堤進(jìn)行不同周期、不同波高條件下的消浪試驗(yàn)。模型水深分別為5.06和4.62 m，代表浮式防波堤所處位置的不同設(shè)計(jì)水位對水深的影響。試驗(yàn)過程中采用規(guī)則波，在沒有結(jié)構(gòu)物的情況下進(jìn)行率波，造波20個，造波機(jī)的二次反射影響較小。試驗(yàn)波高為0.15～1.00 m，周期為4～6 s。試驗(yàn)波要素見表1。

表1 試驗(yàn)波要素

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 透射系數(shù)與相對吃水的關(guān)系

不同波高作用下的透射系數(shù)與相對吃水(入水深度t與水深D之比，t/D)的關(guān)系見圖4。由圖4可知，隨著浮式防波堤相對吃水的增大，透射系數(shù)相應(yīng)減小。本文提出的浮式防波堤能夠通過注水孔對防波堤的入水深度進(jìn)行調(diào)整，從而更好地減小透射系數(shù)。

圖4 不同水深和周期時透射系數(shù)與相對吃水的關(guān)系

3.2 透射系數(shù)與相對入水的關(guān)系

不同波高作用下的透射系數(shù)與相對入水的關(guān)系見圖5。由圖5可知，隨著浮式防波堤相對入水的增大，透射系數(shù)相應(yīng)減小。

圖5 不同水深和周期時透射系數(shù)與相對入水的關(guān)系

只考慮防波堤相對入水對透射系數(shù)的影響時，繪制相對入水與透射系數(shù)的擬合曲線(圖6)，并通過擬合可得到防波堤相對入水與透射系數(shù)的相關(guān)關(guān)系表達(dá)式為：

圖6 透射系數(shù)與相對入水的擬合曲線

y=0.824 5e-13.97x

(1)

通過計(jì)算可得到式(1)的相關(guān)性系數(shù)為0.78，相關(guān)性較好。

3.3 透射系數(shù)與相對寬度的關(guān)系

不同入水深度下的透射系數(shù)與防波堤相對寬度的關(guān)系見圖7。

圖7 不同水深時透射系數(shù)與相防波堤相對寬度的關(guān)系

由圖7可知，隨著防波堤相對寬度的增大，透射系數(shù)不斷減小，但同時會增加建筑成本，因此須選取合適的防波堤相對寬度。

4 結(jié)論

1)隨著浮式防波堤相對吃水的增大，其透射系數(shù)減小。

2)隨著浮式防波堤相對入水的增大，其透射系數(shù)減小。

3)隨著防波堤相對寬度的增大，透射系數(shù)減小。只考慮防波堤相對入水深度對透射系數(shù)的影響時，通過擬合得到的防波堤相對入水深度與透射系數(shù)的相關(guān)關(guān)系系數(shù)為0.78，相關(guān)性較好。

4)該新型浮式防波堤的消浪性能良好。與單箱浮式防波堤相比，采用的介于單、雙箱結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)消浪效果明顯提高；與雙箱浮式防波堤相比，在雙箱之間增加了消浪室，采用直立樁進(jìn)行安裝，使防波堤只進(jìn)行縱向移動，限制了橫搖，共同提高了消浪性能。