一种浮式防波堤的水中翻身方案研究

顾辰驰，蒋志勇

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 浮式防波堤

浮式防波堤通常由金属、钢筋混凝土和塑料等材料制造的浮式构件和锚泊系统组成的防浪设施，其主要优点是有很强的海水交换功能，可防止海水污染;随着水深的增加，其造价比固定式要便宜得多;可以很容易地应用在软海床水域，不需要进行地基处理;安放位置可以很容易地改变;浮体、缆绳和锚具都很容易制造;可任意拆迁，重复使用;建造周期短，速度快。现有的浮式防波堤有以下基本结构:浮箱式浮式防波堤、浮筒式浮式防波堤、浮筏式浮式防波堤。

防波堤由4个部分组成，包括2个浮筒、14 根连接柱和防浪网，总长度为20 m，宽为10 m。浮筒直径为4 m，壁厚为0.15 m，浮筒为钢筋混凝土结构，设置直径50 mm的钢筋24 根。连接柱直径为0.5 m，长度为2 m，也是钢筋混凝土结构，内部设有直径32 mm的钢筋21 根。防浪网外部是由钢架构成，高度为7.5 m，防浪网网目尺寸为40 mm，网线粗度为210 D/90 股(2.35 mm)。防浪网内部设有防浪球，防浪球布满1/3 防浪网的空间，防浪球为外径150 mm、内径79 mm的聚乙酸乙烯脂橡胶球(重力等于浮力)。防浪网下设有沉子，为每个5 kg的石块，如图1所示:

图1 浮式防波堤Fig.1 Floating breakwater

使用拖航方式将浮式防波堤运输至工作海域，为了减小拖航阻力，拖航中防浪网部分会置于水面以上，因此拖船将防波堤拖至工作海域后，在定位锚泊之前，需对防波堤进行翻身。为了控制成本，在安装过程中不考虑使用浮吊等大型起重设备，通过向单个浮筒中注水，使防波堤结构失稳倾覆，再通过拖拽、抽水的操作完成翻身。

1 数值模拟计算

首先采用Maxsurf 对浮式防波堤进行建模，将模型导入Hydromax，利用Equilibrium Analysis 模块进行计算，验证方案的可行性。

关于软件建模的几点说明:由于Maxsurf 软件建模的限制性，该模型中并没有将防浪网部分的结构进行建模，而是直接将防浪网作为载荷加入，直接输入重量重心，即在设置Loadcase 时将防浪网部分的结构也作为Loadcase的一项内容。由于防浪网的排水体积很小，与其重量相比可忽略，因而可作此简化。

在该模型中未考虑防浪球的重量。课题需研究防波堤翻身方案的可行性，在该注水翻身方案中，防波堤处于关键浮态时，防浪网结构均完全浸没，即防浪球的重量对防波堤翻转运动的影响较小。因此为了方便建模，防浪球的重力可进行忽略。为了验证该忽略操作的可行性，笔者在计算时尝试添加过防浪球的重力进行模拟计算，结果证明了在防浪网部分结构浸没之前，在Loadcase 中加入防浪球的重量对右舷旋转角度也几乎没有影响。在设置浮筒中的进水量时，为了方便计算，设置了4个水位线，分别是1/4 D (925 mm)，1/2D (1 850 mm)，3/4D(2 775 mm)，D(3 700 mm)，用水位线来描述浮筒中加载水的量。

第1 次模拟计算的4个水位线对应的右舷旋转角度如表1所示。

表1 右舷旋转角度Tab.1 Rotation angles of starboard

浮筒内液面高度位于925～1 850 mm和2 775～3 700 mm 时，液面增加相同高度时，防波堤的旋转角度相对较小，即旋转速度较小，而当液面高度位于1 850～2 775 mm 时，防波堤的旋转速度较快。造成这种现象可能的原因有:1)随着旋转角度的增大，防浪网部分结构重力作用的力矩变大，使得防浪网部分结构对防波堤旋转运动的影响更大;2)由于在描述浮筒内进水量时采用的量是浮筒内的液面高度，因此当液面高度越接近1 850 mm，也就是液面越接近圆心时，增加单位高度的水相应的增加的水量要大于液面高度较小时，因此当液面高度位于1 850～2 775 mm 时，实际进水速度更快。

