CN106320264B - 一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤及实现方法，属于防波堤领域。本发明包括气室、空气透平、发电机组、挡浪板、横梁以及桩基础；所述的气室由气室前墙、气室顶板以及气室后墙组成；所述的气室前墙位于迎浪侧；所述的气室顶板上设有气流通道，所述的气流通道内设有空气透平和发电机组；所述的挡浪板位于气室后墙下方；所述的桩基础与气室间设有横梁。本发明在保证防波堤发挥原有挡浪消波功能的前提下，兼顾波浪能发电功能，实现传统建筑物的复合型功能利用，绿色环保。同时防波堤采用桩基透空式设计，允许港内外水体交换，环境友好性显著。

Description

一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤

技术领域

本发明属于一种防波堤，具体涉及一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤。

背景技术

自进入21世纪以来，传统能源的使用导致环境污染日益加剧，清洁能源的开发利用迫在眉睫，尤其是清洁的可再生能源的开发与利用已成为现在人们所关注的焦点。波浪能作为一种优质的海洋可再生能源逐渐进入人们的视线，波浪能具有绿色，清洁，分布范围广，蕴含量巨大等优点。现如今，人们已设计并制造出诸多波浪能捕获利用装置，其中，设计较为成熟、可产业化运作并且具有较高可靠性的波浪能利用方式是采用振荡水柱波能转化原理进行波浪能转化利用的技术方案。

在海岸工程中，防波堤的作用是为港池提供良好的泊稳条件，减弱波浪冲击力，掩护指定范围的海域。近些年来，防波堤的结构型式不断发展，新结构、新型式的特种防波堤技术方案不断被提出。防波堤的选址处大多波浪能十分丰富，在防波堤起到挡浪消波的过程中，大量的波浪能在防波堤处被损耗，因此，防波堤设计与波浪能利用相结合的复合功能性防波堤结构型式已成为海岸工程领域关注的热点问题，尤其是在实现良好的挡浪消波效果的前提下实现可靠的波浪能转化也成为这一问题研究的关键所在。

在已公布或授权的专利中，在防波堤设计方面，已公开的技术方案大多关注于防波堤结构型式的改进，仅专注于防波堤本身对波浪的阻挡和削弱作用，对于防波堤设计与波浪能利用相结合的关注较少；在离岸区波浪能利用方面，已公开的技术方案大多仅关注于波浪能转化利用，对于挡浪消波的功能设计考虑较少；而在同时考虑波浪能利用与防波堤建设相结合的技术方案中，都在不同程度上存在波浪能捕获转化部分可靠性较差，防波堤建设影响港池与外海水体、泥沙交换，海况条件下工程施工速度慢以及工程建设成本较高等问题。

发明内容

针对以上描述的现有技术中的不足，本发明提供了一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，利用振荡水柱原理实现波浪能发电，具体是利用气室整体形成防波堤挡浪结构主体，同时作为振荡水柱波能转换的气室使用；通过在气室后墙下部设置特种型式的挡浪板，在同等波浪条件下增加波能转化效率，提高防波堤挡浪消波效果。

一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，包括气室、空气透平、发电机组、挡浪板、横梁以及桩基础；所述的气室由气室前墙、气室顶板以及气室后墙组成；所述的气室前墙位于迎浪侧；所述的气室顶板上设有气流通道，所述的气流通道内设有空气透平和发电机组；所述的挡浪板位于气室后墙下方；所述的桩基础与气室间设有横梁。

优选地，所述的横梁每隔间距d设置的钢筋混凝土结构，d为4.5～5.5m。

进一步地，所述的桩基础由四根基桩及基桩上部的桩帽构成，其中两根基桩为直桩，另外两根基桩为叉桩。基桩下部深入海床中；所述的基桩在打桩作业完成后于顶端通过桩帽与横梁整体浇筑成型，所述的桩帽为钢筋混凝土结构。

优选地，所述的气室自水面起形成密闭空间，仅空气透平处为气流交换通道。

进一步地，所述的气室为分段预制结构，与挡浪板共同作为整体结构预制安装至防波堤，与横梁整体衔接；

优选地，所述的气室前墙底部低于设计低潮位的距离取为M，M不小于二分之一波高，所述的气室后墙底部与挡浪墙竖直衔接，挡浪墙底部低于设计低潮位的距离取为N，其中M与N为倍数关系，即M＝n N，n为倍数值。

所述的挡浪板设于气室后墙的延伸段，为整体性预制结构。

进一步地，所述的挡浪板为栅栏板型挡浪板，开孔率取为20％～40％，竖直孔隙等距间隔布置；挡浪板可以使波浪反射，增强气室内水面振荡的幅度，提高波浪能转化率，挡浪板预留的孔隙使孔隙处产生射流，加剧水体紊乱，未做功的波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数，有效减小防波堤后方的透射波高。

