“防波堤運(yùn)動特性和錨鏈力試驗(yàn)

李焱，肖輝，李松喆，高峰

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

李焱1，肖輝1，李松喆2，高峰1

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

通過二維斷面物理模型，試驗(yàn)研究了“”型浮箱在規(guī)則波作用下的運(yùn)動量和錨鏈力與相對寬度、水深、波高、錨鏈與豎向初始夾角以及錨鏈拖地長度等影響因素的變化關(guān)系。結(jié)果表明：波高是影響浮箱運(yùn)動量和錨鏈力最敏感的因素，浮箱升沉、橫搖和錨鏈力隨波高增大而增大；相對寬度與水深的改變對錨鏈力的影響較為隨機(jī)，錨鏈力并不隨著波周期增大而增大，主要原因是波周期越長，浮箱的消浪效果較差的緣故；錨鏈與豎向初始夾角增大，浮箱橫移有所減小，對錨鏈力而言，30°夾角較為合適；錨鏈拖地長度加長，橫移明顯增大，錨鏈力則有所減小。與矩形浮箱相比，“”型浮箱的橫移和升沉要大于等于矩形方箱，橫搖則小于矩形浮箱，兩者的錨鏈力相差不大。

“”型浮箱；規(guī)則波；運(yùn)動特性；錨鏈力；模型試驗(yàn)

浮式防波堤由浮體和錨泊系統(tǒng)組成，利用浮體對波能的反射和耗散進(jìn)行消波，達(dá)到防浪目的。不同結(jié)構(gòu)形式和材料的浮式防波堤的消能方式不同，依據(jù)浮體材料的彈性特性可分為剛性和柔性浮防波堤。剛性浮防波堤的消波方式主要是反射，代表型式有浮箱式和浮筒式［1］；柔性浮防波堤的消波方式主要是耗散，代表型式有浮筏式［1］等。近年來又出現(xiàn)了剛性和柔性材料相結(jié)合的浮式防波堤，如鋼管-輪胎式［2］和板-網(wǎng)式［3］。上述各種類型中，浮箱式防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝簡單，造價(jià)相對低廉，除消浪外，浮體本身還可兼作道路、倉庫、錨船或漁碼頭等，故目前應(yīng)用相對較多。浮式防波堤作為一種海工建筑物的防護(hù)設(shè)施，其消浪性能、運(yùn)動特性和錨泊受力為工程界最為關(guān)心，目前對不同類型的浮防波堤的消浪性能研究較多，對于浮體運(yùn)動特性和錨鏈?zhǔn)芰t相對不足，侯勇［4-5］、董華洋［6］、楊彪［7］、胡嵋［8］等分別研究了單方箱、帶開孔圓弧的矩形方箱、浮箱-水平板式、雙浮箱-雙水平板式以及底浮箱式等結(jié)構(gòu)浮防波堤的水動力特性，探討了相對寬度等因素對消浪性能、浮體運(yùn)動特性和錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?；湯小霞?］應(yīng)用簡單格林函數(shù)和攝動展開的理論方法在時(shí)域內(nèi)對錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過懸鏈線理論和B樣條擬合求得浮筒所受的錨鏈力，然后求解結(jié)構(gòu)的時(shí)域運(yùn)動方程得到結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動響應(yīng)和錨泊系統(tǒng)的內(nèi)部應(yīng)力；陳徐均［10］對系泊浮體布鏈方式的優(yōu)劣進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了不同布鏈方式下錨鏈系統(tǒng)所提供橫搖和首搖恢復(fù)力矩的表達(dá)式，這些研究成果，對浮式防波堤的錨泊設(shè)計(jì)及安全保障具有積極意義。

1 物理模型試驗(yàn)概況

1.1 “”型浮箱尺度及錨鏈

1.2 模型設(shè)計(jì)與布置

采用重力相似準(zhǔn)則，比尺為1：40。浮箱由1 cm厚有機(jī)玻璃制作而成，光滑有機(jī)玻璃板的糙率為0.007～0.009，則原型糙率為0.013～0.016，與鋼筋混凝土糙率相當(dāng)。模型錨鏈采用細(xì)鋼鏈條，重24.12 g/m，模擬主要考慮長度和彈性相似，其中彈性剛度通過定制彈簧來模擬。

