浮箱式浮防波堤锚泊系统受力试验研究

董华洋，王永学，陈燕珍( .国家海洋局大连海洋环境监测中心站，辽宁大连600; .大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连604)*

浮箱式浮防波堤锚泊系统受力试验研究

董华洋1，2，王永学2，陈燕珍1
( 1.国家海洋局大连海洋环境监测中心站，辽宁大连116001; 2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)*

通过物理模型试验研究了在规则波作用下浮箱式浮防波堤的锚链受力状况，探讨了改变浮箱式浮防波堤锚链相对拖地系数、锚链刚度系数、导链孔处倾角以及相对宽度对锚链受力产生的影响.试验结果表明改变锚链刚度系数、锚链相对拖地系数和相对宽度对于模型的锚链受力影响最为明显.从而为锚链锚泊浮式防波堤应用于工程实践提供依据.

浮式防波堤;锚链受力;物模试验

0 引言

浮式防波堤是一种应用在波浪能量相对较低而没必要修建坐底式防波堤、水深及基床条件差而修建坐底式防波堤又十分困难的水域，其具有造价比固定式的防波堤低廉，浮体、缆绳和锚具容易制造等优点.目前浮式防波堤已有一些应用实例［1-2］:我国于2002年在连云港港口棋台山海域经过40 d的施工建成了沿海第一条浮式防波堤，堤长为1 000 m［3］;目前世界上最大的浮箱式浮防波堤是位于摩洛哥拉巴特港的浮式防波堤，由钢筋混凝土制成，长352 m、宽28 m，总重量1.3万吨，造价为3.3亿欧元.由此可见，浮式防波堤的应用前景十分广阔［4-7］.

锚链锚泊浮箱式浮防波堤是目前工程上应用较多的一种浮式防波堤结构型式，国内外学者均对该型式防波堤进行过物理模型试验研究.Shunichi等［8］对于带内外翼板的双浮箱浮式防波堤消波性能进行试验研究，试验结果指出用弹簧代替实际的锚链刚度，得出的透射系数要比用实际锚链模拟得出的结果大一些; Mizutani和Rahman［9］对三种浮式防波堤(二种用透空板锚泊，另外一种为锚链锚泊)进行了试验研究，试验测量了透射、反射波高，浮堤的运动等; Fernandes［10］在试验研究中指出，用弹簧代替实际锚链的刚度对于浮式防波堤消波性能没有什么影响，但得出的锚链受力比实际稍大一些.盛祖荫和孙龙［11］对锚链锚泊的矩形浮箱式浮防波堤进行了试验研究，结果表明浮箱式浮防波堤的消波效果主要取决于浮箱的挡水面积;胡嵋等［12］对二种浮箱结构型式( L型中浮箱和L型边浮箱)的防波堤，三种类型( L型边浮箱、H型边浮箱和T型边浮箱)的浮式浮防波堤进行了物理模型试验研究并给出了透射系数的试验结果.由上述文献可知，锚链锚泊浮箱式浮防波堤透射系数的研究工作较多，但对其锚链受力的研究较少，而锚链受力直接关系到浮式防波堤的安全性，因此研究锚链受力的影响因素非常必要.本文通过物理模型试验着重研究了在规则波作用下，改变相对宽度、锚链相对拖地系数、锚链刚度系数以及导链孔处倾角这些因素对浮箱式浮防波堤的迎浪面、背浪面锚链受力产生的影响.从而为锚链锚泊浮式防波堤在实际工程中的应用提供依据.

1 物理模型试验

1.1试验设备与测量仪器

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的长23 m，宽0.8 m，高0.8 m，造波周期为0.5～3.0 s的溢油水槽中进行.试验水槽的一端为实验室自制的液压驱动造波机，可产生波形平稳、重复性好的规则波和不规则波;水槽的另一端安装有消能网，用以吸收波浪能量减少波浪反射.造波机采用微机控制并配备数据采集系统.试验波要素测定采用实验室研制生产的DLY-1型波高、滤波、应变混合式测量仪，试验中波高的采集采用天津水运工程科学研究所研制2000型波浪测量和采集系统.锚链受力采用丹东三达测试仪器厂生产的DYL-1A型，量程为0～5 kg，精度≤1%RL的应变式拉力传感器来测量，试验前后均对所有量测仪器进行了标定和校准，以保证测量数据的准确性和精度.

