浮式防波堤水动力及消波性能试验技术

第1章绪论 1.1浮式防波堤概述 海洋覆盖了地球近71%的表面积，蕴藏着巨大的资源，包括丰富的海洋生物资源、矿产资源及巨大的绿色清洁能源（如风能、波浪能、潮汐能及温差能）。据估算，海洋提供食品的能力是陆地的1000倍；且海底石油储量较大，研究表明，海洋石油储量约占全球总储量的34%，其中已探明的储量约为380亿吨；除此之外，海水还能提供拥有氢、铀同位素等的多种核原料。因此，如何高效、环保地利用海洋资源是现阶段人类面临的重要课题。 目前，海洋资源开发由近海向深远海快速发展，如何应对复杂恶劣的海洋环境以及如何在获取海洋资源时降低对海洋生态环境的影响和破坏是首先要解决的问题。因此，浮式海洋结构物应运而生，它具有适应深水化作业、海上安装周期短、可在不同海域迁移、对海底生态环境破坏小等优势。然而海洋环境十分复杂严酷，具有强随机性，台风、巨浪时有发生，这会对浮式结构物造成损伤甚至破坏。可以消减波浪的防波堤是一类可以为海洋结构物提供安全掩护的重要设施和装备。 防波堤常布置在港口或海岸附近，它的主要作用是对从外海传播来的波浪进行阻挡和消减，从而保护港口附近水域的平稳，保障船舶和海上结构物的安全以及港口附近的工程建筑的稳固。此外，某些海区的防波堤还能在一定程度上阻止流冰的大量涌入以及减少港口内泥沙的淤积。随着海洋开发逐步走向深远海，固定式防波堤工程造价变得高昂，施工难度逐渐增大。因此，浮式防波堤技术逐渐成为研究热点，世界上也有多个浮式防波堤投入使用。图1.1给出了摩纳哥康达敏（Condamine）海港浮式防波堤[1，2]，该浮式防波堤总长352m，宽28m，高24.5m，排水量16.3万吨，采用钢筋混凝土进行建造，主要功能是浮动码头，用于停靠船舶，内部空间作为购物和停车场所，可有效地保护现有港口。 浮式防波堤主要由三部分构成，包括浮式防波堤主体、连接结构及固定浮式防波堤的锚泊系统。与固定式防波堤相比，浮式防波堤具有以下优势：①浮式防波堤一般漂浮在水面上，海水可进行正常的交换，降低因封闭海域而带来的环境污染危害；②随着应用水深的增加，造价优势越来越显著，如应用于水深50m的水域时，浮式防波堤造价是传统重力式防波堤的1/3左右；③可以适用于多种地质条件，不受地形的限制；④建造周期短、速度快、安装和拆卸方便，同时具有可迁移的优势。 图1.1摩纳哥康达敏海港浮式防波堤 随着海洋资源开发的深水化、环保化的发展，浮式防波堤可为越来越多的海上浮式结构物在非遮蔽水域提供满足其工作需求的海洋环境，提高工作效率并减少台风等自然灾害对海洋、海岸结构物造成的破坏。 1.2浮式防波堤分类 1.2.1主体结构形式分类 浮式防波堤按照结构形式的不同，主要可以分为浮箱式、浮筒式和浮筏式三种形式，如图1.2所示。 图1.2浮式防波堤的主要类型 （1）浮箱式防波堤。浮箱式防波堤利用防波堤的迎浪面对入射波浪进行有效的反射消波，主要原材料多为钢筋混凝土，其构型多为长方体结构，且宽度范围一般在8.0～12.0m、吃水一般在1.0～4.0m。浮箱式防波堤具有结构简单、建造、运输及安装方便等特点。图1.2（a）给出了浮箱式浮式防波堤示意图。 （2）浮筒式防波堤。这种浮式防波堤常采用框架结构，其消波原理及材料应用与浮箱型浮式防波堤类似，但其吸收波能的能力有一定程度的提升。图1.2（b）给出了浮筒式浮式防波堤示意图。 （3）浮筏式防波堤。浮筏式防波堤主要利用浮体与海水间产生的摩擦达到消耗波浪能量的目的，属于典型的摩擦型浮式防波堤。图1.2（c）给出了一种典型的由轮胎组成的浮筏式防波堤。 1.2.2消波原理分类 按照消波原理的不同进行分类，浮式防波堤可分为反射型、反射与波浪破碎结合型以及摩擦型。其中，反射型浮式防波堤主要通过对堤前波浪的反射来达到消减波浪的效果，浮箱式浮式防波堤是*常见的反射型浮式防波堤构型；反射与波浪破碎结合型浮式防波堤除了通过利用防波堤对波浪的反射作用，还通过使波浪发生破碎等形式来达到消减波浪的效果，常见的有栅栏式和浮筒式构型；摩擦型浮式防波堤结构表面十分粗糙，这有利于与波浪发生大量的摩擦，达到消减波浪的效果，常见的有浮筏式和床垫式等构型。 