浮式防波堤研究进展

浮式防波堤研究进展

江滨

中交四航院广州南华工程管理有限公司广东广州510230

摘要：浮式防波堤可适应水深较大、地基软弱、大潮差和引入水交换改善港内水质等情况，愈来愈受到国内外的密切关注。浮式防波堤可作为永久性或临时性建筑物，在掩护深水港湾码头水域、作为船舶临时靠泊码头、掩护水产养殖和海滨浴场水域、掩护海上施工现场、掩护海上军用机动码头水域和作为海上防灾应急的防浪措施等领域具有广泛应用前景。但也有很多因素限制浮式防波堤的应用，诸如掩护效果不如坐底式防波堤、波浪周期较长时消浪效果较差、波浪频率与其固有频率接近时结构响应敏感、波浪作用下的动态响应会导致结构疲劳损伤以及较大锚泊力致使维护要求高，而且极端风暴条件下结构安全性难以保障。因此，国内外学者对浮式防波堤开展积极研究以克服以上问题从而扩大其应用范围。

关键词：浮式防波堤；透射系数；结构型式；工程应用；研究进展

引言

浮式防波堤与其他传统防波堤相比，可适应水深较大、地基软弱、大潮差和引入水体交换等情况，在港口海岸工程、海洋工程以及海水养殖等诸多领域具有广阔应用前景。重点分析了浮箱式、浮筒式、浮筏式及其相应改进结构等不同型式浮式防波堤的消浪原理和消浪效果，分析比较了不同结构型式浮式防波堤的优缺点。最后介绍了浮式防波堤在国内外的工程应用，并分析了限制浮式防波堤应用的主要原因，指出了目前浮式防波堤研究方面的不足，以及推广应用浮式防波堤需要进一步研究的内容。

1浮式防波堤结构型式研究

浮式防波堤由浮体和锚泊系统组成，通过浮体与波浪的相互作用来消浪。浮式防波堤依据消浪原理可分为波能反射型、波能损耗型和反射－损耗混合型三大类。浮式防波堤的消浪效果主要由相对宽度、相对吃水、锚固方式等因素决定。一般相对宽度越大、吃水越深、锚固方式对其运动限制越大，浮式防波堤的消浪效果越好。下面对浮箱式（浮筒式）、浮筏式以及其他型式浮式防波堤的研究进展进行介绍。

1.1浮箱式（浮筒式）浮式防波堤

浮箱式浮式防波堤中结构最简单、应用最广的为单浮箱式。然而单浮箱式浮堤的消浪效果往往不理想，特别对较长周期波浪。为提高其消浪效果，国内外学者从增加波浪反射和波能损耗等角度对结构进行了改进，主要有多浮箱式、浮箱－垂直板式、浮箱－水平板式和浮箱－其他损耗波能结构式浮堤等。

1.2浮筏式浮式防波堤

浮筏式浮式防波堤为波能损耗型浮式防波堤，主要利用浮体与水面附近水体的摩擦作用、干扰水面附近水体的运动来衰减入射波浪。浮筏式浮式防波堤易于制造和维护，且与浮箱和浮筒结构相比费用低廉，但是消浪效果相对较差，浮筏结构的宽度一般要达到1倍波长左右才能有效地起到消浪作用。国内外对废旧轮胎式浮式防波堤的研究和应用相对较多。废旧轮胎式浮式防波堤根据不同布置型式分为Wave-Maze型、Goodyear型和Wave-Guard型等，其中Wave-Guard型由杆件将轮胎连成刚性整体，相比其他型式废旧轮胎式浮堤消浪效果较好。吴维登等从筏体的刚度、倾斜度、挡浪面积和自振频率等方面对钢管－轮胎式浮堤结构进行了改进。张余和王永学等对废旧轮胎浮式防波堤进行了试验研究，结果表明在其试验范围内当堤宽大于0.6倍波长时，透射系数小于0.5，锚链刚度和锚链拖地长度对透射系数的影响不明显。图10板－网式浮式防波堤Fig.10Board-netfloatingbreakwater对于浮筏式浮式防波堤，除了废旧轮胎式外，吴静萍等］模仿水生植物“浮漂”的结构形式，设计一种新式防波堤，将多块圆形木板柔性连接成一体，平铺于水面，研究结果表明该结构具有消浪功能。吴珷和吴宋仁对用于掩护码头施工区域的竹筏式浮堤进行了试验研究。A．V．Hegde等对由多层PVC圆管水平交错布置而成的浮筏式浮堤开展了试验研究，试验范围内当浮堤相对宽度为1.0时透射系数在0.6左右。

