一种新型浮式防波堤消浪效果及锚链力数值研究

李绍武，邹鹏旭，陈汉宝

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

一种新型浮式防波堤消浪效果及锚链力数值研究

李绍武1，邹鹏旭1，陈汉宝2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

对一种适合于救助打捞、工程临时防护等应急防浪情况的新型应急浮式防波堤进行了研究。运用FLOW3D软件模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程，探讨了波陡H/L及相对吃水深度D/d对新型应急浮式防波堤透射系数以及锚链力的影响，并与波浪水槽内系列物理模型试验结果进行比较，验证了数学模型计算结果。研究结果表明，波周期是影响新型应急浮式防波堤透射系数及锚链力的重要因素，周期越大，透射系数及锚链力也越大，而相对吃水深度只在一定范围内对透射系数及锚链力有影响。该新型应急浮式防波堤的消浪效果良好，为其推广应用提供参考依据。

应急型浮式防波堤；透射系数；锚链力；数学模型

近年来，受全球气候条件的影响，恶劣海况频次有逐年提升态势［1］，造成海上重大灾害事件频发，从而对救助打捞工作提出了更高要求［2］。此外，随着我国港口建设向离岸及深水发展，港口建设期经常会遭受大风、大浪的袭击，如何有效地改善外海施工条件的问题也日益凸显。这些情况下需要一种拆装方便、布设速度快、能够适应较恶劣海况条件，且造价相对较低的应急防浪结构来减弱波浪，以保障海上救助作业、港口施工期各类作业以及其他海洋活动的正常进行。

基于港口应急防浪需要，对一种新型应急浮式防波堤开展研究。该新型应急浮式防波堤是一种由三管组合消波单元串联而成的浮式结构（图1）。每个消波单元内有三个消浪管，三管纵向上水平放置，断面上布置成三角形，且由带有快速锁扣的紧固架组装而成。每一根紧固架的两侧分别固定一台自收紧锚索电机，自收紧锚索电机与锚索连接，锚索的底端通过锚钩固定。每个消浪管内部放置一气囊，此气囊遇水可快速自动充气，并可通过端部的出气孔快速有效地调节消浪管的吃水深度。该防波堤具有使用灵活、造价低、可重复利用、组装速度快、方便运输安装等特点，比较适合于救助打捞、工程临时防护等应急防浪情况。

图1 新型应急浮式防波堤结构示意图Fig.1 Sketch of new⁃type floating breakwater

国内外许多学者对浮式防波堤的新型结构以及分析方法开展了大量研究。KiranKamath［3］等人提出一种水平交错多层系泊浮管式防波堤结构（HIMMFPB），并通过物理模型试验，研究相对板宽以及相对吃水深度对透浪性能的影响，发现透射系数随着相对板宽以及相对吃水深度的增大而减小。Chun-Yan Ji［4］等人提出一种圆筒形浮式防波堤（CFB）结构，该浮式防波堤通过柔性网笼及内置悬浮小球干扰其附近水体的运动使波能衰减，通过物理模型试验研究浮式防波堤的透射系数、锚链力和运动特性，试验结果表明，新型浮式防波堤消浪效果优于传统双浮筒式及矩形方箱式浮式防波堤，且对长周期、大波高情况消浪效果显著。Mizutani N［5］基于VOF方法对波浪与矩形浮式防波堤作用下的波浪破碎进行数值分析，通过建立二维数值模型，计算波浪与结构物相互作用的非线性问题。李靖波［6］等人基于VOF方法建立了波浪与潜式双层水平板型防波堤相互作用的数值模型，分析了透射系数随相对波高及波陡等影响因素的变化规律，并用最小二乘法拟合出了透射系数的实用计算公式。

