海上光伏外圍防護(hù)-固定式透空堤結(jié)構(gòu)型式研究進(jìn)展

摘 要：固定式透空堤能改善海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的深海運(yùn)維環(huán)境。依據(jù)不同的消浪原理和構(gòu)造將固定式透空堤分為排樁透空堤、樁基透空堤、沉箱透空堤、樁基沉箱透空堤、橫板透空堤和組合透空堤6種型式，針對固定式透空堤的研究和發(fā)展進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，回顧和討論不同結(jié)構(gòu)型式研究方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、消浪性能和實(shí)際工程應(yīng)用等方面的內(nèi)容，總結(jié)了當(dāng)前研究存在的不足并展望了未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；海洋工程；防波堤；水工結(jié)構(gòu)；海上漂浮式光伏；透水結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TV36" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0560

文章編號：0254-0096（2024）08-0332-10

1. 天津大學(xué)水利工程智能建設(shè)與運(yùn)維全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；

2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；

3. 河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，邯鄲 056038；

4. 河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，邯鄲 056038

0 引 言

海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)約大量寶貴的土地資源［1］，靠近用電負(fù)荷較大的東部地區(qū)，可與海洋抽水蓄能、水產(chǎn)養(yǎng)殖和波浪能等有機(jī)結(jié)合，是利用太陽能發(fā)電的恰當(dāng)選擇。當(dāng)前該系統(tǒng)以示范項(xiàng)目為主，安裝運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)不足，在強(qiáng)風(fēng)浪流作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、浮體穩(wěn)定性和光伏組件振動等問題導(dǎo)致安裝和維護(hù)成本較高。要達(dá)到降本增效的目的，從結(jié)構(gòu)自身角度可更新浮體和錨固結(jié)構(gòu)，但需通過研究生產(chǎn)試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高；從結(jié)構(gòu)所處環(huán)境角度，防波堤的存在能極大改善包括海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的海洋平臺的運(yùn)動、氣隙等諸多水動力性能因素，提高結(jié)構(gòu)物作業(yè)的安全性［2］，且防波堤的研究較成熟，配合豐富內(nèi)陸水體漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，有助于實(shí)現(xiàn)海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的高質(zhì)量發(fā)展。

本文立足于提升海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)可行性，對國內(nèi)外固定式透空堤各結(jié)構(gòu)型式的理論、數(shù)模仿真、試驗(yàn)研究以及工程應(yīng)用進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，并指出目前存在的問題和未來的研究方向。

1 海上光伏設(shè)置防波堤的必要性

海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用浮體系統(tǒng)讓光伏組件漂浮在海面上的發(fā)電裝置，由浮體系統(tǒng)、錨固系泊系統(tǒng)、光伏組件和逆變器等電氣設(shè)備組成，如圖1所示。浮體系統(tǒng)為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供浮力，吃水深度余量考慮附著生物增重，同時(shí)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行風(fēng)浪冰荷載校驗(yàn)，一般使用高密度聚乙烯（high density polyethylene， HDPE）材料；錨固系泊系統(tǒng)對海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)動起到限制作用，防止系統(tǒng)在環(huán)境荷載作用下發(fā)生漂移而產(chǎn)生碰撞［3］，結(jié)構(gòu)參數(shù)與海洋環(huán)境相匹配；光伏組件利用光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，要求能適應(yīng)持續(xù)起伏的運(yùn)動狀態(tài)和鹽霧環(huán)境，為避免強(qiáng)風(fēng)浪載荷對結(jié)構(gòu)造成破壞，通常平鋪于浮體系統(tǒng)上；匯流箱將光伏組件產(chǎn)生的直流電匯流，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，升壓后通過電纜傳輸?shù)疥懮霞刂行牟⑷腚娋W(wǎng)。

