新型浮式防波堤的結(jié)構(gòu)選型

劉必勁，萬 艷，饒 翔

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 廈門 361024;2.福建省海洋預(yù)報臺，福建 福州 350500)

近年來，浮式防波堤結(jié)構(gòu)因造價低廉、易于搬遷、對地基要求不高，在許多水位變化較大、波浪小而陡的水域，得到了較廣泛的應(yīng)用[1]。隨著大型專業(yè)化碼頭的建立、各種娛樂港口的建設(shè)、養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，座底式防波堤越來越不能滿足經(jīng)濟(jì)、便捷、環(huán)保的要求，浮式防波堤的優(yōu)勢就慢慢體現(xiàn)出來。然而傳統(tǒng)浮式防波堤存在消浪效果相對較差、在惡劣天氣下的穩(wěn)定性不強(qiáng)等問題。因此，探討新型浮式防波堤結(jié)構(gòu)，探索浮式防波堤更強(qiáng)的消浪性能和在極端波浪下更高的穩(wěn)定性顯得十分必要。

國內(nèi)外很多學(xué)者一直致力于新型浮式防波堤的研究。吳維登等[2]研究浮筏式防波堤結(jié)構(gòu)；董華洋[3]通過實(shí)驗(yàn)證明浮箱-水平板式浮式防波堤水動力特性更好；張余等[4]探究了廢舊輪胎式浮式防波堤的透射系數(shù)與堤身相對寬度、錨鏈拖地長度、錨鏈剛度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，錨鏈拖地長度、錨鏈剛度對透射系數(shù)影響不明顯；針對在長周期波浪作用下浮式防波堤的消浪性和安全性較弱的問題，王環(huán)宇等[5]提出了一種由菱形模塊拼接的的浮式防波堤，并證明它是具有優(yōu)良幾何構(gòu)造特征的浮式防波堤；崔杰等[6]對雙圓筒、多孔式浮箱式、網(wǎng)格浮箱組合式等4種浮式防波堤做了消浪特性實(shí)驗(yàn)。前人提出的這些浮式防波堤結(jié)構(gòu)，大部分都是剛性體結(jié)構(gòu)。極端天氣條件下，剛性體結(jié)構(gòu)自身的受力一般都比較大，容易造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。為此，本文提出多浮體組合式、剛?cè)嵝越M合式、純?nèi)嵝泽w等結(jié)構(gòu)，以便從理論和現(xiàn)場應(yīng)用上，取得比傳統(tǒng)浮式防波堤更好的消浪效果和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 傳統(tǒng)浮式防波堤分類

浮式防波堤按照結(jié)構(gòu)一般分為浮箱式、浮筒式、浮筏式和其他類型等4類。

浮箱一般以矩形、三角形或倒梯形的斷面形狀居多，有些采用2個浮箱做成連體式。浮箱式防波堤通過反射出入射的波浪能量來達(dá)到消浪的效果。浮筒式防波堤多為框架結(jié)構(gòu)，其消浪力略強(qiáng)于浮箱式防波堤結(jié)構(gòu)[7]。筏式浮堤主要利用抑制波能水質(zhì)點(diǎn)垂向運(yùn)動速度的大小來達(dá)到消浪效果。當(dāng)浮堤吃水較淺時，結(jié)構(gòu)尺度在波浪傳播方向上較長，一般要達(dá)到1倍波長左右才能有效地起到明顯的消浪作用[8]。其他類型浮式防波堤，如板網(wǎng)式浮堤[9]，是利用剛性不透水平板結(jié)構(gòu)主體來抑制波能水質(zhì)點(diǎn)垂向運(yùn)動速度，主要通過波浪與網(wǎng)衣之間的碰撞、摩擦和繞流，破壞水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，達(dá)到消能目的。

