应急型浮式防波堤运动特性和锚链力试验研究

杨会利，谭忠华，陈汉宝

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

0 引言

浮式防波堤的组成设施一般包括浮式构件以及锚泊系统，利用浮体对波能的反射和耗散进行消波。与固定式防波堤相比，浮式防波堤因具有强大的海水交换功能，可以避免海水交换不良的问题；随着水深的增加，其造价相比更低；并且适用于软土海床水域上，不需要进行地基加固处理；安放的位置可变；具有临时机动性、可重复使用、方便快捷等特性；浮体以及锚固系统易于制造、安装和拆除；对港口自然状况影响较小。这些特点决定了浮式防波堤可以用于传统防波堤无法应用以及不适合应用的场合，有着广阔的应用前景。

浮式防波堤作为一种海工建筑的防护设施，其消浪性能、运动特性和锚泊受力是工程界最为关注的[1]，目前对防波堤的消浪性能研究较多，而浮式防波堤的运动和锚链受力的研究相对较少，王环宇[2]，胡嵋[3]，董华洋[4]，侯勇[5-6]等分别研究了多孔浮式防波堤、双浮箱-双水平板式以及底浮箱式等结构浮式防波堤、浮箱-水平板式、带开孔圆弧的矩形方箱的水动力特性，及波陡、相对宽度等因素对消浪性能、浮式防波堤运动特性和锚链力的影响。这些研究成果为浮式防波堤的锚泊设计提供科学依据，对浮体的安全保障具有积极的意义。

近年来受全球气候条件影响，恶劣海况频次有逐年提升态势，造成海上重大灾害事件频发[7]。这些情况需要一种简洁、灵活、能快速安装和造价较低的新型应急防浪结构来减弱波浪，针对此要求推出一种应急型浮式防波堤新型结构形式，并对其消浪性能、运动特性和锚泊受力进行了波浪断面模型试验，本文主要对应急型浮式防波堤的运动特性和锚链受力进行论述。

1 应急型浮式防波堤结构形式的提出

1.1 结构概述

此新型结构由3根消浪管、带快速锁扣的紧固架和自充气气囊组成，为方便快速安装每根消浪管由3块120°板片组成。此结构具有快速灵活、高效率及方便运输三大特点。消浪管分为开孔透空型和气囊式消浪管。气囊式消浪管内部放置遇水可自动充气气囊，并可通过端部的出气孔快速地调节消浪管的入水深度，开孔透空型消浪管管体通孔交错排列分布，通孔结构可充分使得水体紊动，造成水流流速减慢，从而使得各个流动方向发生改变，影响波浪和水流的传播，实现消波、消流的效果，提高消浪性能。应急型浮式防波堤结构如图1所示。本结构形式结构轻便、组装简单，可以在短时间内组装，充分体现应急防护的特点[8]。

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

1.2 模型设计

模型试验水槽长45 m，宽0.5 m，高1.1 m，配有吸收式造波机，末端布置消波装置，防止透射波的二次反射。

模型试验中浮体采用重力相似准则进行设计，试验遵照《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型。浮体选用PVC管制作，模型中浮体外直径为7.5 cm，长48 cm，3根消浪管位置呈正三角形布置，最大宽度为15 cm，最大高度为14 cm，模型密度按0.6 g/cm3考虑。

试验中的尼龙缆模拟主要满足几何相似和弹性相似，考虑到来浪的不确定性并满足结构受力均匀性等要求，锚链采用迎浪面和背浪面对称的“平行型”布置方式，模型中采用直径1 mm的尼龙缆进行模拟，尼龙缆间距28 cm，锚链的弹性刚度通过定制弹簧来模拟。尼龙缆一端与紧固架相连，另一端拉紧后锚固于试验水槽底部，尼龙缆长度与水深比为2∶1。 浮体放置在水槽中间，模型共布置5根波高传感器，浮体前部布置1号和2号共2根波高传感器，记录浮体前的波面过程线，后端布置3号、4号和5号3个波高传感器，间距0.25 m，3号波高传感器距浮体3.0 m，测量堤后波高，模型布置图如图2所示。不同组次试验时至少重复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 试验条件

原型入射波高为1.5 m、3.0 m、5.0 m，波周期为 5.0 s、6.0 s、8.0 s、10.0 s、12.0 s、14.0 s，水深为15 m、25 m和35 m，探讨了相对宽度、波高、水深和相对入水深度等因素对应急型浮式防波堤的运动特性和锚泊受力的影响。

试验中使用的参数和相关符号见表1。

表1 试验相关参数及符号Table 1 Test parameters and symbols

2 结果分析

2.1 运动特性分析

断面试验中，波浪作用下浮体的运动特性包括横荡、垂荡及横摇，图3分别为横荡、垂荡及横摇随时间变化的过程线，从中可以看出横荡、升沉与横摇过程基本体现了规则波的特性。分析试验数据得知，由于浮体顺浪向横荡、上升垂荡、逆时针横摇值要大于逆浪向横荡、下降垂荡、顺时针横摇，因此主要以顺浪向横荡、上升垂荡和逆时针横摇最大值对浮体运动特性进行分析。

图3 浮体运动响应时间过程线（模型值）Fig.3 Time series of pontoon motions(model value)

2.1.1 相对宽度与波高对运动量的影响

图4～图6为水深15 m、25 m和35 m时，3种入射波高条件下，浮体横荡、垂荡、横摇与相对宽度和波高的关系。从图4中可以看出，随着波高的增大浮体横荡值明显增大，说明波高的变化对浮体的横荡影响较大；分析相对宽度对浮体横荡值的影响，可以发现浮体横荡值基本随着相对宽度的增大而减小，而当相对宽度较小时，即周期较大时，浮体的横荡值不再随着相对宽度的减小而增大，而是趋于稳定。这是由于受到锚链的限制，在不同波况下，浮体的横荡值增大到一定数值后趋于稳定。