海洋環(huán)境惡劣，強(qiáng)風(fēng)浪天氣易導(dǎo)致海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)破壞，造成嚴(yán)重?fù)p失。2019年日本千葉縣的漂浮式光伏電站受臺風(fēng)影響起火，不到一個(gè)月的時(shí)間，日本九州佐賀出現(xiàn)漂浮式光伏電站吹殘事故；2021年6月，中國山東省德州市德州丁莊華能光伏電站一期100 MW海上漂浮式光伏電站設(shè)備遭惡劣天氣破壞，現(xiàn)場損壞情況如圖2所示。

防波堤是避免沿海和海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施免受波浪沖擊常用的海上建筑物［4］，能滿足海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)和海上風(fēng)力渦輪機(jī)等海洋結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行的需求［5］。防波堤主要包括浮式防波堤與固定式防波堤，具體類型劃分如圖3所示。浮式防波堤和固定式防波堤主要分別通過結(jié)構(gòu)共振和反射破碎波浪的方式來耗散波浪的勢能與動能［6］。浮式防波堤主要包括浮箱式、浮筒式、墊式和系繩浮子式等型式［7］，其對海底條件要求低，易施工，能適應(yīng)潮差環(huán)境，但浮式防波堤寬度大于波長1/3時(shí)效果較好，因此在長波環(huán)境中成本較高，同時(shí)需考慮系泊系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。固定式防波堤主要包括斜坡式、直立式等重力式防波堤和透空堤。重力式防波堤掩護(hù)效果較好，但易導(dǎo)致水體生態(tài)問題，用海申請難度大且隨水深加深成本迅速增加。固定式透空堤不僅能達(dá)到消波的目的還可減小波浪沖擊力，保證堤內(nèi)外水體交換，具有易施工、自重輕、材料省、成本低、對地基條件要求較低、海洋生態(tài)環(huán)境影響較小等特點(diǎn)，受到相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者與技術(shù)工作人員的廣泛關(guān)注。

2 固定式透空堤結(jié)構(gòu)型式研究

固定式透空堤根據(jù)消浪原理和構(gòu)造的不同主要分為排樁透空堤、樁基透空堤、沉箱透空堤、樁基沉箱透空堤、橫板透空堤和組合透空堤，如表1所示。

2.1 排樁透空堤

排樁透空堤由單排垂直樁小間距布置或多排垂直樁交錯(cuò)布置而成，其只含有樁基結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡單且重量較輕，施工方便，成本較低，但波浪與樁基的作用面積較小，適用于消耗小波高大波陡波浪的波能。建造防波堤兼碼頭水工構(gòu)筑物時(shí)，優(yōu)先選擇排樁透空堤［8］。目前已有多個(gè)工程應(yīng)用排樁透空堤，如：馬來西亞蘭卡威佩蘭吉海灘度假村、日本大和毛里塔尼亞友誼港堵口工程的鋼管樁透空堤［9］，中國上海市奉賢南門港段和美國帕斯克里斯蒂安的混凝土管樁透空堤，中國太湖梅梁灣的混凝土方樁透空堤等。

高東博［10］通過物理模型試驗(yàn)比較了矩形截面樁透空堤和異形截面樁透空堤（矩形截面樁兩側(cè)各開一個(gè)半圓形槽）的消波效果，發(fā)現(xiàn)異形截面樁透空堤效果更好，透空率、波陡和相對寬度對防波堤透射系數(shù)起主要影響作用。王瑜［11］和周明奎等［12］比較了單排和不同間距雙排交錯(cuò)布置排樁透空堤的透射系數(shù)，不同間距雙排樁透空堤交錯(cuò)布置型式如圖4所示，[B]和[D]分別為排間距和樁徑，發(fā)現(xiàn)雙排樁較單排樁透射系數(shù)減小量均不超過10%，經(jīng)濟(jì)性較差。

黃健鈞等［13］通過三維波浪物理模型試驗(yàn)比較了樁間帶肋板和不帶肋板的排樁式透空堤的消波效果，發(fā)現(xiàn)在較小水深下帶肋排樁式透空堤的透射系數(shù)較不帶肋的降低約60%。Sathyanarayana等［14］提出將樁的直徑逐漸擴(kuò)大至靜水面附近的新型錐形樁頭透空防波堤結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)和REEF3D軟件