为了进一步研究防波堤旋转运动速度变化的规律，又添加了9个水量，分别是9/16D (2 081.25 mm)，10/16D (2 312.5 mm)，41/64D (2 370.3 mm)，42/64D (2 428.13 mm)，43/64D (2 485.94 mm)，11/16D (2 543.75 mm)，45/64D (2 601.6 mm)，46/64D(2 659.4 mm)，47/64D(2 717.2 mm)。这9个水量都位于1 850～2 775 mm 之间。增加Loadcase后再次进行计算，对计算结果汇总如表2所示。

加载水深度达到2 500 mm 左右时，防波堤的旋转速度存在一个急增现象，因此在旋转过程中可能会出现旋转速度过大的现象。同时，注意到旋转速度发生急增时，防波堤旋转的角度在25°～75°之间，在这样的旋转角度区间中，防浪网结构部分会进行入水，防浪网结构入水时如果速度过大，拍击水面的力度就会很大，会使结构的安全性和完整性受到威胁。因此，为了安全地完成翻身操作，在防波堤翻身过程中，不应该让其自由旋转，需要采取措施，保证防波堤的旋转速度在合理的范围内。

表2 所有Loadcase 对应的右舷旋转角度Tab.2 Starboard rotation angles of all loadcases

当液面高度为3 700 mm 时，也就是当单个浮筒中注满水时，右舷的旋转角度为90.7°，角度大于90°，此时如果对该浮筒进行排水操作，防波堤会保持原来的旋转方向进行旋转，因此从可行性角度上来看，该翻身方案可以完成防波堤的翻身。

然而，注满水的旋转角度仅仅是略微大于90°，在实际海况下，需要综合考虑风、浪、流对防波堤的影响，因此在实际翻身过程中如果不施加外力，对防波堤的翻身进行协助，极有可能无法顺利完成防波堤的翻身。因此，虽然该翻身方案中在理论上可以不借助外力的干涉对防波堤进行翻身，但在实际工程施工中，还是建议施加外力协助翻身。

在进行模型实验时，首先需要观察翻身方案的可行性，同时，也需注意在旋转过程中，旋转速度的变化是否与数值模拟计算时表现一致。

2 模型实验

综合模型制作的可行性、实验结果的准确性以及实验操作的便捷性，确定模型的缩尺比为1∶20。模型采用内外筒之间填砂的配重方法进行配重，通过计算验证，内筒采用内径180 mm的管代替185 mm的管，填砂配重后的模型重量与按缩尺比计算后的重量非常接近。

在浮式防波堤的一个浮筒上设置4个进/出水管。其目的是方便进出水时的排气和进气，又因为旋转过程会改变水管的位置(上到下和下到上)，因此上下都设置可以确保能将水全部排出。在浮筒长度方向设置2 组水管同样也是为了确保能将水全部排出，如果只有一边有水管，一旦发生纵倾，极有可能水全部停留在没有水管的一边，使得排水出现问题。

模型中防浪网部分的制作方案:选取5 mm的钢筋制作防浪网，制作2个防浪网，一个为标准缩尺比尺寸，同网格的防浪网，另外一个只制作外围钢架部分。其目的是:从数值模拟结果的分析中我们已经得出不加外力的情况下，防波堤最终的旋转角度只能稍大于90°，在实际操作过程中需要施加外力。上述方案中2个防浪网结构的质量一定会大于所需的0.149 kg，这样制作在结构上维持了模型的完整性，多出的质量可以看作为对翻身的加载力，2个不同质量的防浪网可以作为2 种不同大小的加载。同样，由于防浪球的重量对翻身没有影响，模型中也不放置防浪球。

注/抽水方案:使用高位水槽压力注水。选用该注水方式是考虑到注水速度的线性，同时采用这种方法也能较好的控制注水速度。抽水则采用的是抽水泵进行。模型如图2所示。

图2 实验模型Fig.2 Experiment model

浮式防波堤的翻身实验分为3个部分:第1 部分实验为不安装防浪网，直接注水、抽水进行翻身;第2 部分实验为安装全尺寸防浪网进行翻身实验;第3部分实验为安装减重的防浪网进行防波堤翻身实验。

3个实验的目的与作用分别是:

