英语原文共 20 页
《海洋工程》
浮式防波堤研究进展
关键词：
浮式防波堤；波浪能量耗散；透射系数；超巨型浮式结构
摘要：浮式防波堤是防止脆弱海滩被冲走、保护海岸线被侵蚀、保护浮式结构、防止码头和港口的强烈波浪作用。本文献介绍浮式防波堤的研究进展。浮式防波堤可分为七种主要类型，即箱式、浮筒式、框架式、席式、系绳浮式，横板式等。这些技术的研究和发展以及它们的性能综述和讨论了不同类型的浮式防波堤和消浪装置。
- 介绍
海洋覆盖了地球表面的70%以上，由于全球变暖，海平面不断上升，继续扩大。它们有对人类发展拥有大量宝贵的自然资源，包括水、对经济至关重要的水产养殖、石油天然气和矿产人类的发展。在过去的几十年里，城市化和人类社会的进步导致了对更多资源和空间的需求日益增长。有限的土地上的资源和可用空间，人类已经开始向海洋的能源、食物、水、资源和空间发展。
海岸线是面向海洋的陆地边界。游船码头、港口、沿海岸线的船坞和浮式结构在海上支持人类活动方面起着重要作用。此外，海洋勘探主要依靠海洋工程结构和设施。沿海和近海结构物的坚固保护波浪作用是极其重要的。防波堤，又称波浪衰减器，通常被视为海岸结构，减少波浪在近岸水域的作用，从而减少海岸侵蚀和提供安全的港口。它们可能是由岩石地基上的岩石或大型混凝土沉箱建造的。
毫无疑问，不断增长的海上和海上活动导致了对航道深度更深的大型港口的需求。最终增加了建造传统的海底防波堤以保护港口的难度和成本。经典波动理论所估计的
能量集中在其自由表面。而事实上，超过90%的总波能分布在自由表面以下3倍波高的范围内。传统的坐底式防波堤的形状为矩形或梯形，以抵抗底部转动力矩。显然，该部分与波浪能不相容。此外，这些坐底防波堤强烈阻碍了自然水循环，导致保护区内污染和泥沙问题加剧。
浮式防波堤是一种很有吸引力的替代方案。
它们的结构几乎不受水深和海床条件。潮汐变化和水面由全球变暖引起的海拔高度对这些结构的影响很小。它们的高度很低，因此对视觉的影响很小，尤其在地平线上，特别是在潮汐变化较大的地区。还有，它们是环境友好的，因为它们很少出现干扰水循环的情况。更重要的是，他们可以轻松地重新排列、重新定位和移动，只需最少的工作。然而，浮式防波堤不适用于抵抗长浪。它们的系泊系统更容易损坏。在恶劣的环境条件下，这危及周围结构的浮堤。
浮式防波堤的应用至少可以追溯到1811年。一个木制的防波堤被建议给海军部来保护普利茅斯。木质防波堤由117层三角形或棱柱形的木头组成。每个浮跨宽度为9 m，以及深度12米，长度12米，并用铁链固定，尽管海军部最终决定使用石头坐底防波堤，但经过多年泥沙堆积和随后的水量减少，港口的深度暴露出了问题。由于固定式防波堤的安装。从那时起，研究人员和海岸工程师对浮式防波堤更为重视。
随着浮式防波堤作为一种可行的替代方案而流行起来。关于海岸线和港口保护的各种结构形式被设计和建造。20世纪70年代，琼斯（1971年）Richey和Nece（1974）把防波堤分为60多种不同的类型。基于它们的几何和功能相似之处，Hales（1981）将这些防波堤划分为11个分类。后来，麦卡特尼（1985）根据形状将它们分为4类：箱式、浮筒式、垫子式和系泊的浮式结构物，并回顾其在降低波高并评估其施工成本。根据波衰减机制，Sawaragi（1995）将浮式防波堤分为3组（反射式、反射式和破碎型、摩擦类型）。迄今为止，更多不同形状和波衰减机制的浮式防波堤被设计、测试和建造。现代的设计经常使多次衰减降低透射系数。透射系数定义为透射波高与入射波高的比值，是衡量浮式防波堤性能的重要指标。因此，有必要回顾最近各种防波堤的研究和发展。研究回顾不仅有利于在海岸工程和海洋工程的研究人员也惠及这些领域的工程师。