研究相對樁頭直徑[D/H]（樁頭直徑/波高）、開孔和波陡等對消波效果的影響，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在不規(guī)則波下具有更低的透射系數(shù)且在最佳開孔配置（孔在樁頭周圍分布50%，透空率19.2%，孔直徑為樁直徑的1/4）下，透射系數(shù)較不開孔結(jié)構(gòu)降低5%～10%。王廣原等［15］通過建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)在水面下方固定多孔板的存在對多孔圓柱樁的沖擊力影響不大，但可減小圓柱內(nèi)部波浪爬高。上述排樁透空堤結(jié)構(gòu)型式如圖5所示。何方等［16］將振蕩水柱裝置和排樁透空堤結(jié)合，提出同時(shí)起到高波能利用和良好消波作用的波能利用型透空堤。

2.2 樁基透空堤

樁基透空堤是由樁基礎(chǔ)及其支撐的擋浪板結(jié)構(gòu)組成的消浪設(shè)施，如圖6所示。擋浪板結(jié)構(gòu)有多種型式，按照入水深度的不同，可分為部分浸沒式和完全浸沒式。

部分浸沒式擋浪板是指擋浪板位于水面附近但并不接觸海底的擋浪板型式。由于波浪能量集中在靜水面附近3倍波高范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)較好的消波效果且所受波浪力較小，可靠性高，造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)型式如圖7所示。

任家崟等［17］基于高階緊致插值方法的二維波浪數(shù)值模型水槽發(fā)現(xiàn)帷幕式透空堤透射系數(shù)與浸沒深度和孤立波波高負(fù)相關(guān)。林克青等［18］通過計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法研究相對浸深和相對波長對豎直板消波性能的影響，并擬合內(nèi)插計(jì)算了在相對波長為0.1～0.4下，透射系數(shù)0.3、0.4、0.5對應(yīng)的相對浸深值。嚴(yán)以新等［19］研究適用于大浪高大潮差環(huán)境的多層擋板樁基透空堤的消波性能，發(fā)現(xiàn)擋板的透空率和布置方式是影響消波效果的主要因素。福建省連江縣黃岐半島南側(cè)的黃岐漁港采用文獻(xiàn)［19］提到的結(jié)構(gòu)型式，多排檔板前后交錯(cuò)擋浪，前疏后密，消波效果良好。波浪在結(jié)構(gòu)上多次反射使得波動水體的運(yùn)動方向改變，入射波與反射波相互碰撞，產(chǎn)生渦流消耗能量［20］。Koraim等［21］提出水平C形鋼棒的雙排垂直樁消波堤結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了基于特征函數(shù)展開法的水動力防波堤性能理論模型的有效性，發(fā)現(xiàn)防波堤透射系數(shù)主要與相對水深[d/L]、C形鋼筋相對入水深度[r/d]、支撐樁直徑[D]和雙排樁之間的間距[P]負(fù)相關(guān)，與孔隙率正相關(guān)。李金宣等［22］通過試驗(yàn)比較單豎直板、雙豎直板和雙豎直板間加水平板防波堤的消波效果，發(fā)現(xiàn)在相對浸沒深度較小時(shí)，雙豎直板間加水平板透空堤較單豎直板和雙豎直板透空堤反射系數(shù)和能量耗散系數(shù)更大，透射系數(shù)更小。

Neelamani等［23］研究相對水深、波陡和浸沒深度對部分浸沒式擋浪板樁基透空堤結(jié)構(gòu)反射系數(shù)、耗散系數(shù)、透射系數(shù)和板間水面高度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)不規(guī)則波下的透射系數(shù)低于規(guī)則波。于定勇等［24］提出一種集成振蕩水柱式發(fā)電氣室的樁基透空堤結(jié)構(gòu)方案，發(fā)現(xiàn)大部分情況中，同一周期下該結(jié)構(gòu)更高的波能耗散系數(shù)對應(yīng)更低的波能-動能轉(zhuǎn)換率，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景綜合考慮消波效果和轉(zhuǎn)換率，選取合適的結(jié)構(gòu)型式。