综合考虑前人研究成果，浮式防波堤设计的主要参数是其透射系数和锚链力，本文拟采用数学模型方法就此开展研究。

图2 防波堤附近网格剖分Fig.2 Meshes around floating breakwater model

1 数学模型的建立

数值波浪水槽长45 m，宽0.5 m，高1.1 m，水槽末端设置孔隙结构进行消浪。根据经验，孔隙消浪结构的孔隙率取为0.8，粒径取0.1［7］。防波堤单根消浪管直径为75 mm，吃水深度为总高度的0.6倍。浮体质量为2.18 kg，对重心轴的惯性矩为0.005 5 kg·m2。浮式防波堤的运动采用GMO流固耦合模块来计算，同时可以输出锚链力结果。在防波堤每个消波单元的迎浪和背浪侧各配置两根锚链，锚链布链方式可分为对称布置和非对称布置。考虑到来浪的不确定性以及结构受力的均匀性要求，采用对称布置［8］。锚链长度取水深两倍，锚链刚度K=370.4 N/m。

图3 物理模型试验布置示意图Fig.3 Layout of physical model experiment

计算网格最大尺寸为2 cm，在水面处一个波高范围内以及浮式堤周围对网格加密，尺寸取为0.5 cm。网格纵横比均控制在1.25以下（图2）。

图4 数学模型与水槽试验结果对比Fig.4 Comparison between numerical and experimental results

2 数学模型的验证

为验证数学模型计算的准确性，在波浪水槽中进行了模型试验。

2.1 实体水槽布置

水槽尺度与数学模型一致（图3）。造波机采用活塞式推波板，防波堤模型距离造波板22.35 m，数据采集在二次反射波浪到达模型前完成。在模型前布置2根浪高仪，用来进行入反射分离，分离方法采用Goda的两点法［9］，模型后布置3根浪高仪。

2.2 水槽试验设备

波高采用电容式波高传感器进行测量。消浪管采用与数学模型相同的直径75 mm的PVC管制作，内部空间填充泡沫。浮体模型质量与惯性矩均与数学模型保持一致。锚链采用直径1 mm的尼龙缆与直径5 mm的定制弹簧连接而成，锚链的弹性刚度通过定制弹簧来模拟，弹簧刚度与数学模型一致。

2.3 水槽试验条件

试验组次与数学模型相同，入射波采用规则波，试验水深分别为0.375 m、0.625 m和0.875 m；试验周期分别为0.79 s、0.95 s、1.26 s、1.58 s、1.9 s和2.21 s；试验波高分别为3.75 cm、7.5 cm和12.5 cm。

采样时间间隔为波周期的1/20，连续采集10个波周期。为减小实验误差，每个组次重复三遍取其平均值。

2.4 实体水槽试验与数值水槽计算结果对比

对比相同波高及水深条件下的数学模型与水槽试验结果，堤前波高相对误差最大为8.86%，堤后波高相对误差最大为5.43%。图4为数学模型与水槽试验结果的堤后波高及锚链力比较情况。可知，数学模型计算结果与物理模型试验结果基本一致。

3 数学模型计算结果分析

影响浮式防波堤入反射、透射特性及锚链力的主要因素包括吃水深度D、水深d、波高H、波长L等，则透射系数Kt与各影响因素间的关系可以表示为

式中：Ht为堤后透射波高，Hi为堤前入射波高，将该函数中变量表示为无因次量形式，根据数学模型计算结果，重点分析波陡H/L及相对吃水深度D/d对透射特性及锚链力的影响。

3.1 波陡对透射系数的影响

图5 相同水深情况下透射系数随波陡的变化Fig.5 Variation of transmission coefficient Ktvs. wave steepness H/L under the same wave depth

图6 相同水深情况下透射系数随相对吃水深度的变化Fig.6 Variation of transmission coefficient Ktvs.relative draft D/d under the same wave depth

