一种新型应急型浮式防波堤消浪特性研究

杨会利，陈汉宝，刘海成

(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)

随着经济的快速发展，人们已开始着眼于离岸、深水及复杂的地基条件下建港研究。在施工过程中，外海、深水条件下往往处于无掩护的状态，在外海进行施工作业时经常会遭受大风、大浪的袭击，没有有效的临时防护措施会导致工程工期大大延长[1-5]；另外，受全球气候条件的影响，海上波浪条件越来越差，海上重大灾害事件频发，如何在海上灾害事件发生后进行有效救援并止损，这对救助打捞工作提出了更高的要求，救助时需要对海上事故地点快速及时的进行掩护[6-10]。这些情况均需要一种灵活、简洁、能够快速安装的新型结构物来减弱波浪，使得海上施工正常进行和海上救助打捞安全快速有效的开展。近年来，浮式防波堤因其具备上面提到的各项优点，越来越得到人们的重视和认可，但目前存在的浮式防波堤还没有一款适用于海上救助打捞及施工临时防护要求快速成型的应急型浮式防波堤。本文针对此种需求提出一种新型浮式防波堤结构型式并通过二维物理模型试验进行消浪特性研究。

1 应急型浮式防波堤结构型式的提出

1.1 设计理念

本新型结构由三根三块120°板片组装消浪管、带快速锁扣的紧固架和自充气气囊组成，具有快速灵活、高效能率及方便运输三大特点。消浪管型式分为透空型开孔消浪管和气囊式消浪管。气囊式消浪管内部放置一充气气囊，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入水深度，开孔式消浪管通孔交错排列分布，消浪管可充分使得水体紊动，通过通孔结构造成水流流速的减慢，进而使得各个方向上的水流的流动方向发生改变，影响波浪以及水流的传播，从而实现消波、消流的效果，大大提高其消能性能。应急型浮式防波堤结构型式如图1所示。本结构型式结构轻便、组装简单，可以在短时间内组装，充分体现应急防护的特点。

1.2 模型设计与制作

模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究院临港试验基地水槽中进行，该水槽长45 m,宽0.5 m，高1.1 m，水槽内配有先进的吸收式造波机，水槽末端布置消波装置，防止透射波的二次反射。

1-a 无孔管片 1-b 带孔管片 1-c 应急型浮式防波堤消浪单元

图1 应急型浮式防波堤结构型式图
Fig.1 Structure diagram of emergent type floating breakwater

试验中的浮式防波堤模型采用重力相似设计模型，试验遵照《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型，按照Froude数相似定律及试验设备情况，模型长度比尺选用λ=40，时间比尺λT=6.32，考虑到本次试验周期和波高较大，本次提出的应急型浮式防波堤原型单根消浪管外直径为3.0 m，最大高度为5.6 m。浮式防波堤模型选用外直径为75 mm的PVC管进行制作，模型长48 cm，三根消浪管圆心连线为正三角形，模型最大宽度15 cm，最大高度为14 cm，密度按0.6 g/cm3考虑，内部除进行必要的均匀配重外，气囊用泡沫代替。

在迎浪侧和背浪侧各安放两根尼龙缆，考虑到应急浮式防波堤所承受的外海波浪很大，原体缆绳选用φ=120 mm的尼龙缆，破断力Np=1 700 kN，缆绳的带缆点与系缆点之间的距离满足几何相似，缆绳的选取满足重量相似和弹性相似。模型中采用直径1 mm的尼龙缆进行模拟，尼龙缆间距为28 cm，其中尼龙缆一端与消浪管上紧固架相连，另一端拉紧后锚固于试验水槽底部，每根尼龙缆长度与水深比为2∶1。

模型放置在水槽中部，前端布置2个浪高仪1#和2#，记录模型前的波面过程线，同样模型后端布置3#、4#和5#浪高仪3个，波高传感器间距0.25 m，3#波高传感器距离模型3.0 m,测量堤后波高，模型布置图如图2所示。进行试验时不同组次至少重复3次，当3次试验现象和测量结果差别较大时，增加重复次数。

图2 模型布置示意图Fig.2 Layout of physical model

1.3 试验波要素

表1 试验波浪条件Tab.1 Test wave conditions

为了探明浮式防波堤透浪系数与浮式防波堤宽度、入水深度和水深之间的关系，考虑3种水深，对浮式防波堤进行不同周期、不同波高作用时的消浪效果试验，试验波型采用规则波。试验波要素详见表1所示。试验组次的选择覆盖了浅水波到完全深水波(d/L0接近1)[11]，波高也覆盖了最常见的影响作业的紧急情况及波高5 m的情况，超过应急型浮式防波堤的布设条件。

1.4 试验数据处理

浮式防波堤的消浪效果以透射系数KT来评估，其构成由透射波高比入射波高即

KT=HT/HI

式中：HI为入射波高；HT为透射波高。

试验中使用的参数和相关符号见表2。

表2 试验相关符号Tab.2 Test symbols

2 试验结果分析

2.1 消浪效果分析

浮式防波堤的消浪效果以透射系数KT来评估，从图3可以看出，新型应急型浮式防波堤结构在波高5.0 m以下，周期14 s以下试验条件下，水深越大新型结构消浪效果越差，在水深15 m时波能消减率可以达到20%～40%；水深25 m时，波能消减率在15%～35%；水深35 m时，消浪效果不明显，波能消减率在20%以下。由于浮式防波堤模型消浪一部分是利用堤前反射实现的，因此防波堤相对入水深度是影响消浪效果的重要因素，本试验中模型的总体高度和入水深度不变，因此在相同波高和周期时，水深增大，即相对入水深度变小，消浪效果变差。