試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，水槽長68 m、寬1.0 m、深1.5 m，一端配有先進(jìn)的吸收式造波機(jī)，另一端設(shè)有消波裝置。浮箱布置在水槽中間，前、后各布置2個(gè)浪高儀，其中堤后浪高儀距浮箱1倍波長以外，錨鏈懸掛點(diǎn)為下懸臂上端，迎浪面和背浪面各3根錨鏈。模型布置見圖2。模型波高采用交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的SG2000型波浪采集系統(tǒng)進(jìn)行測量；錨鏈力采用LA1型水下拉力傳感器進(jìn)行測量；運(yùn)動量采用南京水利科學(xué)研究院研制的FL-NH型非接觸式運(yùn)動量測試系統(tǒng)進(jìn)行測量。

1.3 試驗(yàn)條件及內(nèi)容

原型入射波高（HI）為1.0 m、2.0 m、3.0 m，波周期（T）為5.0 s、6.0 s、7.0 s、8.0 s，水深（h）為16.0 m、20.0 m和24.0 m。試驗(yàn)采用規(guī)則波，探討了不同相對寬度、水深、波高、錨鏈與豎向的初始夾角θ（注：θ為浮體靜止?fàn)顟B(tài)下錨鏈懸鏈線軸向方向與豎向的初始夾角θ（圖1）、錨鏈拖地長度St（圖2）等因素對“型”浮箱的運(yùn)動特性和錨泊受力的影響，其中，相對寬度B L的范圍為0.22～0.52（注：B=20 m，波長L由規(guī)則波理論計(jì)算得到），錨鏈與豎向初始夾角θ為15°、30°、45°，錨鏈拖地長度St為0 m、8 m、16 m。

圖1“”型浮箱斷面圖（原型值）Fig.1Cross?section of“”-type pontoon（prototype）

圖2模型布置圖Fig.2 Layout of physical modell

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 運(yùn)動特性分析

2D斷面試驗(yàn)中，波浪作用下浮箱的運(yùn)動響應(yīng)為橫移、升沉和橫搖，試驗(yàn)采集到的時(shí)間過程線如圖3所示。從中可知，升沉與橫搖過程基本體現(xiàn)了規(guī)則波的特性，但橫移的波形則與波浪并不對應(yīng)。

浮箱的上水和越浪與波高和周期關(guān)系較大，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射波高為1.0 m時(shí)，4種波周期條件下，浮箱基本不上水；波高增大至2.0 m和3.0 m后，波周期為5 s和6 s時(shí)，因波陡較大，浮箱前后均上水較重，但當(dāng)波周期增大至7 s和8 s時(shí)，浮箱相對寬度和入射波波陡減小，消浪效果較差，浮箱隨波浪上下起伏運(yùn)動，此時(shí)上水明顯減小。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，浮箱順浪向的橫移和橫搖通常大于逆浪向的橫移和橫搖，浮箱上升幅值要大于下降幅值，因此，對浮箱運(yùn)動量的分析，主要以順浪向橫移、橫搖和上升量的最大值為主。

2.1.1相對寬度與水深對運(yùn)動量的影響

不同波高條件下，浮箱橫移與相對寬度的變化關(guān)系不盡相同，本次試驗(yàn)兩者之間的規(guī)律性不好；水深增大，橫移有所增加，主要原因是水深增加，懸垂錨鏈的長度增加，懸垂產(chǎn)生的富裕度有所增加（圖4-a）。浮箱升沉隨著相對寬度的增大而減?。徊ǜ邽? m時(shí)，升沉隨水深的增大略有增加，但波高為2 m和3 m時(shí)，水深的變化對升沉的影響不大（圖4-b），說明波高增大后，錨鏈懸垂富裕度的變化主要表現(xiàn)在橫移上。不同波高條件下，浮箱橫搖與相對寬度的變化關(guān)系不盡相同，但均存在一個(gè)大值，即當(dāng)波浪周期接近浮體橫搖固有周期時(shí)，橫搖值最大；水深對橫搖影響不大（圖4-c）。

2.1.2 波高和錨鏈與豎向初始夾角對運(yùn)動量的影響

從運(yùn)動量變化的趨勢線分析，增大波高，橫移增幅較緩，但升沉和橫搖明顯增大，波高是影響升沉和橫搖的主要因素；相同波高條件下，錨鏈與豎向初始夾角增大，橫移減小，主要原因是增大夾角有利于控制浮箱的橫向運(yùn)動；相同波高條件下，3種夾角中，30°夾角的升沉最小，45°夾角的橫搖最小（圖5）。

