仲承浩 曾憲森

武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430200

20世紀(jì)70年代浮式防波堤理論一經(jīng)提出，浮式防波堤便進(jìn)入了研究者的研究視野。Ikeno等[1]設(shè)計(jì)了一種含增壓氣艙的凹型浮式防波堤，即在凹型浮式防波堤上添加了增壓氣艙，提高了防波堤的消浪性能。Nakamula[2]設(shè)計(jì)了一種雙矩形浮箱式浮堤，采用圓管和薄板連接兩個(gè)剛性矩形浮箱，利用堤身產(chǎn)生紊流破壞水分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)達(dá)到消減波浪的效果。吳靜萍等[3]提出了一種仿生浮漂式防波堤，通過(guò)模擬水塘中的浮萍將多塊圓柱形木板組合成矩形鋪在水面利用波浪摩擦產(chǎn)生消浪效果。胡嵋等[4]提出一種新的箱型浮式防波堤結(jié)構(gòu)，即在空心管和柵欄板組成的框架結(jié)構(gòu)中嵌入浮箱。楊彪等[5]在雙浮箱浮式防波堤的基礎(chǔ)上提出一種帶雙水平板的雙浮箱式浮堤，附加的水平板能夠增強(qiáng)浮堤的消浪效果并降低堤體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

自我國(guó)提出“一帶一路”倡議以來(lái)，遠(yuǎn)海開發(fā)愈發(fā)受到重視，對(duì)海上作業(yè)平臺(tái)的安全防護(hù)也顯得越來(lái)越重要。但上述幾種傳統(tǒng)浮式防波堤受制于堤身材質(zhì)約束，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的遠(yuǎn)海作業(yè)需求。因此，設(shè)計(jì)一種能面向遠(yuǎn)洋海域大規(guī)模且快速鋪裝的新型浮式防波堤迫在眉睫。

紡織材料既可進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，又可折疊，并且隨著新纖維在抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕等方面較大的發(fā)展，織物防波堤完全可以適應(yīng)海洋環(huán)境。本文基于已有的研究成果，提出一種以大型織物增強(qiáng)囊袋作為堤身的柔性浮式防波堤結(jié)構(gòu)，通過(guò)堤身抵御海浪波能，達(dá)到消浪或減浪的效果。柔性囊袋外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)圓柱形囊袋外設(shè)置注水閥和排水閥等保壓裝置以穩(wěn)定囊袋內(nèi)壓，使堤身具有一定剛度并保持堤身形態(tài)。在柔性囊袋式防波堤的堤身上等距設(shè)置多個(gè)連接錨定裝置結(jié)構(gòu)，可保持堤身形態(tài)穩(wěn)定，不受風(fēng)浪影響。

圖1 柔性囊袋外形結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試樣制備

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的織物增強(qiáng)囊袋式防波堤對(duì)海浪的消浪效果，制作了防波堤的物理模型，在規(guī)則波造波水池中研究防波堤在不同規(guī)則波下的消浪性能及波浪變化規(guī)律。設(shè)計(jì)浮式防波堤的物理模型時(shí)，充分考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型之間的幾何相似性、運(yùn)動(dòng)相似性及動(dòng)力相似性。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[6]中規(guī)定：波浪物理模型試驗(yàn)宜采用正態(tài)模型，且必須滿足Froude重力相似準(zhǔn)則。因此將試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M幾何比例尺選取為1∶20。

1.2 試驗(yàn)試樣制備

制備物理模型的囊袋材料采用高強(qiáng)滌綸材質(zhì)，其具有耐蠕變、耐疲勞、耐磨擦，以及受溫度影響小和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[7]。制備過(guò)程如下：

(1)增強(qiáng)織物。以線密度為277.78 tex(2 500 D)的高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲為經(jīng)、緯紗線，通過(guò)入緯速率為800 m/min、幅寬為2 m、車速為90 r/min的片梭織機(jī)，織造面密度為250 g/m2、織物密度(經(jīng)向×緯向)為80根/(10 cm)×78根/(10 cm)、厚度為1.8 mm的高強(qiáng)滌綸平紋土工織物。增強(qiáng)織物的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示?？椩焱瓿珊?，采用刮刀在織物兩面涂覆厚度為1 mm的PVC涂層。涂層工藝流程如圖2所示。

表1 增強(qiáng)織物的性能測(cè)試結(jié)果

圖2 涂層工藝流程圖

(2)縫合囊體。使用超聲波縫合機(jī)將增強(qiáng)織物縫合成試驗(yàn)所需的囊體結(jié)構(gòu)。

(3)囊體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。在外部用平帶為囊袋增加一層加強(qiáng)網(wǎng)帶，對(duì)囊袋內(nèi)部進(jìn)行充水成型，使其壓強(qiáng)保持在200～300 kPa，以滿足試驗(yàn)所需的剛度要求。

