新型浮式防波堤结构及其水动力特性研究

本项目研究对发展新型浮式防波堤结构型式，建立波浪对浮式防波堤-锚链系统作用的数值模型，提出具有良好消浪性能的新型浮式防波堤结构型式有重要的科学意义与应用价值。项目的主要研究内容有：（1）开展双浮箱-水平板-锚链式浮式防波堤水动力特性的水槽模型试验研究；（2）波浪对双浮箱-水平板-锚链式浮式防波堤作用的时域数学模型及其数值计算方法；（3）基于模型试验和数值模拟，分析波浪作用下双浮箱-水平板-锚链式浮式防波堤的运动特性、消浪性能以及锚链的受力特性，研究浮式防波堤的布置方式、结构特征参数、锚泊条件及波浪参数等对其消浪性能的影响，探讨提高浮式防波堤结构消波的有效方式，建立双浮箱-水平板-锚链式浮式防波堤结构的优化模型。

本项目提出了一种双浮箱-水平板式新型浮式防波堤结构并对其水动力特性进行研究。该浮式防波堤结构的消波浮体是由两个漂浮方箱和水平板组成的刚性构件，并通过锚链与水底相连。上部双浮箱结构有反射波浪和使波浪紊动消能的作用，同时下部安装水平板可以破坏水质点的运动轨迹，增强浮堤与波浪的相互作用，提高消浪效果。.基于波浪水槽试验，对双浮箱-水平板浮式防波堤的水动力特性进行了物理模型试验研究。探讨了相对宽度、水平板层数、锚链刚度及相对波高等因素对防波堤透射系数、运动响应和锚链受力的影响。研究结果表明，双浮箱下面安装水平板能有效提高防波堤的消浪性能，显著减小防波堤的运动响应，提高结构的稳定性；双层水平板型式结构对长波具有较好的消浪效果。对于较长周期的波浪，带两层板的双浮箱浮式防波堤比无水平板的双浮箱浮式防波堤透射系数最多可以减小0.4左右；当相对宽度（模型宽度与入射波波长的比值）B/L=0.23时，其波浪透射系数为0.7左右，当B/L＞0.3时，透射系数可以控制在0.35以下；波高对双浮箱-水平板浮式防波堤的透射系数和无量纲化的运动响应结果影响不大，但锚链受力随着波高的增大而明显增大；锚链刚度主要影响锚链的受力，刚度越大则受力越大，而对透射系数及运动响应的影响不大。.在数值研究方面，在线性化势流理论范围内求解浮箱-水平板浮式防波堤的波浪绕射和辐射问题，从时域角度分析了浮式防波堤的水动力特性。采用格林函数法将速度势定解问题的控制微分方程变换成边界上的积分方程进行数值求解，浮式防波堤的运动方程采用四阶Runge-Kutta方法求解。数值研究给出了浮式防波堤的波浪透射系数、运动响应和锚链力的计算结果。研究表明，浮箱相对宽度对浮箱-水平板浮式防波堤的波浪透射作用有重要影响，透射系数随着浮箱相对宽度的增加而减小；水平板有利于增加浮式防波堤对波浪的衰减作用，但随着水平板层数的增加，这种衰减程度趋弱；浮箱带水平板的浮式防波堤其运动响应小于无水平板的浮式防波堤的运动响应；防波堤迎浪面的锚链受力大于背浪面的锚链受力。.本项目研究表明，双浮箱-水平板式新型浮式防波堤具有较好的水动力特性，研究结果可为此种浮式防波堤的工程实践提供理论参考，促进浮式防波堤在我国海岸工程中的应用。