圖3浮箱運(yùn)動量時(shí)間過程線（模型值）Fig.3Time series of pontoon motions

2.1.3 錨鏈拖地長度對運(yùn)動量的影響

從運(yùn)動量變化趨勢線分析，相同波高條件下，錨鏈拖地長度加長，橫移明顯增大，但對橫搖的影響很?。粚τ谏恋挠绊?，當(dāng)拖地長度分別為8 m和16 m時(shí)，浮箱的升沉基本相同，拖地長度為0 m時(shí)的升沉則略?。▓D6）。

2.2 錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/p>

波浪作用下，浮箱迎浪面的錨鏈力較大，而背浪面的錨鏈力較小，這與浮箱的運(yùn)動特性相一致，以下分析了不同因素對迎浪面錨鏈力的影響。

2.2.1 相對寬度與水深對錨鏈力的影響

相對寬度與水深的改變對錨鏈力的影響較為隨機(jī)，也說明錨鏈力并不隨著波浪周期的增大而一定增大，主要原因是周期越長，浮箱的消浪效果越差，浮箱隨長周期波上下浮動，故其所受的直接波浪力并不隨周期的增大而明顯增大（圖7）。

2.2.2 波高和波陡對錨鏈力的影響

錨鏈力對波高的敏感度較高，圖8為各種水深和波周期條件下，波高和錨鏈力的關(guān)系圖。從圖8可知，隨著波高的增大，錨鏈力急劇增大，擬合所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以得到錨鏈力F（kN）與波高H（m）的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：F=523·H1.256。波陡為波高與波長之比，當(dāng)波周期不變時(shí)，增大波高，也即增大了波陡，錨鏈力增大，但當(dāng)波高不變，改變周期，也改變了波陡，錨鏈力的變化則無規(guī)律，說明錨鏈力對波高的敏感度遠(yuǎn)大于波周期。

2.2.3 錨鏈與豎向夾角對錨鏈力的影響

圖4運(yùn)動量與相對寬度和水深的關(guān)系Fig.4Relation of pontoon motions with relative width and water depth

圖9為錨鏈與豎向初始夾角對錨鏈力的影響關(guān)系。不同初始夾角條件下，錨鏈力均隨著波高的增大而增大；同一波高條件下，從趨勢線分析，當(dāng)波高為1 m時(shí)，夾角15°時(shí)的錨鏈力最大，夾角30°和45°的錨鏈力相差很?。划?dāng)波高為2 m時(shí)，夾角45°時(shí)的錨鏈力最大，其次15°，最小為30°；當(dāng)波高為3 m時(shí)，夾角30°時(shí)的錨鏈力最小，夾角15°和45°的錨鏈力則相差不大。總體而言，3個(gè)夾角中，30°夾角較為合適。

圖5運(yùn)動量與波高和錨鏈與豎向夾角的關(guān)系Fig.5Relation of pontoon motions with wave height and mooring angle

圖6運(yùn)動量與錨鏈拖地長度關(guān)系Fig.6Relation of pontoon motions with mooring chain length

圖7錨鏈力與相對寬度和水深的關(guān)系Fig.7Relation of mooring forces with relative width and water depth

圖8錨鏈力與波高的關(guān)系Fig.8Relation of mooring forces with wave height

圖9錨鏈力與豎向的夾角的關(guān)系Fig.9Relation of mooring forces with mooring angle

2.2.4 錨鏈拖地長度對錨鏈力的影響

圖10為3種錨鏈拖地長度對錨鏈力的影響關(guān)系。不同錨鏈拖地長度條件下，錨鏈力均隨著波高的增大而增大；同一波高條件下，從趨勢線分析，縮短錨鏈拖地長度，錨鏈力有所增大，這是由于錨鏈的拖地長度減小，錨鏈對上部浮箱的約束變大，因此迎浪面錨鏈?zhǔn)芰驮酱蟆?/p>

圖10錨鏈力與錨鏈拖地長度的關(guān)系Fig.10Relation of mooring forces with mooring chain length

圖11矩形浮箱尺度（原型值）Fig.11Scale of rectangle pontoon（prototype）

矩形浮箱寬度為20 m，高4 m，吃水3.0 m，重心高度1.5 m，錨鏈點(diǎn)位置與“”型相同（圖11）。比較試驗(yàn)工況為水深h=20 m；入射波高HI=1.0 m、2.0 m、3.0 m；波周期T=5 s、6 s、7 s、8 s；錨鏈拖地長度St=0 m；錨鏈與豎向初始夾角θ=30°。