图3 不同试验条件下的透射系数Fig.3 Transmission coefficient under different test conditions

2.2 相对水深对透射系数的影响

相对水深为水深与波长之比(h/L)。当水深不变时，减小波周期以增大相对水深；周期不变时，增加水深以增大相对水深。图4-a～4-c表明，试验中不同入射波高条件下，当h/L相对较大时即周期小于8 s时，透射系数均随着相对水深的增大而减小，h/L数值相对较小时即试验中周期大于8 s时，透射系数随相对水深变化规律不明显；图4-d表明，当波周期较小时(5～8 s)，相对水深对水深的变化较为敏感，如周期5 s水深从15 m增大至35 m时，试验相对水深从0.39变化至0.90，相对水深对透射系数的影响规律性较强；周期较大时，因为水深变化幅度相对较小，因此相对水深变化也较小，如周期14 s水深从15 m增大至35 m时，相对水深的变化有限，从0.09增大至0.15，相对水深对透射系数的影响规律性较差。

4-aH=1.5 m 4-bH=3.0 m 4-cH=5.0 m 4-d 周期对KT的影响

图4 透射系数与相对水深的关系
Fig.4 Relation of transmission coefficient with relative water depth

2.3 波陡对透射系数的影响

波陡为波高与波长之比(H/L)，当波高不变时，减小波周期以增大波陡。

图5表明在波高不变，改变波周期时，波陡与透射系数的关系。从图中可知，因波高变化，在周期较小时(5～8 s)透射系数随着波陡的增大而减小,随着周期的增大，周期在10～14 s时透射系数随着波陡的变化并无明显规律。分析不同波高时的透射系数时可以发现，当波陡为0.057～0.078时(波周期为5 s和6 s)，15 m水深波高为3 m时的透射系数最低，消浪效果最好。在周期较大时，浮式防波堤模型的透射系数起伏较大，从试验现象观测，周期较大时模型的随波性增大，模型随着波浪上下起伏运动，模型的消浪性能已难以体现，越浪透浪现象较为明显，造成浮式防波堤模型的透射系数在周期较长时没有一定的变化规律。

图5 透射系数与波陡的关系Fig.5 Relation of transmission coefficient with wave steepness

2.4 相对入水深度与相对宽度对透射系数的影响

图6为新型应急型浮式防波堤在不同入射波高作用时，不同相对入水深度(d/h)的透射系数与相对宽度(B/L)的关系，从图6-a中可以看出，H=1.5 m时，不同相对入水深度条件下，在周期较小时(T=5～8 s)即相对宽度较大时，透射系数会随着相对入水深度的增大而减小，长周期(T=10～14 s)时，透射系数随着相对入水深度的变化无明显的规律性；图6-b和6-c中可以看出，H=3.0 m和5.0 m时，不同相对入水深度条件下，在周期T=5 s，6 s，8 s即相对宽度较大时，透射系数随着相对入水深度的增大而减小，周期大于10 s时，透射系数随着相对入水深度的变化无明显的规律性。

本次试验采用的是保持模型吃水不变，通过改变水深来改变相对吃水，而参考文献[1]和[2]则是保持水深不变，通过改变浮箱吃水来改变相对入水深度(也即相对吃水)，其得出的结论为“透射系数随着相对吃水的增加而减小，且在短周期波浪更明显，而长周期波中则并不十分明显”。从试验结果来看，通过改变水深来改变相对吃水时同样满足此结论，在短周期时，透射系数随着相对吃水的增加而减小，而长周期时规律性较差。

6-aH=1.5 m 6-bH=3.0 m 6-cH=5.0 m

图6 透射系数与相对宽度和相对入水深度的关系
Fig.6 Relation of transmission coefficient with relative width and relative water depth

3 主要结论

(1)新型应急型浮式防波堤结构型式在消浪机理上兼顾反射消能、紊流摩擦消能等综合效果。通过气囊式消浪管易于使波浪破碎，衰减反射波和透射波，同时通过开孔式消浪管的多孔结构扰乱水质点的运动，产生紊流进行消浪。

(2)通过二维断面物理模型试验，研究了该新型浮式防波堤结构在规则波作用下的消浪效果：在波高1.5～5.0 m，周期5～14 s试验条件下，水深越大消浪效果越差，在水深15 m时波能消减率可以达到20%～40%；水深25 m时，波能消减率在15%～35%；水深35 m时，消浪效果不明显，波能消减率在20%以下。

(3)试验中应急型浮式防波堤结构的透射系数在周期较短时(5～8 s)对相对水深、波陡及相对宽度的变化敏感度较高，规律性较强，透射系数随着相对宽度、波陡及相对水深的增大而减小；在周期较长时(10 s、12 s和14 s时)，相对水深、波陡及相对水深对透射系数的影响无明显规律。

综上所述本文提出的新型应急型浮式防波堤从结构形式上可以满足灵活、简便及快速安装的特点，在本次试验研究条件下水深小于25 m时浮式防波堤模型消浪性能较好，且使用范围针对性较强，因此本新型结构的开发和研究具有良好的应用前景。

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