1.3 試驗(yàn)條件

物理模型試驗(yàn)在造波水池中進(jìn)行，水池長(zhǎng)132.0 m，寬10.8 m，最大工作水深為2.0 m，配有三維推板式24單元造波機(jī)進(jìn)行造波。使用YWS100-AXX型電容式波高儀和DS30型浪高測(cè)量系統(tǒng)采集并處理波浪數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前對(duì)所有儀器進(jìn)行標(biāo)定，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種布置方式：一是將2個(gè)充水后的柔性囊袋堤身以一定布置角度a呈V字形擺放，在堤身后形成一個(gè)扇形的掩護(hù)區(qū)域；二是以充水后的單個(gè)柔性囊袋為堤身，直接迎浪橫放。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒刂械牟贾梅绞饺鐖D3和圖4所示。

圖3 V字形浮堤試驗(yàn)布置圖

圖4 迎浪橫放浮堤布置圖

試驗(yàn)共使用3個(gè)波高儀，均沿浮堤的堤身中心線固定。3個(gè)波高儀依次記為為1#、2#、3#。1#號(hào)波高儀位于堤體后方掩護(hù)區(qū)域距防波堤3.0 m。2#波高儀距堤身前方1.0 m，與3#波高儀相距0.2 m。

試驗(yàn)共選取3組波高(0.10,0.15,0.20 m)下的物理規(guī)則波，每組規(guī)則波均設(shè)定5種平均周期(T=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6 s)，設(shè)定織物增強(qiáng)囊袋式防波堤物理模型的工作水深d為2.0 m。表2為試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的波浪要素對(duì)照表，其中實(shí)模比為1∶20。

表2 模型試驗(yàn)波要素對(duì)照表

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

透射系數(shù)Kt是評(píng)估柔性浮式防波堤消浪效果的一個(gè)重要指標(biāo)，可由堤前入射波高Hi、堤后透射波高Ht求得，計(jì)算式如式(1)所示。

Kt=Ht/Hi

(1)

記入射波和反射波的波幅AI和AR，波浪反射系數(shù)Kr的計(jì)算式如式(2)所示。

Kr=AR/AI

(2)

其中AI和AR采用Goda等[8]在1976年提出的兩點(diǎn)法求得。

波能衰減系數(shù)Ks可由式(3)計(jì)算求得。

Kt2+Kr2+Ks2=1

(3)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表3詳細(xì)列舉了規(guī)則波高為0.20 m時(shí)囊袋式防波堤的消浪試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在規(guī)則波高為0.20 m，不同的布置夾角情況下，織物增強(qiáng)囊袋式防波堤的消浪效果的變化規(guī)律如圖5～圖7所示。

表3 囊袋式防波堤規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果

由表3和圖5～圖7可知：織物增強(qiáng)囊袋式“V”字形防波堤在模型試驗(yàn)不同布置角度下，均對(duì)規(guī)則波有明顯的消減效果。在不同的堤身寬度布置下，布置角度為60°的“V”字形防波堤均有最好的消浪效果，且都優(yōu)于迎浪橫放布置的防波堤。在布置角度為60°時(shí)，無(wú)論堤身寬度取何值，波能衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果均最大，說(shuō)明布置角度為60°的“V”字形防波堤在試驗(yàn)布置的條件下消浪效果最好。

由圖7可知，布置角度為60°的“V”字形柔性囊袋式浮堤的波浪透射系數(shù)控制在工程常用范圍。在相對(duì)堤寬為0.260 0以上時(shí)，布置角度為60°的“V”字形柔性囊袋式浮堤與單方箱錨鏈?zhǔn)礁∈椒啦ǖ梯^為相似。如圖8所示，與圖中列出的浮式防波堤消浪性能相比，除浮板+圓柱體塊浮式防波堤外，相對(duì)堤寬為0.400 0，布置角度為60°的“V”字形布置的囊袋式防波堤對(duì)周期較短的波浪有更好的消浪效果。

圖5 布置角度α對(duì)Kt的影響

圖6 布置角度α對(duì)Kr的影響

圖7 布置角度α對(duì)Ks的影響

圖8 幾種防波堤的消浪效果對(duì)比

因此，相比多數(shù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的浮式防波堤，本文設(shè)計(jì)的織物增強(qiáng)囊袋式防波堤具有更優(yōu)異的消浪效果。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于造波水池的規(guī)則波，織物增強(qiáng)囊袋式結(jié)構(gòu)的防波堤在不同迎浪角度下，均對(duì)波浪有明顯的消減效果，且在相同條件下，消浪效果優(yōu)于大多數(shù)傳統(tǒng)的浮式防波堤。

(2)在不同的規(guī)則波作用下，本文設(shè)計(jì)的織物增強(qiáng)囊袋式防波堤均能保持有效抵御波浪的形態(tài)，并發(fā)揮其良好的消減效果，表明高強(qiáng)度紡織材料完全可以應(yīng)用于柔性浮式防波堤的設(shè)計(jì)中。

(3)柔性囊袋式防波堤具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效、可快速鋪裝的優(yōu)勢(shì)，是一種可大規(guī)模推廣的浮式防波堤結(jié)構(gòu)，可為海洋工程的安全防護(hù)提供一種新的選擇。