本文的目的是对不同类型浮式防波堤的研究与发展。我们应根据形状对其进行分类，有些类似麦卡特尼（1985）。它们是：（1）箱式（2）浮筒式（3）框架式（4）垫式（5）栓系浮式（6）水平板类型（7）其他类型。第2节介绍了研究和设计箱式防波堤的开发，以及一些实际已建造的防波堤。第3节是对浮筒式防波堤的评述。第4节讨论了框架式防波堤。第5、6、7节分别讨论了垫式、系绳浮式、水平板类型防波堤。其他类型的浮式防波堤见第8节。与不同类型的防波堤搭配的防浪装置的有效性在第9节中讨论。最后，第10节总结了对未来研究的结论和建议防波堤。
2．箱式防波堤
棱柱、矩形箱形浮式防波堤（见图2）可能是最简单的类型，上个世纪已被广泛研究，如：Turner，1980年；Carr，1950年；Carver，1979年；Hay，1966年；Ofuya，1968年。这种防波堤主要通过反射入射波可以减弱海浪。因为它的几何结构简单，研究者推导出了预测波浪透射的理论公式。这包括基于线性波理论的经典公式，假设防波堤没有运动，上部没有上浪，水深为常数：
式中，Kt是透射系数，表示为透射波与入射波高的比值；其中Ki=2pi;/L；L为入射波长；b为防波堤宽度；d为吃水深度。
浮式防波堤通过系泊缆横向固定到
桩，它们会在波浪下运动。
它们的复杂性能和相应的系泊力
使用基于二维势流理论模型分析，如
ADEE（1976、1975、1974）、ADEE和Martin（1974）
和Drimer等人（1992）。这些分析模型
与物理模型试验相比提供了合理的预测
。为了分析更复杂的系统，研究人员经常借助于强大的数值计算程序
。例如Diamantoulaki和Angelides（2010）研究了铰链式浮箱型防波堤阵列的性能。他们使用基于流体体积的二维数值模型方法。在他们的研究中，纳维尔-斯托克斯方程被用于研究波浪通过防波堤时的波浪破碎和漩涡。防波堤的重量（w）也被设计为要比浮力（bf）小得多。即w/bf=0.32和0.66，以避免由于系泊缆松弛而产生的不良脉冲系泊力波浪作用下的事故。考虑防波堤保护的区域，Elchahal等人数值分析了反射式码头侧壁的影响。在他们的数值模拟中。他们发现侧壁由明显影响运动和响应的作用，特别是对于短波。共鸣防波堤预计在防波堤和侧壁为nl/2，其中n为整数。还有研究探究了桩约束柔性防波堤的性能，由Diamantoulaki等人（2008）基于三维水动力模型与刚性防波堤相比，水力-响应对于B/L比是显著的，响应当此比率超过0.7时急剧下降。与刚性相比防波堤，可弯曲防波堤的弯曲刚性被发现显著影响冲击和变桨运动的桩约束荷载B/L＜0.9。而Tay等人（2009）研究了使用浮体的效果，防波堤缓解二次流的水弹性响应碳氢化合物储存矩形罐，根据混合有限元边界元法。还有借助于高阶边界元法的洪等（2002）分析了超大型浮式结构的水弹性特性箱式防波堤。后两项研究是王等（2010）在一篇评论文章中提到，缓解方法超大型浮式结构（VLF）的水弹性响应，视图纸还强调了浮箱式的有效性。总体来说防波堤很大程度上取决于其宽度、系泊系统和入射波角度。例如，宽度与波长之比B/L通常需要超过0.35，以确保波透射系数ktlt;0.5。高k通常是不可避免的，宽度与波长比很小（如b/llt;0.15）。按顺序说，这些窄防波堤对长波几乎是全透射的。为了增强箱型浮式防波堤的性能，Williams等人（2000）研究了两种不同布置方式的长包装箱的性能。基于二维势理论的并排（见图3）。数字的参数化研究表明，几何尺寸和间距为两个浮箱之间以及系泊缆刚度为影响浮式防波堤性能的关键因素。