图4 浮体横荡与相对宽度及波高的关系（原型值）Fig.4 Relation of pontoon sway with relative width and wave height(original shape value)

图5 浮体垂荡与相对宽度和波高的关系（原型值）Fig.5 Relation of pontoon heave with relative width and wave height(original shape value)

图6 浮体横摇与相对宽度和波高的关系（原型值）Fig.6 Relation of pontoon roll with relative width and wave height(original shape value)

从图5可知随着波高的增大浮体垂荡也基本呈现增大的规律，说明波高也是影响浮体垂荡的主要因素；分析相对宽度对浮体垂荡值的影响可以发现，浮体垂荡值随着相对宽度的增大而减小，这是由于试验中浮体宽度是不变的，相对宽度对垂荡的影响归因于周期，当周期增大时，浮体的随波性增强，表现为波谷处浮体的垂荡值增大。

从图6中可以看出随着波高的增大，浮体横摇也呈现增大的规律，说明波高也是影响浮体横摇的主要因素；分析相对宽度对浮体横摇值的影响可以发现，浮体横摇值随着相对宽度的减小而减小，究其原因，当相对宽度减小时，浮体的横荡、垂荡值增大，由于此时水质点运动轨迹变为椭圆形，因而横摇值减小，浮体接近平动；此外，在波高一定时，相对宽度减小则波陡减小，横摇值亦随着减小。

2.1.2 水深对运动特性的影响

图7～图9分别为相同波高条件下，水深对浮体横荡、垂荡及横摇的影响。从图中可知，相同的波高条件下，浮体横荡、垂荡及横摇与水深的相关性都较差，说明水深不是浮体运动特性的主要影响因素。

图7 水深对浮体横荡的影响（原型值）Fig.7 Relation of pontoon sway with water depth(original shape value)

图8 水深对浮体垂荡的影响（原型值）Fig.8 Relation of pontoon heave with water depth(original shape value)

图9 水深对浮体横摇的影响（原型值）Fig.9 Relation of pontoon roll with water depth(original shape value)

2.2 锚链受力分析

通过二维物理模型试验数据分析得知，浮体迎浪侧锚链力大于背浪侧，这是由于当迎浪向锚链处于张紧受力状态，背浪向则处于松弛状态，反之亦然，在时间上两者存在π/2相位差，因此模型迎浪向与背浪向所受锚链力的规律一致。由于锚链受力与浮体的运动特性一致，浮体顺浪向横荡值大于逆浪向，逆时针横摇值大于顺时针，因此，迎浪向锚链受力更大。

本文主要分析浮体相对宽度、相对入水深度及波高对应急型浮式防波堤迎浪向锚链力的影响。

2.2.1 相对宽度与波高对锚链力的影响

图10为水深分别为15 m、25 m和35 m时，3种入射波高条件下，浮式防波堤锚链受力与相对宽度及波高的关系。从图中可以看出，浮体所受锚链力随着波高的增大而增大，且变化幅度较为明显，说明波高与锚链力的相关性较好。

图10 相对宽度及波高对锚链力的影响（原型值）Fig.10 Relation of mooring forces with relative width and wave height(original shape value)

分析相对宽度对锚链受力的影响，可以发现，锚链受力随着相对宽度的减小而增大。当周期较大时，锚链力随着相对宽度的减小而增大的趋势变缓，甚至趋于稳定。究其原因，当周期较大时，紊动消能加大，浮体的耗散系数加大，锚链力也随着减小。此外，锚链受力大小是浮体横荡、垂荡和横摇相互影响叠加而成。浮体横荡值在周期较大时达到极限，锚链的张紧程度达到最大，因此锚链受力趋于稳定；而在周期较小时，锚链的张紧程度随着减小，因此锚链受力随之减小。

2.2.2 相对入水深度对锚链力的影响

图11为波高不变时，相对入水深度分别为0.224、0.134和0.096时，入水深度均为0.6倍浮体高度值，通过改变水深而改变相对入水深度，得到锚链力与相对入水深度的关系。从图中可知，试验范围内，在波高H=1.5 m时，相同的相对宽度条件下，锚链力随着相对入水深度的增大而增大，随着波高的增大，模型相对入水深度对锚链力的影响越来越小。从波高对浮体的锚链力影响结果来看，浮体锚链力随着波高的增大而增大，在波高较小时，浮体锚链力也相对较小，此时相对入水深度对浮体锚链力的影响比较明显；随着波高增大，浮体锚链受力也越来越大，而此时相对入水深度对浮体锚链力的影响越来越小。

图11 相对入水深度对锚链力的影响（原型值）Fig.11 Relation of mooring forces with relative water depth(original shape value)

3 结语

1）在规则波作用下，浮体运动量随着波高的增大而增大；垂荡和横荡随着相对宽度的增大而减小，浮体横摇值随着相对宽度的减小而减小；水深对浮体的运动量影响关系规律不明显。

2）在规则波作用下，浮式防波堤的锚链力迎浪侧大于背浪侧，在各种影响因素中对波高的敏感度最高，规律性较明显，锚链力与波高成正比关系，随着波高的增大锚链力也随之增大；锚链受力随着相对宽度的减小而增大。当周期较大时，锚链力随着相对宽度的减小而增大的趋势变缓，甚至趋于稳定；在相同相对宽度条件下，波高较小时锚链力随着相对入水深度的增大而增大，随着波高的增大，模型相对入水深度对锚链力的影响越来越小。