傾斜擋浪板代替豎直擋浪板能有效減小結(jié)構(gòu)所受的波浪力，有利于提高穩(wěn)定性與安全性。桂勁松等［25］比較斜板透空堤與豎直板透空堤的消波效果，證明了斜板透空堤的可行性。周志民等［26］發(fā)現(xiàn)非線性表面波和浸沒傾斜薄板相互作用時(shí)，二階自由波的振幅隨浸沒斜板傾角α的增加而增加，二階反射自由波和透射自由波的振幅隨波陡的增加而增加。陳蘭坤等［27］提出附帶傾斜消浪板的樁基透空堤，得到消浪板透空率10%、相對入水深度[r/d=0.85]、傾斜角度[α=-15°]的最佳設(shè)計(jì)方案，此方案的透射波能占比約17%。王強(qiáng)等［28］研究文獻(xiàn)［27］同種樁基結(jié)構(gòu)雙層消浪板布置對消浪效果的影響，發(fā)現(xiàn)前排消浪板的透空率決定反射系數(shù)，消浪板的最小透空率決定透射系數(shù)。龔也君等［29］提出由1塊豎直板、2塊傾斜板和連接結(jié)構(gòu)組成的山體式透空堤。通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)相對波長為[L/B=4]時(shí)山體式透空堤消波效果較好，透射系數(shù)小于0.5、相對波長[L/B=8]時(shí)消波效果差，透射系數(shù)約為0.9。

完全浸沒式擋浪板是指擋浪板貫穿整個(gè)水域高度的擋浪型式，適用于水深較淺的海洋環(huán)境，該結(jié)構(gòu)擋浪面積更大，消波效率更高，結(jié)構(gòu)型式如圖8所示。Rageh等［30］提出支撐樁連接的預(yù)制墻透空消波結(jié)構(gòu)，每個(gè)預(yù)制墻分為兩部分：上部是不透水的，并在水位上方延伸至海平面以上一定距離；另一部分是可滲透的，由緊密間隔的水平槽組成。通過模型試驗(yàn)，特征函數(shù)展開法及最小二乘法研究了相對水深[d/L]、相對入水深度[r/d]、透空率和相對波長[H/L]對該結(jié)構(gòu)消波性能的影響，在相對波長[H/L=0.25～0.35]時(shí)，該結(jié)構(gòu)透射系數(shù)約為0.5。Koraim等［31］在Rageh等研究的基礎(chǔ)上提出雙層預(yù)制墻透空消波結(jié)構(gòu)。與單層結(jié)果相比，雙層結(jié)構(gòu)將透射系數(shù)減少10%～20%，反射系數(shù)減少5%～10%，能量耗散系數(shù)增加10%～20%。通過理論研究發(fā)現(xiàn)，透空堤整體兩道或第一道的上部相對入水深度[r1/d]增加或透空率降低對消波效果改善明顯，雙層結(jié)構(gòu)相對間距[P/d]對透空堤消波效果影響不明顯。

2.3 沉箱透空堤

沉箱透空堤由間隔安放的沉箱墩組成，部分沉箱透空堤含有上部擋浪結(jié)構(gòu)（胸墻和翼板等），如圖9所示。沉箱透空堤構(gòu)造簡單，依靠箱體和上部擋浪結(jié)構(gòu)對波浪的反射作用和間隔空隙對波浪能量的消耗作用降低波浪透射，缺點(diǎn)是其自身承受波浪力較大，結(jié)構(gòu)成本較高。