2 傳統(tǒng)浮式防波堤存在的問題

2.1 長波消浪效果差

浮式防波堤很難作為永久性建筑物的主要原因，是目前的浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式對短波(波長與堤寬之比L/B<4)的掩護(hù)效果尚好，但對長波(L/B>6)的透射率仍然很高。面對長波的來襲，防波堤的寬度要達(dá)到一定的尺寸才能滿足消浪的要求，這就會增加浮式防波堤的造價，加大施工的難度和自身安全系數(shù)[10]。

2.2 防波堤的研究存在局限性

目前的研究工作，大多是在假定流體是理想勢流運(yùn)動和海底水平的情況下，求解二維情形的浮式防波堤結(jié)構(gòu)的波浪反射與透射系數(shù)。然而實(shí)際工程中，僅研究二維的問題是不夠的，還必須考慮浮式防波堤整體結(jié)構(gòu)及錨泊系統(tǒng)在臺風(fēng)浪下的安全性。這就需要考慮波浪傳播對浮式防波堤的綜合影響、浮式防波堤總體受力、往復(fù)荷載作用下錨鏈疲勞破壞的機(jī)理，考慮基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)-波浪耦合作用時的浮體結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)等問題[11-12]。

3 新型浮式防波堤結(jié)構(gòu)

本研究主要從以下兩個方面來提高浮式防波堤的消浪性能：一是增大反射系數(shù)。利用浮體的迎波斷面、反射波浪，增大浮體前沿?fù)跛娣e，降低浮體自身的振動頻率，與入射波產(chǎn)生相位差，使更多的波浪反射回去。二是減小透射系數(shù)，加劇能量的耗散。通常做法是增大堤身寬度，使入射波在浮堤上發(fā)生摩擦碰撞之后破碎，消減波浪的透射能量，達(dá)到消浪的效果。同時，干擾水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，在防波堤的內(nèi)外側(cè)，添加翼、桁架結(jié)構(gòu)，擾亂水質(zhì)點(diǎn)原先運(yùn)動的軌跡，消減能量。

基于長周期波浪作用下，浮式防波堤的消浪性和安全性較弱等問題的考慮，以及為了進(jìn)一步增強(qiáng)短波消浪效果，浮式防波堤的選材及結(jié)構(gòu)形式一直在改進(jìn)。根據(jù)國內(nèi)外浮式防波堤研究進(jìn)展不難看出，其發(fā)展趨勢是：第一，由傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)逐漸向新型塑料多孔介質(zhì)材料過渡；第二，由傳統(tǒng)的單一箱體或浮筒式逐漸向多浮體組合形式過渡；第三，由完全剛性體結(jié)構(gòu)向剛性體和柔性體組合結(jié)構(gòu)過渡。為此，本文在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，提出幾種新型浮式防波堤的構(gòu)想。新型防波堤均采用高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì)的多浮體組合(如圖1)、剛體柔性體組合以及實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用的新型多孔介質(zhì)(如圖2的塑料盲溝)等材質(zhì)，以達(dá)到更好的消浪效果。

圖1 HDPE材質(zhì)浮體

圖2 塑料盲溝

3.1 雙箱式

雙箱式結(jié)構(gòu)由上下兩層長方體結(jié)構(gòu)結(jié)合而成，上層為塑料盲溝，下層為HDPE材質(zhì)浮箱，具體如果圖3所示。與傳統(tǒng)單體浮箱相比，塑料盲溝在浮式防波堤應(yīng)用方面具有一定的優(yōu)越性。

圖3 雙箱式浮式防波堤正視圖和45°俯視圖

3.2 圓弧式

圓弧式結(jié)構(gòu)包括3個部分：浮筒、盲溝板、圓弧形盲溝頂，具體如圖4所示。浮筒可由HDPE直接成型，也可由鋼筋框架加HDPE浮筒組合得到；盲溝板和圓弧形盲溝頂由塑料盲溝嵌套于定型鋼筋框架中得到。此結(jié)構(gòu)可以單獨(dú)使用，也可稍作連接，前后兩個并排使用組成雙箱式。