在防波堤工作时，根据能量守恒定律可有：E_入射波能＝E_反射波能+E_{转化为电能}+E_透射波能+E_损耗波能，即入射波波能不变的前提下，通过设置特种型式的挡浪板，可有效增加E_{转化为电能}，一定程度上增加E_损耗波能，一定程度上增加E_反射波能，从而显著降低E_透射波能，确保良好的消浪效果的前提下具有较高的能量转化率。

一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤的工作过程，包括以下四个阶段：

阶段1，波浪入射至防波堤外侧阶段，防波堤整体结构挡浪消减波能量；

阶段2，波峰传播至气室内部，波浪能做功发电，挡浪板消减波能量；

阶段3，波谷传播至气室内部，波浪能做功发电，挡浪板消减波能量；

阶段4，循环与重复阶段1、2和3过程。

在阶段1中，波浪向防波堤方向推进，波峰到达气室外侧，气室外迎海侧内水位因波峰到来升高，此时气室整体作为防波堤结构整体起到阻挡波浪行进的效果；

在阶段2中，当下一个波谷到达气室外侧时，气室内水位在波峰作用下开始升高：在水位升高过程中，气室内压强增大，空气流动推动空气透平运动，继而带动发电机组发电；气室内水面升高的过程中，水体同时发生向挡浪板方向的质量输移，部分水体与挡浪板实体段相互作用发生反射，水体质量输移受阻，气室内水面上升幅度增加，再一次增大气室内压强，重复空气流动推动空气透平运动，带动发电机组发电的过程；同时部分水体透过挡浪板预留的孔隙流出气室，产生射流，水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，造成水体紊乱效应增强，非线性作用加剧，未做功的波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数。

在阶段3中，波谷传播至气室内侧时，气室内水位在波谷作用下下降，压强降低，空气反向流动，继续推动空气透平运动，带动发电机组发电；气室内水面下降的过程中，水体同时发生向挡浪板方向的质量输移，部分水体与挡浪板实体段相互作用发生反射，水体质量输移受阻，气室内水面上升，增大气室内压强，空气流动推动空气透平运动，带动发电机组发电；同时部分水体透过挡浪板预留的孔隙流出气室，产生射流，水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，造成水体紊乱效应增强，非线性作用加剧，未做功的波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数。

在阶段4中，波浪无间歇地运动，防波堤投入使用后不断重复阶段1、2以及3，同时完成波浪能的转化和对波浪传播的削减作用。

本发明的有益效果：

(1)本发明在保证防波堤发挥原有挡浪消波功能的前提下，兼顾波浪能捕获转化功能，做到了传统水工建筑物的复合性利用，解决了传统水工建筑物建成后功能单一的问题。

(2)本发明的主体结构在设计为桩基透空式防波堤的基础上，在气室后墙下部设有具有一定孔隙率的挡浪板，利用波浪反射增强了气室内水面振荡的幅度，提高波浪能转化率，同时又利用挡浪板预留的孔隙使孔隙处产生射流，加耗散，显著降低防波堤的透射系数，有效剧水体紊乱，未做功的波浪能得到进一步减小防波堤后方的透射波高，确保良好的消浪效果的前提下具有较高的能量转化率。

(3)本发明在工程建成投产后可产生显著的环保效益，波浪能利用绿色环保，发电效果呈规模化体现，综合效应十分可观。

(4)本发明除横梁和桩帽外，结构构件均采用预制构件，施工速度快，施工难度低，降低施工成本。

(5)本发明波浪能转化部分采用振荡水柱波能转化原理，工程可靠性强，同时该类型结构设计施工经验丰富，有利于社会推广；本发明各设计中尽可能减少构件与海水接触，结构耐久性强。

综上所述，本发明在具有良好的防波效果的前提下，能够有效减小防波堤后方的透射波高，同时可以实现可靠、高效的波浪能转化利用，绿色环保，此外，防波堤采用桩基透空式结构，允许港内外水体交换，环境友好性强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是A-A剖视图；

图3是气室结构俯视图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，如图1所示，由气室前墙1、气室顶板2、气室3、发电机组4、空气透平5、气室后墙6、横梁7、挡浪板8、基桩9以及桩帽10构成，气室前墙1位于迎浪侧；气室顶板2上设有气流通道，空气透平5安装于气流通道处；发电机4组通过机械传动与空气透平5相连；挡浪板8位于气室后墙6下方，与气室后墙6竖直衔接；基桩9通过桩帽10支撑横梁7，横梁7支撑气室3；该防波堤布置于经论证选择确定下来的港区外围指定区域中。

结合工程现场的各类因素，根据相应的规范确定出基桩9深入海床泥面以下指定深度，满足相应的稳定性要求，本实例中选用目前设计与施工均较为成熟的预应力管桩作为基桩9。考虑到防波堤使用过程中可能遇到的荷载情况，从整体稳定性上考虑，布置双直桩和一对叉桩。