例如，间距较窄的双箱型防波堤由于宽度的延续，有效地折射长波，然而，需要更大的间距来将短波反射为两个箱子基本上按顺序充当两个独立的防波堤。此外，通过降低系缆刚度，防波堤更有效地反射长波，但也会导致可接受性能的频带。的性能针对短波的双箱型防波堤对系泊不敏感。刚度，除非系泊缆太软，无法限制防波堤。根据总体配置，此双箱防波堤可能比单箱型防波堤性能更好外形尺寸相同。防波堤的性能包括三个相同的箱型柔性连接模块Loukogoraki（2014）研究了它们的纵向方向等。在1:20比例模型试验中。他们发现入射波影响连接件上的内力由于弯曲的激励而产生的低频范围防波堤模式。这些值是b/llt;0.25，在60°倾斜下波和b/llt;0.15下45°斜波，在这种情况下，系泊缆也会承受巨大的拉力和快速载荷。此外，这个防波堤当B/L比大于上述值以及防波堤方向为45°就入射波方向而言，最有效的方法是增加浮式防波堤的消浪特性。成熟的抗浮破理论及模型试验结果海水给了海岸工程师信心。多盒型在沿海地区修建了浮式防波堤波浪条件。一个例子是西部的圣湖防波堤。苏格兰海岸（见图4a）。这个240米长，3.8米宽的裂缝水由12个相同的预制混凝土浮筒组成，每个浮筒称重42吨，在一天内安装在现场（3月ITimeJournal.com，2017年）。类似结构包括4 m宽的饰面保护意大利南部菲扎诺260个泊位的防波堤（见图4b）广岛Kan on Floating复合（混凝土和钢）防波堤海湾（长97.8 m，宽20 m，高3.5 m）（见图4c），以及摩纳哥码头大力神扩建项目中的浮式防波堤长352.5 m，宽28 m，吃水16 m（见图4d）。
3.浮筒式防波堤
通过模仿浮筒船设计，典型的浮筒类型浮式防波堤包括两个（或多个）纵向浮筒，通常每隔一段距离或由其顶部的甲板刚性连接，如图5所示。这种设计通常也被称为双浮筒，双浮筒，有时是双体船。相比箱式浮式防波堤，这种设计增加了惯性，因此不增加总质量（以及材料）的成本。浮筒式浮式防波堤在类似的作为箱式防波堤的一部分。另外，两者之间的差距两层可以实现湍流能量耗散。早期研究包括Ofuya（1968）的实验测试，他报告草案在降低波传播系数方面起着重要作用。ktlt;0.5可通过将结构自然周期，周期比（tn/t）大于0.65调整为波动来实现。船的发展位于华盛顿橡树港的水池注意到了浮式防波堤。以最大4.4 m潮位保护港口。在这戴维森（1971）提出了一个浮筒设计方案，其中混凝土浮筒由13 m长的矩形木模块连接。3米宽。采用1:10比例的二维模型试验检查设计和系泊力的有效性。
从那时起，进行了许多理论和实验研究。去测试浮筒式防波堤。Williams和Abul Azm（1997）
分析了浮式防波堤的水动力特性-由刚性甲板连接的一对浮动矩形棱柱，以及表明类似于双箱防波堤（Williams等人，2000年），吃水、两棱柱之间的间距和系泊缆刚度