1.2.3锚泊形式分类 浮式防波堤一般由浮式防波堤主体结构、连接结构和锚泊系统三部分组成。主体结构的主要功能是衰减波浪能量并确保掩护海域内的波高平稳；连接结构的主要功能是将不同模块的防波堤主体连接起来，形成一个整体；锚泊系统用于固定防波堤主体结构，保证浮式防波堤主体结构安全平稳地运行。 不同的锚泊方法对浮式防波堤消波性能和水动力响应的影响有较大的差异。锚链锚泊作为浮式防波堤的主要锚泊形式之一，主要通过锚链和其他组合式的锚泊线对浮式防波堤主体结构进行固定。垂直导桩锚泊也是常见的浮式防波堤锚泊形式，它对防波堤的横摇、纵摇、横荡以及纵荡运动起到很好的限制作用，使得浮式防波堤在海浪影响下，只存在垂向运动和摇摆运动。垂直导桩锚泊主要有以下优点： （1）防波堤运动较小，消波效果较好。 （2）极少产生走锚现象，因此，其可靠度更高。 垂直导桩锚泊也存在明显的局限性，主要有以下方面：①对布锚地的地基有较高要求；②该锚泊方式限制了防波堤的横摇、纵摇、横荡以及纵荡运动，这造成导桩上的水平力和弯矩很大，在实际使用过程中需要对导桩结构的耐久性进行重点评估和测试。 锚链锚泊是目前应用*广泛的锚泊方式。锚链下端通常通过混凝土重块、船锚、水下打桩等方式进行锚固。锚链锚泊布置方式常见的有平行式、八字形、人字形和交叉式四种方式，如图1.3所示。交叉布置的锚泊方式多应用于海岸港口附近的浮式防波堤。应用于开敞海域中的浮式防波堤，多采用对称布置的锚泊方式，其中平行对称和八角对称两种锚泊方式是实际工程应用中使用*多的布置方式。 图1.3锚链锚泊布置方式 1.3浮式防波堤工程应用及发展趋势 1.3.1国内工程应用实例 尽管目前我国浮式防波堤工程实例较少，但研究起步较早。1962年，南京水利水电科学研究院开展了钢筋混凝土矩形剖面浮式防波堤的设计[3]，该防波堤全长134m，设计波高为2.2m，应用于湖北省丹江口水库。2002年，连云港市在旗台山海域建成了浮式防波堤，该防波堤长1000m，布设两排直径90cm汽车轮胎作为挡浪漂浮物，建成初期消波效果较好[4]。2016年，在港珠澳大桥香港口岸人工岛工程的施工期，为了减小波浪对施工作业的影响，施工方临时建造了浮式防波堤，该浮式防波堤投入使用后为施工水域提供了平稳的施工环境[5]。此次工程共在人工岛西北侧设置了长达600m的浮式防波堤。浮式防波堤主体距离人工岛边缘约80m，用于保障施工船只进出水域进行作业。该浮式防波堤设置区域如图1.4所示。 图1.4临时浮式防波堤位置区域 该临时施工掩护用浮式防波堤主体为集装箱，并在集装箱上部设置了两层密封的空汽油桶用来提供浮力，集装箱本身并未密封，允许海水进入箱内用作压水。以三个集装箱为一单元，各单元之间采用锚链连接并布置橡胶缓冲设施，如图1.5所示。 图1.5临时施工掩护用浮式防波堤[5] 1.3.2国外工程应用实例 国外的浮式防波堤工程主要集中在欧美等发达国家。世界上**个浮式防波堤是1811年英国在普利茅斯港建造的用于保护船只的木质浮式防波堤[6]。诺曼底Bombardon浮式防波堤[7]建于第二次世界大战期间（1944年），盟军为保护船舶的安全，在诺曼底海岸离岸1.6km处放置了浮式防波堤，其单元模块主尺度为长61m、宽7.6m、高7.6m，重250t，如图1.6所示。1976年，日本在福山建造了由两种规格尺寸浮桥组成的全长为275m的长方形浮式防波堤[8]。为保护海上输送混凝土管道的浮桥不受海浪破坏，苏格兰研制并应用三段式浮式防波堤，该临时浮式防波堤长55m、宽18m，能够抵御波高2m的波浪，消浪效果可达75%。美国于1999年在华盛顿州乌节湾的布朗斯维尔码头港口应用新型浮式防波堤[9]，该浮式防波堤长290m、宽4.26m，作为浮动码头，用于停靠船只，如图1.7所示。 图1.6 Bombardon浮式防波堤 图1.7布朗斯维尔码头港口浮式防波堤 近年来浮式防波堤应用广泛，发展迅速，越来越受到关注。希腊莱夫卡斯码头浮式防波堤（2000年），长288m，宽度3m，用于小型船只停靠，如图1.8所示。意大利加里波利港浮式防波堤（2008年），由5个长12m、宽3m的单模块结构组成，上方有系泊配件和船用灯，下方有锚链和重块锚定，用于系泊游艇，