杜沛霖等［32］利用Fluent軟件模擬規(guī)則波與錯(cuò)位沉箱透空堤（圖10左側(cè)文獻(xiàn)［32］）和異型沉箱透空堤（圖10右側(cè)文獻(xiàn)［33］）的相互作用，發(fā)現(xiàn)透射系數(shù)與相對波長正相關(guān)，但隨相對波高變化不明顯，得出結(jié)構(gòu)透空率大于0.16時(shí)，異型沉箱較錯(cuò)位沉箱透空堤有更好的消波表現(xiàn)，并通過最小二乘法得到兩種透空堤對于波浪透射系數(shù)的擬合公式。王彥哲［33］提出由上部水平多層圓柱和底部沉箱組成的沉箱透空堤結(jié)構(gòu)，通過物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透射系數(shù)與水平柱的排數(shù)和直徑負(fù)相關(guān)，水平柱結(jié)構(gòu)多設(shè)置在表層水域有利于提高消波效果。

2.4 樁基沉箱透空堤

樁基沉箱透空堤將樁基透空堤所支撐的擋浪板結(jié)構(gòu)替換成沉箱結(jié)構(gòu)，結(jié)合了樁基集中消耗水面附近波能和沉箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)反射的優(yōu)勢，提高了經(jīng)濟(jì)效益與消波效率，結(jié)構(gòu)型式如圖11所示。

Rageh等［34］提出樁基方箱透空堤，研究相對入水深度、相對堤寬、樁間距直徑比對透空堤消波效率的影響，并提出計(jì)算該透空堤透射系數(shù)和反射系數(shù)的擬合公式。初岳峰等［35］提出一種由立管和水平板組合的樁基方箱消浪結(jié)構(gòu)，通過物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單排布置時(shí)，透射系數(shù)與結(jié)構(gòu)寬度負(fù)相關(guān)；雙排布置時(shí)，透射系數(shù)對于總寬度相同的單排布置減少10%，透射系數(shù)對前后間距變化不敏感，并擬合得到立管水平板消浪結(jié)構(gòu)透射系數(shù)表達(dá)式。吳靜萍等［36］在樁基方箱式透空堤下邊緣懸掛2個(gè)不同長度的弧形柔性膜，其較樁基方箱透空堤和帶單個(gè)弧形柔性膜的樁基方箱透空堤具有更好的消波效果，該結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)與相對寬度和相對入水深度負(fù)相關(guān)，與波陡正相關(guān)。劉曉曦［37］提出密排高樁半圓體沉箱防波堤結(jié)構(gòu)型式，上部結(jié)構(gòu)采用半圓體沉箱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力較好且混凝土用量少，外側(cè)樁基布置為前后交錯(cuò)的密排樁，每根樁泥面以上在兩側(cè)設(shè)置擋板，實(shí)現(xiàn)了良好的擋浪效果，該結(jié)構(gòu)適用于軟基厚，波高大而波陡小的海洋環(huán)境。解曉敏［38］通過物理模型試驗(yàn)比較了方形梳式透空堤與弧形梳式透空堤的受力特性，得出當(dāng)?shù)添敵^靜水面以及堤頂與靜水面齊平時(shí)弧形梳式透空堤比方形梳式透空堤受力小，當(dāng)?shù)添敻叨鹊陀陟o水面時(shí)反之。Rezaei等［39］研究孤立波與雙體船型透空堤的相互作用，發(fā)現(xiàn)透射系數(shù)與相對入水深度和相對間距負(fù)相關(guān)，以相對入水深度0.4為臨界點(diǎn)，小于該值時(shí)透射系數(shù)顯著變化。

2.5 橫板透空堤

橫板透空堤的板面與波浪入射方向接近平行，與樁基透空堤和沉箱透空堤主要利用結(jié)構(gòu)對波浪的反射作用消浪的原理不同，橫板透空堤利用波浪的淺水效應(yīng)達(dá)到降低結(jié)構(gòu)物后波高的目的，主要包括平板透空堤和弧板透空堤等。