1.2试验模型设计及整体布置

试验模型的设计采用重力相似准则.模型浮箱部分由有机玻璃制作而成，尺寸为长44 cm、宽30 cm、高18 cm，浮箱入水深度为13.5 cm.锚链的设计主要考虑与原型间满足长度相似、质量相似和弹性相似.试验中分别设置了不同锚链相对拖地系数(即锚链拖地部分长度与悬起部分长度的比值Lt/Ls)、不同锚链刚度系数( k )、不同导链孔处倾角(锚链与竖直方向所夹的锐角α)以及模型相对宽度( W/L )来研究模型锚链受力(包括迎浪面锚链受力和背浪面锚链受力).3组模型的主要区别为第1组: model 1～model 4的锚链相对拖地系数不同，也就是锚链拖地长度不同.第2 组: model 4～model 6的锚链刚度系数不同;第3 组: model 4、model 7、model 8的导链孔处倾角不同.模型参数具体设置如表1所示.

表1 浮箱式浮防波堤模型参数

模型整体布置如图1所示，模型布置在水槽中部，在模型前后各布置2个浪高仪，用以记录堤前和堤后的波面过程线，隔板厚度为8 mm，隔板距槽壁一端为0.45 m.模型试验锚链、弹簧及拉力传感器布置由地面至模型的布置顺序为地面、弹簧、锚链、传感器、模型，相连处均为铰接.

图1 试验布置示意图

1.3试验工况

试验水深为0.4 m.试验采用正向入射规则波，入射波高分别为0.07和0.10 m，按比尺1∶30考虑，对应原型波高分别为2.10和3.00 m.周期设置0.81、0.91、1.10、1.28、1.46、1.55 s范围内的6个波周期，对应原型周期为4～8.5 s.对应的相对宽度(模型宽度/波长) 0.297、0.241、0.176、0.142、0.119、0.110.对于每一种模型，每组波要素重复三次，取三次试验结果平均值.

1.4试验数据采集及处理

模型装有4根锚链，每根锚链与模型相连接处装有拉力传感器.采集到浮箱式浮防波堤迎浪面、背浪面的锚链受力历时曲线后，首先需要将迎浪面的两根锚链的锚链受力进行叠加，叠加后取锚链受力曲线峰值的平均值作为迎浪面锚链受力结果.进而迎浪面锚链受力F1/入射波高Hi，背浪面锚链受力的试验结果处理方式与迎浪面锚链受力相同，结果用F2/Hi表示，其意义为单位入射波高作用下的迎、背浪面锚链受力，单位为N/cm.图2为模型在典型波浪工况作用下迎、背浪面锚链受力时间过程线，其中Hi=7 cm，T =1.1 s.

图2 典型工况下模型锚链受力过程线

2 试验结果及影响因素分析

2.1锚链相对拖地系数与相对宽度对锚链受力的影响

图3和图4为两种不同入射波高作用下，四种不同锚链相对拖地系数的模型迎浪面受力和背浪面锚链受力与相对宽度的关系.对应的试验模型为表1中的model 1～model 4.由图3可以看出，入射波高为7 cm时各模型迎浪面锚链受力随相对宽度的增大而变化的规律不完全相同.其中锚链相对拖地系数为0.00的model 4的迎浪面锚链受力随着相对宽度的增大而减小;而相对拖地系数不为0的model 1～model 3的迎浪面锚链受力则随着相对宽度的增加先增加而后略有减小.比较四个模型的迎浪面锚链受力，锚链相对拖地系数越大，迎浪面锚链受力越小.这是由于锚链相对拖地系数越小，锚链对上部浮体的约束就越大，因此迎浪面锚链受力就越大.入射波高为10 cm时，不同锚链相对拖地系数模型的迎浪面锚链受力均随着相对宽度的增大而减小，且锚链相对拖地系数越小迎浪面锚链受力越大.图4中模型的背浪面锚链受力的试验结果的规律与迎浪面锚链受力的规律是一致，只是在数值上要小于迎浪面锚链受力的试验结果.另外，试验结果显示相对拖地系数不为0的三个模型的锚链受力与入射波波高之间属于非线性的关系.

图3 相对拖地系数与相对宽度对迎浪面锚链受力的影响

图4 相对拖地系数与相对宽度对背浪面锚链受力的影响

2.2锚链刚度系数与相对宽度对锚链受力的影响

不同入射波高作用下，锚链刚度系数不同对迎浪面、背浪面锚链受力影响的结果如图5和图6所示.对应的模型为model 4～model 6.如图5所示，迎浪面锚链受力随相对宽度的增大而减小，即入射波浪的波长越长，迎浪面锚链受力越大;另外，迎浪面锚链受力随锚链刚度系数的增加而增大.这是因为在这组试验中锚链的拖地长度均为零，因而模型只要有一定的运动量锚链基本就处于张紧状态，此时用来模拟刚度的弹簧段就会产生拉伸变形，而弹簧钢度越大，则要使其拉伸所用的力就越大.所以锚链刚度越大，锚链受力就越大.不同入射波高作用下，锚链受力变化规律基本相同;单位波高作用下锚链受力大小差别不大.如图6所示，背浪面锚链受力的值均小于迎浪面锚链受力的值，特别是入射波高为7 cm在相对宽度为0.30处，背浪面锚链受力几乎为0.总的来看，锚链受力的试验结果受锚链刚度系数变化的影响较大.