图5为相同水深、不同波高下，改变波周期，得到的透射系数Kt随波陡变化的数学模型计算结果，可知，透射系数随着波陡的增大而减小的规律性十分明显。该结构对于波陡大于0.06的情况防浪效果较好，波陡小于0.06后透射系数明显增大。另外，还可以看出对于同一水深条件下的3个波高情况，波高较大时的透射系数大于波高较小的情况，这主要是因为随着波高增大，越浪加剧。

3.2 相对吃水深度对透射系数的影响

图7 不同周期情况下锚链力随波陡的变化Fig.7 Variation of mooring force vs.wave steepness H/L under different wave period

所有组次波高均为12.5 cm，水深分为0.375 m、0.625 m和0.875 m 3种情况，周期分为0.76 s、1.26 s和1.58 s三种情况。图6为透射系数Kt随相对吃水深度变化的计算结果，可知，透射系数随着相对吃水深度的增大大体呈线性递减趋势，且周期越短递减越快。这是因为吃水深度越大，浮体有效挡水面积越大，从而透射系数越小。（b）、（c）两组透射系数相差不大，说明相对吃水对透射系数只在一定范围内产生影响。

3.3 波陡对锚链力的影响

由于浮体迎浪面的锚链力较大，而背浪面的锚链力较小，因此，主要以迎浪面的锚链力进行分析。取锚链力多个波周期峰值的平均作为单根锚链受力的最大值。图7为不同周期下，改变波高时，锚链力随波陡的变化，可知，波高增大，锚链力也增大，但不同周期情况下，锚链力随波高增加的趋势相差很大，周期越长，锚链力随波高增加的速率越快，表明长周期波对锚链力的影响需要得到重视。

图8 相同水深情况下锚链力随相对吃水深度的变化Fig.8 Variation of mooring force vs.relative draft D/d under the same wave depth

3.4 相对吃水深度对锚链力的影响

所有组次波高均为12.5 cm，水深分为0.375 m、0.625 m和0.875 m 3种情况，周期分为0.76 s、1.26 s和1.58 s 3种情况。图8为周期不变，锚链力随相对吃水深度变化的计算结果，可知，锚链力随着相对吃水深度的增大呈递减趋势，且周期越长，锚链力随相对吃水深度增加而递减的速率越快。但随着相对吃水深度的增加，相对吃水深度对锚链力的影响减弱，说明相对吃水对锚链力只在一定范围内产生影响。

4 结论及建议

本文主要结论如下：

（1）波浪周期是影响浮式防波堤透射系数及锚链力的一个关键因素，周期越大，透射系数及锚链力也越大；

（2）相对吃水深度越大，透射系数越小，且周期越小，该规律性越明显，但相对吃水超过一定值后透射系数变化不明显；

（3）相对吃水深度越大，锚链力越小，且周期越大，该规律性越明显，但随着相对吃水深度的增加，其对锚链力的影响减弱；

（4）该结构对于波陡大于0.06的情况防浪效果较好。

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Numerical study on wave⁃dissipating performance and mooring force of a new type of floating breakwater

LI Shao⁃wu1,ZOU Peng⁃xu1,CHEN Han⁃bao2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072, China;2.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）

A new type of floating breakwater was presented for the application to emergency aiding and tempo⁃rary protection.FLOW3D software was used to simulate the movement of the floating breakwater under regular wave.The influence of wave steepness H/L and relative draft D/d on the transmission coefficient and mooring forces was investigated.The numerical model was validated by comparing the results of flume experiment.Numerical re⁃sults indicate that wave period has an important effect on the transmission coefficient and mooring force,and the transmission coefficient and mooring force are increased with wave period,while the relative draft are less determi⁃nant in the transmission coefficient and mooring force.The wave dissipation effect of this structure is fine,which provides a reference for its application.

floating breakwater for emergency;transmission coefficient;mooring forces;numerical model

U 656.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）06-0573-05

2016-04-05；

：2016-05-03

李绍武（1962-），男，山东省人，教授，主要从事海岸动力学及海岸工程研究工作。

Biography：LI Shao⁃wu（1962-），male，professor.