平板透空堤結(jié)構(gòu)型式如圖12所示。Cho等［40］通過特征函數(shù)展開法和模型試驗(yàn)研究浸沒水平多孔板透空堤與傾斜入射波的相互作用，發(fā)現(xiàn)水平板透空率為0.1，平板相對浸沒深度為0.05～0.1。較大的波入射角下具有較好的消波效果。黃洛楓等［41］提出一種綜合的CFD+CSM方法動態(tài)模擬非線性海浪與浸沒式水平板透空堤之間的完全耦合水彈性相互作用，發(fā)現(xiàn)可變形浸沒式水平板透空堤比剛性浸沒式水平板透空堤具有更好的波浪阻尼性能且可變形浸沒式水平板透空堤接近入射波振幅時(shí)消波效果最好。部分研究人員考慮將水平板透空堤作為波浪能轉(zhuǎn)換利用的關(guān)鍵部件。賀銘等［42］利用復(fù)合形法研究浸沒式水平板透空堤兼波浪能轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)配置問題，發(fā)現(xiàn)相對板寬為0.38～0.85、相對浸沒深度為0.05～0.11時(shí)，最小透射系數(shù)為0.06～0.27；相對板寬為0.24～0.25、相對浸沒深度為0.13～0.17時(shí)，最大能量轉(zhuǎn)換效率在2.3%～7.8%。

波浪與單層水平板相互作用的大部分波浪能量通過水平板與海底之間的空隙進(jìn)行傳遞，為能提升平板對波浪的掩護(hù)作用并更好地適應(yīng)潮位變化，使用兩至多層水平板結(jié)構(gòu)的想法引起研究人員的興趣［43］。Neelamani等［44］通過模型試驗(yàn)研究平頂?shù)虇纹桨搴碗p平板透空堤的透射系數(shù)、反射系數(shù)和

板表面壓力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)雙平板具有更好的消波性能且隨相對板寬B/L和相對間距[s/d]的增加反射系數(shù)增加，透射系數(shù)降低。劉勇等［45］發(fā)現(xiàn)相對板寬為0.25～0.40時(shí)，雙層和單層水平多孔板透空堤為達(dá)到相同的透射系數(shù)時(shí)，雙層板所需的寬度較小。對于雙層多孔板式透空堤，上板的透空率小于下板的透空率時(shí)消波效果較好。唐琰林［46］基于雙層水平板透空堤，通過物理模型研究了透射系數(shù)隨相對板寬[B/L]、相對水深[d/L]、相對板間距[s/d]和波陡[H/L]的變化規(guī)律，得出對于規(guī)則波，當(dāng)[B/L=0.4、s/d=0.3]且板型堤為出水堤的情況下透射系數(shù)最??；對于不規(guī)則波，當(dāng)[B/L=0.5、s/d=0.3]且板型堤為平頂?shù)痰那闆r下透射系數(shù)最小，并通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算了該結(jié)構(gòu)消波效果及受力特性。王國玉等［43，47］提出多層水平板透空堤結(jié)構(gòu)，研究了相對寬度[B/L]、相對水深[d/L]、相對厚度[Δ/d]、波陡[H/L]、相對板間距[s/d]和層數(shù)對透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)增加水平板的厚度和數(shù)量能增強(qiáng)消波效果，單一模型較相同總寬度的間距放置組合模型消波效果更好。

弧板透空堤的淺水效應(yīng)更加顯著，可同時(shí)破壞水質(zhì)點(diǎn)豎向和橫向運(yùn)動軌跡，迎浪面積較大，因此消波效果更好，結(jié)構(gòu)型式如圖13所示。吳瑤瑤等［48］通過Fluent軟件的UDF編程研究相對潛深、入射波周期、相對波高、相對板寬和結(jié)構(gòu)型式對平板和弧板防波堤透射系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在相同波況下，靜水面及其上0.02和0.04 m位置處，弧板透空堤較平板透空堤具有更好的消波效果。李雪艷等［49］通過建立數(shù)值模型比較水平板、下弧板和上弧板3種透空堤在不同相對板寬[B/L]、波高[H]、潛深[r]和周期[T]下的消浪效果，發(fā)現(xiàn)下弧板透空堤具有較小的透射系數(shù)和反射系數(shù)。王國玉等［50］研究發(fā)現(xiàn)，表面弧型板比水下弧型板具有更好的波浪衰減，弧形相對高度較小的弧板透空堤可比相對高度較大的弧板透空堤消耗散更多的波浪能量。Teh等［51］通過試驗(yàn)研究透空率為0%、9%、18%和27%的半圓型板透空堤的水動力特性，提出半圓形板透空堤透射系數(shù)、反射系數(shù)和水平波浪力系數(shù)的擬合公式。