图5 锚链刚度系数与相对宽度对迎浪面锚链受力的影响

图6 锚链刚度系数与相对宽度对背浪面锚链受力的影响

2.3导链孔倾角与相对宽度对锚链受力的影响

图7和图8为不同导链孔处倾角的浮箱式浮防波堤模型的相对宽度与迎浪面、背浪面锚链受力关系的试验结果.对应的模型为model 4、model 7和model 8.

图7 导链孔处倾角与相对宽度对迎浪面锚链受力的影响

图8 导链孔处倾角与相对宽度对背浪面锚链受力的影响

如图7所示，不同导链孔处倾角的模型迎浪面锚链受力均随相对宽度的增加而减小.不同入射波高作用下，迎浪面锚链受力差别较小，这说明模型的锚链受力与入射波高的关系基本为线性关系.比较不同的导链孔处倾角的模型迎浪面锚链受力:入射波高为7cm时，在相对宽度较小即入射波浪周期大时且导链孔处倾角60°时迎浪面锚链受力最大，导链孔处倾角为45°的迎浪面锚链受力次之，导链孔处倾角为30°的模型迎浪面锚链受力最小.而当相对宽度大于0.20以后，导链孔处倾角为30°的模型迎浪面锚链受力为最大，但三者相差并不算大.入射波高为10cm时三个模型的迎浪面锚链受力相差很小.由图8可以看出，model 4、model 7和model 8的背浪面锚链受力的试验结果的变化规律与迎浪面锚链受力相似.

3 结论

本文通过物理模型试验系统地研究了浮箱式浮防波堤的锚泊系统受力及其影响因素，主要结论如下:

( 1)改变锚链相对拖地系数、锚链刚度系数以及导链孔处倾角均对迎浪面、背浪面锚链受力产生不同程度的影响，其中改变锚链相对拖地系数和锚链刚度系数对于模型的锚链受力影响最为明显.锚链相对拖地系数越大，迎浪面锚链受力越小.这是由于锚链相对拖地系数越小，锚链对上部浮体的约束就越大，因此迎浪面锚链受力就越大.另外，相对拖地系数不为0.00的模型，锚链受力与入射波波高之间为非线性关系.因此在工程应用中应充分考虑锚链刚度和拖地长度因素;

( 2)浮箱式浮防波堤的迎浪面、背浪面锚链受力的历时曲线显示:迎浪面、背浪面锚链受力的峰值是交替出现的.而相对拖地系数为0.00的model 4和model 7，迎浪面、背浪面锚链受力时间曲线的峰值均匀;

( 3)迎浪面的锚链受力均大于背浪面的锚链受力，因此在工程应用中锚链的选取应以迎浪面受力为设计依据.

［1］王永学，王国玉.近岸浮式防波堤结构的研究进展与工程应用: 2002年度海洋工程学术会议论文集［C］.南昌:中国造船工程学会学报，2002: 314-321.

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［3］连云港建成我国首条浮式防波堤海面可变“良田”［EB/OL］.［2002-09-13］http: / /news.sina.com.cn/c/ 2002-09-03/1315704178.html.

［4］王振宇，张彪，刘国华.浮式海洋结构的应用和前景［J］.中国海洋平台，2009，24( 1) : 10-14.

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下期待发表文章摘要预报

Experimental Study on the Mooring Chain Forces of Pontoon Type Floating Breakwaters

DONG Huayang1，2，WANG Yongxue2，CHEN Yanzhen1
( 1.Dalian Marine Environmental Monitoring Central Station，SOA，Dalian 116001，China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

In this paper，the two-dimensional physical experimental study on the mooring chains forces of rectangular pontoon type floating breakwaters are carried out in regular beam waves.The influences of relative drag coefficient of mooring chain，mooring chain stiffness，angle at anchor point and relative width on mooring chain forces are investigated.The experimental results demonstrate that mooring chain stiffness，relative drag coefficient of mooring chain and relative width have large effect on mooring chain forces.The research result may serve as reference for mooring chain restrained pontoon floating breakwaters in the engineering practice.

floating breakwater; mooring forces;physical experiment

A

1673-9590( 2016) 01-0025-06

2015-04-16

董华洋( 1979－)，女，工程师，博士，主要从事治上防灾减灾的研究

E-mail: dhy791224@ sina.com.