圖4 圓弧式浮式防波堤正視圖和45°俯視圖

3.3 雙筒單板式

雙筒單板式防波堤結(jié)構(gòu)包括4個部分：浮筒、盲溝豎直板、倒梯形盲溝浮筒外殼、盲溝橫向連接板，具體如圖5所示。浮筒可由HDPE直接成型得到；盲溝豎直板、倒梯形盲溝浮筒外殼、盲溝橫向連接板由塑料盲溝嵌套于定型鋼筋框架中得到。

圖5 雙筒單板式浮式防波堤正視圖和45°俯視圖

3.4 雙筒雙板式

雙筒雙版式結(jié)構(gòu)包括5個部分：浮筒、盲溝豎直板1、盲溝豎直板2、圓柱體盲溝浮筒外殼、盲溝橫向連接板，具體如圖6所示。浮筒可由HDPE直接成型得到；盲溝豎直板、盲溝橫向連接板由塑料盲溝嵌套于定型鋼筋框架中得到，圓柱體盲溝浮筒外殼直接套于浮筒外表面即可。

圖6 雙筒雙板式浮式防波堤正視圖和45°俯視圖

與常規(guī)浮式防波堤相比，這4種浮式防波堤獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為：(1)多孔材質(zhì)-塑料盲溝的使用，使得波浪與結(jié)構(gòu)相互作用時，破壞了原來水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，波動轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂的紊動從而達(dá)到消波的作用。如結(jié)構(gòu)二的圓弧式浮堤，波浪在圓弧形盲溝頂上爬坡時更易破碎，消能效果更佳；(2)盲溝板的使用使得防波堤的相對水深極大地增加，增大浮體前沿?fù)跛娣e從而使波能反射大大加強(qiáng)；(3)浮箱中可加入壓載水從而增加浮式防波堤自質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，從而減小了自振頻率；(4)在遇到船舶與浮式防波堤相撞、惡劣天氣下浮式防波堤被破壞，漂向岸邊等緊急情況時，箱體或浮體表面的塑料盲溝作為有效的緩沖保護(hù)裝置，將極大減小浮式防波堤對沿岸結(jié)構(gòu)及船舶的損害。

3.5 柔性浮式

柔性防波堤由水囊、內(nèi)氣囊、外氣囊、固定網(wǎng)、水下錨攬和閥門等組成。內(nèi)氣囊安裝在密封的水囊里面，水囊外面安裝一層固定網(wǎng)用于連接水下錨攬和固定外氣囊，使用時通過水囊上的閥門加注水和氣，達(dá)到設(shè)計壓力后形成一座移動防波堤，并通過水下錨攬固定防止位移。

柔性浮式防波堤的主體結(jié)構(gòu)主要由主浮筒、外氣囊、內(nèi)氣囊組成，具體如圖7～8所示。

圖8 柔性浮式防波堤現(xiàn)場效果圖

3.6 結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況

目前，雙箱、圓弧、雙筒單板和雙筒雙板式等組合式結(jié)構(gòu)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未投入應(yīng)用。而柔性浮式防波堤，在廣東汕頭、南海某海域和以色列阿什杜德港等地方均有應(yīng)用，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)短波作用下的消浪效果能夠滿足使用要求。

4 結(jié)語

本文在總結(jié)概括傳統(tǒng)浮式防波堤的分類、存在問題和浮式防波堤發(fā)展的趨勢的基礎(chǔ)上，提出了4種基于新型HDPE材質(zhì)浮筒和塑料盲溝的組合式防波堤和1種柔性浮式防波堤。該類型防波堤具有極大破壞水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動、緊急情況下安全性顯著增加等諸多傳統(tǒng)浮式防波堤不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。下一步工作中，將開展數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究，確定浮式防波堤的平面布置，通過開展斷面模型試驗(yàn)，研究不同結(jié)構(gòu)的浮式防波堤的消浪系數(shù)、錨泊系統(tǒng)穩(wěn)定和自身結(jié)構(gòu)受海浪抨擊作用等問題，以確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，給浮式防波堤試驗(yàn)段的生產(chǎn)和制作提供基礎(chǔ)條件。