與單層平板增加到兩至多層的思路一致，王麗雪等［52］提出雙弧板透空堤，通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙弧板透空堤的透射系數(shù)與相對板寬[B/L]負(fù)相關(guān)，當(dāng)[B/Lgt;0.17]時(shí)，其較雙平板透空堤透射系數(shù)最高降低29.7%；[r/d=-0.05]的出水狀態(tài)透射系數(shù)均在0.5以下。潘春昌等［53］提出多層圓弧板新型透空式防波堤結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)相對板寬[B/Lgt;0.25]時(shí)，透射系數(shù)較平板結(jié)構(gòu)減小50%，適當(dāng)減小圓弧板間距[s]和增加圓弧板層數(shù)能提高結(jié)構(gòu)的消波性能。

2.6 組合透空堤

組合透空堤將水平板和擋浪板結(jié)構(gòu)結(jié)合，同時(shí)利用透空堤對波浪的反射作用和淺水效應(yīng)，優(yōu)化消波效果，結(jié)構(gòu)型式如圖14所示。

何軍等［54］通過模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得出T型透空堤適用于較深和使用期較短的海域。呂行等［55］提出水平板透空堤與垂直板透空堤結(jié)合的開孔工字板組合式透空堤。工字板的間隙布置構(gòu)成多室多層的消浪結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)構(gòu)能量消耗，有效降低了波浪法向力和結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)安全。王晶等［56］提出適用于長周期波況的組合透空堤結(jié)構(gòu)，其由迎浪面和上下部為間隙預(yù)制板、背浪面為實(shí)體擋板。上下層的預(yù)制板錯(cuò)開布置，同時(shí)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)消波效果和穩(wěn)定性。程永舟等［57］在王晶等提出的組合透空堤基礎(chǔ)上增加了中層板，提出一種3層格柵板式防波堤結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)相對波長為4時(shí)，防波堤透射系數(shù)仍小于0.5。通過模型試驗(yàn)得到防波堤透射系數(shù)與上下層平板相對間距負(fù)相關(guān)，上下層格柵板最佳間隙比為0.1。李昌良等［58］提出水平斜插板透空堤結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)透射系數(shù)與斜板角度和相對板間距正相關(guān)，相對板寬負(fù)相關(guān)；波陡為0.045～0.060、相對出水高度為0.125時(shí)，透射系數(shù)最小。

3 結(jié) 論

本文對過去幾十年來固定式透空堤結(jié)構(gòu)型式的研究和發(fā)展進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，將固定式透空堤分為排樁透空堤、樁基透空堤、沉箱透空堤、樁基沉箱透空堤、橫板透空堤和組合透空堤等結(jié)構(gòu)型式。排樁透空堤是較簡單的結(jié)構(gòu)型式，樁結(jié)構(gòu)兼具支撐和消波作用，優(yōu)化方式有加肋和變徑等；在樁結(jié)構(gòu)上安裝擋浪板，可改善消浪效果，發(fā)展為樁基透空堤，優(yōu)化方式包括多排布置等；沉箱透空堤由間隔沉箱布置而成，可在上部添加或改進(jìn)擋浪結(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)消波和受力的綜合效益；將樁基透空堤擋浪板替換成沉箱結(jié)構(gòu)，形成樁基沉箱透空堤，通過改變沉箱型式和樁基布置方式改良結(jié)構(gòu)；與上述結(jié)構(gòu)擋浪的消波原理不同，橫板透空堤利用波浪的淺水效應(yīng)降低結(jié)構(gòu)物后波高，多層布置有利于提高消波效果；組合透空堤將結(jié)構(gòu)對波浪的擋浪作用和淺水效應(yīng)結(jié)合，進(jìn)一步提高了消波效率。固定式透空堤和海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，助力光伏發(fā)電走向深海，對中國發(fā)展綠色能源和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)大有裨益。