对波反射特性的强烈影响。当与外形尺寸和系泊相同的单箱型防波堤刚度，这种浮筒设计更有效地反映了中长波。这使得浮筒式防波堤成为经济有效的解决方案。IKEO等（1988）建议使用该空间在两个浮筒之间作为加压气室（见图6）和从理论上研究了它对波能量衰减的影响。以及实验。与凹面的对比同一整体DI的防波堤和单箱型防波堤尺寸表明，使用增压空气室是有效的减弱波能。他们还发现防波堤可以通过增加空气的大小来进一步改善。室和加压头。翁周（2007）开发了基于边界元法的ANA数值模型-两个任意形状的浮筒通过刚性框架，通过建模为线性的系泊缆固定到位。研究表明，两个浮筒之间的间距对结构的固有频率和垂荡运动都有很大的影响。高频范围。发现防波堤的涌浪运动对系泊缆刚度不敏感，但较高的刚度往往在更高频率的升沉和纵摇运动中引起峰值响应。董等（2008）进行了实验研究以比较波浪单防波堤和双箱防波堤上的传输有或无水流的规则波。1:40比例模型试验结果表明，双箱设计优于单箱设计。然而，在长波情况下，两种设计都需要较大的宽度.获得一个小波传输系数（即ktlt;0.5）。增加宽度意味着更多的材料和更强的系泊系统必须在设计中使用。为了提高浮筒式防波堤在衰减长波，Koo（2009）提出了一种利用两个浮筒之间作为气动室的间距（见图7）采用了一种全非线性数值波箱技术。用时域分析法评价波阻和能量吸收。他发现气动阻尼对当b/llt;0.4时能量传输降低，因此系统用于阻挡长波。冀等。（2015）建议使用两个带下悬网笼的互联水平圆筒带橡胶空心球（见图8中的模型3）。笼子要打乱了流体质点轨道，通过球的运动，波能是进一步消散。作为比较，其他三种配置是考虑：（1）仅双浮筒（见图8中的模型1），（2）双浮筒，仅带保持架（见图8中的模型2）和（3）单箱外形尺寸相等。1:20比例模型试验表明双浮筒设计，包括保持架和球，优于其他三个关于波衰减的配置。这种设计也在长波中表现相当好（kT在0.7-0.8范围内b/llt;0.2），其中其余设计对输入几乎是透明的波浪。然而，发现向海系泊缆上的力至少比1型和单箱大50%，因为网箱的存在。系泊力的微小差别模型2和模型3表明球不会带来进一步的负担。到系泊系统。最近，一个三维模型试验证明了设计的有效性（Ji等人，2016b）。这个实验结果表明，该设计对B/Lgt;0.25是有效的。在横浪和斜浪条件下。它也很有趣注意，波传播系数的下降趋势是b/l=0.15到更小时，在k达到峰值约0.9后观察到。当b/llt;0.125时，长波大于0.8。模型试验结果建议防波堤在较长时间内发生较大的振荡波浪有助于分散更多的波浪能量。研究人员还建议摆动周期的设计应避免最可能的波动频率-在给定海况下确保有效波衰减的频率。
4.框架式防波堤
框架式浮式防波堤通常是浮筒的组合。以及框架或桁架结构。它们通过两种方式减弱波浮筒的回流以及框架的湍流和干扰。早期的测试示例包括A型框架（Merlevede，2012年）（见图9）和双圆木（Jackson，1964）浮式防波堤，因为北美可用木材。现代设计通常诉诸于混凝土或钢制浮筒的强度和耐久性。一个例子浮式防波堤是在布朗斯维尔港码头建造的吗？1999年位于华盛顿州的乌节港湾（Allyn等人，2001年）。这个防波堤包含了水下多孔处理过的木材波浪。在混凝土浮筒侧面安装围栏，以减少波传输（Shen等人，2016）。八个混凝土浮筒单元通过橡胶缓冲剪切管和螺栓
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