实验1为模拟防波堤真实的翻身过程(见图3)，从前文分析可知，不含防浪球的防浪网部分结构的质量与浮筒质量相比很小，因此其对翻身过程的影响也可近似忽略;

实验2 增加安装了全尺寸的防浪网(见图4)，经测量，该防浪网的质量3.1 kg，而防波堤实物中防浪网加上防浪球的总质量为27.57 t，按缩尺比换算所得模型中的该结构重量为3.4 kg，因此实验2可以近似模拟装有防浪网中带防浪球结构的浮式防波堤的翻身情况，但仅仅是防浪网在水面以上的运动情况具有研究意义，注满水后的中间浮态没有研究意义，因此，该实验主要用来验证防浪球部分对防浪网入水前翻转运动的影响;

实验3 中使用了减重的防浪网(见图5)，防浪网的质量为1.2 kg。由于场地限制和模型结构限制，在实验中无法很好地完成辅助外力的施加，因此用增加防浪网结构重量的方法替代辅助外力，从而完成施加外力对浮式防波堤翻身影响的研究。

图3 实验1Fig.3 Experiment 1

图4 实验2Fig.4 Experiment 2

图5 实验3Fig.5 Experiment 3

3 实验结果分析和建议

从实验结果可以看出，利用向单个浮筒中注水、抽水进行浮式防波堤翻身的方案可行。

在翻身方案确定的初期阶段曾进行过是否需要增加外力协助防波堤翻身的讨论，最初单从防波堤的自身结构特点来考虑，防波堤可以在没有外力协助的情况下完成翻身。经过数值模拟计算，发现在没有外力协助时，防波堤的翻身有可能会出现问题。模型实验结果再次验证了数值模拟中得出的结论。实验1 中的防波堤模型的重心分布情况与防波堤实物的重心分布情况最为接近，而在实验过程中发现，只有施加外力，使得防波堤模型从平衡位置再偏转一定的角度(约5°)时，才能使翻身正常完成。

图6 外力施加方案Fig.6 Plan for exerting external force

使用该翻身方案同时也需要施加外力协助。实际施工中的外力协助方案如图6所示。通过在防浪网结构的顶端施加拉力，协助防波堤翻身。有可能遇到的问题是防浪网的强度不够，无法承受旋转防波堤所需的弯矩。因此使用该方案前需要先校核防浪网结构的强度。如果防浪网强度不够，可使用图7所示的候补协助方案。候补方案中缆绳的连接点为浮筒外侧的锚链孔。

图7 候补方案Fig.7 Backup plan

实验过程中发现，如果不对防波堤模型的位置进行固定，随着注水，重心位置变化带来的旋转和其他方向的运动使得防波堤模型的位置就会一直移动。防波堤实物在工作海域进行翻身施工时，加上风浪影响，这种现象会更严重，因此在翻身过程中需要对防波堤进行定位。防波堤的定位方案如图8所示。

图8 定位方案Fig.8 Locating plan

另外，定位装置在防波堤翻身过程中还可以起到其他作用。无论是数值模拟计算结果还是模型实验结果都表明，在防波堤翻身旋转的过程中，有一个阶段旋转速度会急增，因此在现场施工时需要采取措施防止防波堤旋转速度过快。防波堤定位时所使用的缆绳即可以帮助减缓旋转速度。定位时1、2、3、4 号四根缆绳均为收紧状态，在翻身过程中可以随着防波堤的旋转逐渐放松1 号和2 号缆绳，通过缆绳的收放控制防波堤的旋转，确保防波堤能安全地进行翻身。

4 结 语

通过Maxsurf 软件的数值模拟计算以及模型实验，得到了以下结论:

1)利用向一个浮筒中注水使防波堤失稳，再通过抽水完成防波堤翻身的方案可行;

2)翻身过程中需要施加外力协助防波堤翻身。由于单浮筒注满水后防波堤的右舷旋转角度不能完全满足翻身，因此外力的协助必须，同时提出了2种可行的施力方式;

3)翻身过程中需对防波堤进行定位以确保翻身操作的安全性;

4)翻身过程中需要控制防波堤的旋转速度，确保翻身操作的安全性、防波堤结构的完好，可借助防波堤的定位缆绳实现对旋转速度的控制。

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