桩帽10用以调整打桩偏位以及基桩端部整平上可能存在的误差。

桩帽10与横梁7可靠衔接，桩帽10与横梁7均为现浇钢筋混凝土结构，在施工时形成一个整体，并与上部结构(气室前墙1、气室顶2、气室3、气室后墙6、挡浪板8)可靠连接。

横梁7为等距布置梁柱结构，如图3所示，横梁间距为4m，横梁间距需满足结构整体受力和承载能力要求。

上部结构(气室前墙1、气室顶2、气室3、气室后墙6、挡浪板8)为预制构件，采用整体预制整体吊装的型式进行施工安装，如图2所示，挡浪板8在结构上与气室后墙6形成整体结构。

如图2所示，挡浪板8为栅栏板型挡浪板，挡浪板实体部分8-1与挡浪板预留空隙8-2等距等间隔交错布置，挡浪板开孔率为30％。

如图3所示，气室顶板2上布置有开孔，用于安装布置空气透平5，空气透平5通过机械传动与发电机组4相连，空气透平5选用可双向整流的威尔士(wells)透平；考虑到波浪能量主要集中在水体表层的分布规律，故各功能性结构构件偏向于在浅水层设计。

因此，气室前墙1底端低于设计低潮位0.5个波高的长度，这里设计低潮位7.19m，波高2.21m，故取气室前墙底端低于设计低潮位距离1.10m)，挡浪板8底端低于设计低潮3.30m。

一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤的实现方法，包括以下阶段：

a.波浪入射至防波堤外侧阶段，防波堤整体结构挡浪消减波能量：

波浪向防波堤方向推进(如图1所示，箭头方向为波浪传播方向)，波峰到达气室外侧，气室外迎海侧内水位因波峰到来已升高，此时气室整体作为防波堤结构整体已开始起到阻挡波浪行进的效果；

b.波峰传播至气室内部，波浪能做功与挡浪板消减波能量；

当下一个波谷到达气室外侧时，气室内水位在波峰作用下开始升高：在水位升高过程中，气室内压强增大，空气流动推动空气透平运动，继而带动发电机组发电；气室内水面升高的过程中，水体同时发生向挡浪板方向的质量输移，部分水体与挡浪板实体段相互作用发生反射，水体质量输移受阻，气室内水面上升幅度增加，再一次增大气室内压强，重复空气流动推动空气透平运动，带动发电机组发电的过程；同时发生部分水体透过挡浪板预留的孔隙流出气室，产生射流，水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，造成水体紊乱效应增强，非线性作用加剧，未做功的波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数。

c.波谷传播至气室内部，波浪能做功与挡浪板消减波能量；

波谷传播至气室内侧时，气室内水位在波谷作用下下降，压强降低，空气反向流动，继续推动空气透平运动，带动发电机组发电；气室内水面下降的过程中，水体同时发生向挡浪板方向的质量输移，部分水体与挡浪板实体段相互作用发生反射，水体质量输移受阻，气室内水面上升，增大气室内压强，空气流动推动空气透平运动，带动发电机组发电；同时部分水体透过挡浪板预留的孔隙流出气室，产生射流，水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，造成水体紊乱效应增强，非线性作用加剧，未做功的波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数；

d.循环与重复过程；

在实际海况中，波浪无间歇地运动，防波堤投入使用后不断重复过程a、b、c，同时完成波浪能的转化和对波浪传播的削减作用。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，其特征在于：包括气室、空气透平、发电机组、挡浪板、横梁以及桩基础；所述的气室由气室前墙、气室顶板以及气室后墙组成；所述的气室前墙位于迎浪侧；所述的气室顶板上设有气流通道，所述的气流通道内设有空气透平和发电机组；所述的挡浪板位于气室后墙下方；所述的桩基础与气室间设有横梁；

所述的挡浪板为栅栏板型挡浪板，开孔率取为20％～40％；

所述的挡浪板的竖直孔隙等距间隔布置；

所述的挡浪板设于气室后墙的延伸段，为整体性预制结构。

2.根据权利要求1所述的兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，其特征在于：所述的桩基础由四根基桩及基桩上部的桩帽构成，其中两根基桩为直桩，另外两根基桩为叉桩。

3.根据权利要求2所述的兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，其特征在于：所述的基桩为预应力管桩，所述的桩帽为现浇钢筋混凝土结构。

4.根据权利要求1所述的兼顾发电功能的桩基透空式防波堤，其特征在于：所述的气室前墙底部低于设计低潮位的距离取为M，M不小于二分之一波高，所述的气室后墙底部与挡浪墙竖直衔接，挡浪墙底部低于设计低潮位的距离取为N，其中M与N为倍数关系，即M＝n N，n为倍数值。