1.3其他型式浮式防波堤

除了多种浮箱式（浮筒式）和浮筏式浮式防波堤结构型式外，也提出了其他结构型式的浮式防波堤，如A形构架浮堤、板－网式和多孔结构的浮式防波堤等。A形构架浮堤由加拿大学者提出，其设计原理是使浮堤具有较大转动惯量，由中间的一块垂直挡板和两侧各两个圆筒组成A形构架。董国海和郑艳娜等提出了一种由板、网和沉子组成的板－网式浮式防波堤，试验结果表明这种浮式防波堤具有较好的消浪功能，可应用于深海养殖业。王环宇和孙昭晨在考虑了阻挡反射、紊动耗能和波峰耗散等基础上，提出由多层多菱形模块拼装而成的多孔结构浮堤，试验结果表明该结构浮堤消浪效果好且受力小。这些浮式防波堤结构型式的设计方法和研究思路为进一步研究浮式防波堤结构型式、增强浮式防波堤消浪效果提供了积极参考。

2浮式防波堤的工程应用

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是列入《国家高速公路网规划》的重要交通建设项目。港珠澳大桥香港侧着陆点位于香港大屿山石散石湾，澳门着陆点为明珠点，珠海着陆点为拱北。工程海中桥隧主体工程总长约35km，采用桥隧组合方案，隧道长约6km，桥长约29km。全桥共设六处通航孔，其中香港口岸人工岛是其中之一。香港口岸人工岛工程是港珠澳大桥工程在香港特区境内的一个重要组成部分，位于香港国际机场东侧，人工岛平面基本呈方形，长约为1.4km，宽约1.2km。

工程浮式防波堤的浮体采用集装箱加工制作，集装箱上部设置两层密封的空汽油桶，用10#槽钢加以固定。集装箱本身并未密封，允许海水进入箱内（类似船舶压舱水），浮体的浮力主要靠上部设置的空汽油桶来提供，浮体设计吃水1.7m。集装箱外部采用槽钢框架加强固定，三组集装箱为一个单元，单元内各组间设置橡胶缓冲设施，并采用锚链连接。浮体的固定采用锚链将其系泊于提前抛置海底的30t锚块上。工程浮体所在位置的水深约在10m左右，实测最大波高为2.0m左右。故本次模型的外部条件拟定为水深10m，波高2.0m，并假定浮体单元固定不动，计算80m外施工区域的波高。

30m跨U型渡槽在有预应力钢筋存在时，产生的压应力都不大，除了一些应力集中点，压应力最大值不超过规范中设计值允许范围。在预应力筋直接施加的位置产生较大的拉应力或压应力，其值已经超过了规范中允许的范围，可以通过局部构造加强，选择合适的锚具垫块来有效解决。

预应力筋布局基本合理，结构尺寸满足各项指标要求。应力及变形成果可以为该渡槽设计及配筋提供依据，为设计提供参考并指导施工阶段张拉过程的实施。

结束语

总之，现有浮式防波堤仍存在消浪效果较差的缺点，尤其在较长波浪周期和较大波高时，不仅透射系数大，而且结构受力大、结构安全难以保障。虽然国内外学者已提出很多种结构型式的浮式防波堤，其在消浪效果、结构稳定性或结构受力情况等方面较传统浮式防波堤有一定改善，但大都仍处于理论研究阶段，比较成熟和可广泛应用的结构型式很少。浮式防波堤在国外的工程应用较多，在国内的相对较少，目前国内浮式防波堤仅在内河、水库、湖泊以及海湾等波浪相对较小的水域得到一些应用，在港口海岸工程中的实际应用很少。

参考文献

[1]沈雨生，周益人，潘军宁，王兴刚.浮式防波堤研究进展[J].水利水运工程学报，2016，（05）：124-132.

[2]陈翔.新型浮式防波堤的设计与性能分析[D].江苏科技大学，2015.