兩種浮箱結(jié)構(gòu)運(yùn)動量和錨鏈力的比較情況見圖12和圖13。不同波高作用下，“”型浮箱的橫移和升沉大于或等于矩形，這是因?yàn)椤啊毙透∠涫芰γ娣e要大于矩形的緣故，但同時(shí)由于進(jìn)入兩側(cè)空腔中水體的平衡作用，其橫搖則均小于矩形浮箱。不同波高作用下，兩種浮箱的錨鏈力相差不大。

圖12“”型與矩形浮箱運(yùn)動量的比較Fig.12Movements comparison of“”type pontoon and rectangle pontoon

圖13“”型與矩形浮箱錨鏈力的比較Fig.13Mooring forces comparison of“”type pontoon and rectangle pontoon

3 主要結(jié)論

（1）波高是影響浮箱運(yùn)動量的重要因素，運(yùn)動量隨波高增大而增大，其中升沉和橫搖增幅明顯；浮箱的橫移和橫搖與相對寬度的變化關(guān)系較隨機(jī)，升沉則隨著相對寬度的增大而減??；水深對升沉和橫搖影響不大，但橫移隨著水深的增大略有增加；錨鏈與豎向初始夾角增大時(shí)，浮箱橫移有所減??；錨鏈拖地長度加長，橫移明顯增大，但對橫搖和升沉的影響有限。

（2）波浪作用下，浮箱迎浪面的錨鏈力明顯大于背浪面。各種影響因素中，錨鏈力對波高的敏感度最高，且規(guī)律明顯，波高的增大，錨鏈力急劇增大；相對寬度與水深的改變對錨鏈力的影響較為隨機(jī)，錨鏈力并不隨著波浪周期的增大而一定增大，主要原因是周期越長，浮箱的消浪效果較差的緣故；錨鏈與豎向初始夾角對錨鏈力的影響較為隨機(jī)，總體而言，15°、30°和45°三個(gè)夾角中，30°夾角較為合適；縮短錨鏈拖地長度，錨鏈力有所增大。

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Experimental study on motions and mooring forces of?type pontoon floating breakwater

LI Yan1,XIAO Hui1,LI Song?zhe1,2,GAO Feng1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2. College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

By 2D physical model test of“”?type pontoon under the regular wave action，the relation be?tween the motions and mooring forces with relative width，water depth，wave height，angle between mooring axes and vertical at the joint，mooring lie length and so on were studied.The results show that motions and mooring forc?es are high sensitive and regular to wave height，the heave and roll of pontoon and mooring forces increase obvious?ly with wave height increasing.Influence of relative width and water depth to mooring forces is random.It does not increase with wave period increasing,because wave dissipation of pontoon could reduce when wave period increas?ing.With the increasing of mooring angle,pontoon sway could reduce,and 30°is appropriate for mooring force. When the mooring lie length is lengthening,pontoon sway increases obviously and mooring forces reduce.Compar?ing with rectangle pontoon,?type pontoon sway and heave motions are greater than or equal to the rectangle pon?toon,and the mooring forces of two types differ little.

?type pontoon;regular wave;motion characteristic;mooring force;physical model test

U 656.2；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0474-07

湘江二級航道二期工程開工

2015-08-06；

2015-10-28

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2013329224230）

李焱（1972-），男，江西省萍鄉(xiāng)人，副研究員，主要從事港口與航道工程研究。

Biography：LI Yan（1972-），male，associate professor.

本刊從湖南省交通運(yùn)輸廳獲悉，2015年11月26日，株洲航電樞紐二線船閘及魚道工程動工，這標(biāo)志著湘江二級航道二期工程正式開工建設(shè)。項(xiàng)目概算總投資31.23億元，建設(shè)總工期51個(gè)月。將按照二級航道標(biāo)準(zhǔn)，整治湘江衡陽蒸水河口至株洲航電樞紐154 km航道，在衡陽大源渡航電樞紐和株洲航電樞紐各新建一座2 000 t級標(biāo)準(zhǔn)二線船閘，設(shè)計(jì)年單向通過能力均為2 450萬t。同時(shí)，建設(shè)跨船閘橋梁兩座、魚道兩座、衡陽水上服務(wù)區(qū)及其他配套設(shè)施。（殷缶，梅深）