3.1 存在的問題

固定式透空堤不斷地改進(jìn)，使消波性能更優(yōu)，結(jié)構(gòu)受力更加合理，但仍存在以下不足，主要表現(xiàn)為：

1）固定式透空堤下部分透空結(jié)構(gòu)允許部分能量進(jìn)入堤后，因此對于長周期波浪的消波效果有限，當(dāng)前難以廣泛作為永久性消浪設(shè)施；

2）上部擋浪結(jié)構(gòu)與波浪相互作用，產(chǎn)生的波浪力傳遞到下部的支撐結(jié)構(gòu)，尤其在大波高長周期波況下結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性較差；

3）消波結(jié)構(gòu)承受較大波浪沖擊力和托浮力，支撐樁結(jié)構(gòu)承受較大傾覆力，長期波浪荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞破壞問題研究較少；

4）國內(nèi)外研究成果大多是基于正向波浪的情況，實(shí)際上透空堤多受斜向波浪的作用，而透空堤與斜向波浪相互作用的研究較少。

3.2 趨勢展望

海洋強(qiáng)國的建設(shè)離不開固定式透空堤結(jié)構(gòu)型式的不斷發(fā)展優(yōu)化。相對平穩(wěn)的海洋環(huán)境是包括海上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的絕大多數(shù)工程項(xiàng)目安全運(yùn)行的關(guān)鍵保障，尤其是在走向深海的過程中，對海況穩(wěn)定性的依賴程度更高。固定式透空堤的發(fā)展趨勢包含以下3個(gè)方面的內(nèi)容：

1）與光伏系統(tǒng)和風(fēng)電系統(tǒng)等海洋新興產(chǎn)業(yè)有機(jī)結(jié)合，在保證固定式透空堤消波效果的基礎(chǔ)上降低成本，助力新能源利用走向深海。

2）流體-結(jié)構(gòu)耦合研究。固定式透空堤的樁基礎(chǔ)承受較大的波浪沖擊荷載和循環(huán)荷載，通過流固耦合分析研究樁基礎(chǔ)在極端波況和常見波況下的承載力和破壞機(jī)制等，從而研究出結(jié)構(gòu)受力合理、安全性好、便于施工的透空式防波堤結(jié)構(gòu)型式。

3）與海洋能量轉(zhuǎn)換器集成。固定式透空堤為海洋能量轉(zhuǎn)換器的建造和運(yùn)維提供便利，集成裝置具有成本優(yōu)勢，為海洋波浪能利用提供可能。

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RESEARCH PROGRESS ON STRUCTURAL TYPES OF FIXED

PERMEABLE BREAKWATERS FOR OFFSHORE PHOTOVOLTAIC PERIMETER PROTECTION

Lian Jijian1，2，Chen Yanjia1，2，Wang Xiaoqun1，3，4，Wang Xiaowei3，4，Liu Run1，2

（1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China；

2. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China；

3. School of Water Conservancy and Hydroelectric Power， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China；

4. Hebei Provincial Key Laboratory of Smart Water Conservancy， Handan 056038， China）

Abstract：Permeable fixed breakwaters can improve the deep-sea maintenance environment of floating photovoltaic power generation systems. According to wave attenuation principles or structural style， they can be categorized into six types， i.e.， row piles， pile foundations， caissons， caissons on pile foundation， horizontal plates， and hybrid structures. A literature review is presented on the progress and development of the permeable fixed breakwaters study. The methodology， structural characteristics， wave attenuation performance and engineering applications of different structural types are reviewed and discussed， as well as summarizing the shortcomings of the current research and prospecting the future development direction.

Keywords：photovoltaic power； marine engineering； breakwaters； hydraulic structures； offshore floating photovoltaic； permeable structures