CN106969904A - 一种气浮式浮防波堤结构及其物理模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气浮式浮防波堤结构及其物理模型试验装置，属近海工程领域。一种气浮式浮防波堤结构，由倒凹字形浮体、气流通道、阀门、锚链和沉块等部件组成。一种气浮式浮防波堤结构物理模型试验装置，由倒凹字形浮体、气流通道、锚链、气泵、气压传感器、导线、电动绞缆机和控制箱等部件组成。本发明的浮防波堤结构采用倒凹字形浮体，与浮箱式防波堤相比在同等波况下可显著减少浮体材料用量，工程建设成本低廉，同时可兼顾良好的消浪效果，并且可适用于需重复利用工况。本发明的物理模型试验装置自动化程度高、操作简便、试验效率高，可显著降低试验过程中的人力成本，可广泛应用于气浮式浮防波堤的物理模型试验过程。

Description

一种气浮式浮防波堤结构及其物理模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种新型浮式防波堤及其物理模型试验装置，具体涉及一种气浮式浮防波堤结构及其物理模型试验装置。

背景技术

在海岸、近海工程领域，防波堤作为一种挡浪消波的海岸建筑物得以广泛应用。在防波堤工作过程中，主要通过波浪与防波堤结构单元相互作用，从而削减波浪作用效果，降低波浪透射系数，掩护后方港池等特定水域。在目前的实际工程中，传统斜坡式防波堤和直立式防波堤由于自身的一些不足已越来越难以满足深水海域防波堤建设的需要，而与之相对的，新型的浮式防波堤不仅可以消减波浪作用效果,而且具有造价低、结构简单、不破坏水域生态环境、适宜软土海床水域、修建迅速、拆迁容易等特点，以上特点使得浮式防波堤在深海区域中得以广泛应用。

浮箱式浮防波堤作为主要的浮式防波堤结构型式，具有结构简单，可靠性强、易于维护等特点，其中防波堤单元通过依靠浮箱体中设置中空区域为浮箱提供浮力，另为达到吃水要求，还需在中空区域下方设置一定质量的压载层用以维持浮箱整体的稳定。在实际应用中浮箱断面往往较大，导致存在着建设材料成本较高的问题。

而在浮式结构领域，早已有采用压缩空气构建的封闭气室为浮体结构提供浮力支持的先例，已投入工业化使用的就有气垫船、浮式平台等结构，但在海岸工程领域，少有关注采用压缩空气构成封闭气室与大气压强差作为浮式防波堤提供主要浮力支持的技术方案。因此，有必要探索设计上述提及的利用压强差为浮式防波堤提供主要浮力支持的技术方案，在确保防波堤原有挡浪消波功能的基础上，提高浮式防波堤整体稳定性，减小浮式防波堤断面尺寸，降低工程造价。

在浮式防波堤物理模型试验领域，同样缺乏对气浮式防波堤的研究技术方案和试验模型设计，现有的模型试验技术方案往往存在模型本身灵活调节性较低、试验过程中人力成本较高、部分现场试验数据记录准确率较低等问题，因此在探索设计利用新型浮式防波堤技术方案的基础上，也应对气浮式防波堤物理模型试验装置进行探索设计。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种新型气浮式浮防波堤结构。本发明的气浮式浮防波堤结构，其浮体呈倒凹字形，利用浮体内部与水体接触的长方体空间中空气压缩至指定压强形成封闭气室，依靠封闭气室内压强与大气压强之间的压力差使封闭气室内气体对浮体产生向上的作用力，从而对防波堤结构单元起到主要的浮力支撑作用；浮体两侧设置有锚链，所述浮体通过锚链连接至布置于海底的沉块。本设计可显著降低浮体断面尺寸从而降低防波堤结构材料成本，即从降低工程成本的角度出发，优化结构型式，提出利用气室内压强与大气压强之间的压力差对浮体产生向上的作用力的原理为防波堤浮体结构提供主要浮力支持且适用于较深海域的新型浮式防波堤结构。

本发明还依据相同的原理，提供了一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置。本发明的气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，采用波浪模型试验原则进行设计，为气浮式防波堤结构的物理模型试验的简洁、高效、精准进行提供了技术设计方案。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种气浮式浮防波堤结构，由浮体、气流通道、阀门、锚链和沉块构成。所述浮体为倒凹字形，为防波堤单元的结构主体，浮体上部设置有气流通道，气流通道由阀门封闭，浮体下部两侧均安装有锚链；所述锚链上部连接至浮体，下部连接至沉块；所述沉块安放布置于海床中。

进一步地，所述浮体为倒凹字形，水平安放在水面上，倒凹字形浮体与水面间形成封闭气室；进一步地，所述气流通道位于倒凹字形浮体上部，气流通道由阀门封闭，将气室与外界限制性连通；所述气流通道通过阀门与外界大气连通，在阀门封闭时不允许浮体内部封闭气室与外界发生气体交换，且可保持封闭气室密闭性良好，阀门封闭时需调节浮体吃水时，可通过外接气泵对封闭气室进行充放气以达到安装布置要求。

所述气浮式浮防波堤结构的受力原理如下：P_w为封闭气室与外界的压强差值，封闭气室水平断面面积为A，浮体重量为G，浮体自身所受浮力为S，则气浮式防波堤浮体受力满足：

受力平衡G＝S+P_WA

其它未说明部分采用已有浮式防波堤设计施工技术予以解决。

一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，在与实体结构设计具有相同的浮体、气流通道、阀门、锚链的基础上，还包含有气泵、气压传感器、导线、电动绞缆机和控制箱等部件。所述浮体为倒凹字形，四周留有系泊锚链的系泊点，浮体内部凹形区域处设置有用于测量气压的气压传感器；浮体上部设置有气流通道，气流通道内横向并列设置有阀门和气泵，浮体下部两侧均安装有锚链；所述锚链上部连接至浮体，下部连接至电动绞缆机，所述电动绞缆机牢固安放在试验水槽中。所述气压传感器和气泵均通过导线连接至控制箱。

进一步的，所述控制箱安放于试验水槽外侧，通过导线与气压传感器和气泵连接。进一步的，所述气泵位于气流通道内，通过导线与控制箱相连，接收控制箱指令从而进行抽、排气工作，在不工作时保持气密性良好。所述气压传感器位于气流通道一侧，用于实时测量封闭气室内的压强值，通过导线与控制箱连接，将测量值实时反馈至控制箱。

进一步的，试验中采用不锈钢链作为锚链，锚链下部直接与电动绞缆机相连；所述电动绞缆机用于根据试验需求调节锚链长度，在每次试验开始前可根据浮体吃水情况启动电动绞缆机调节锚链长度至所需定长并予以锁死固定，使试验过程中锚链长度保持恒定。从而满足不同组次试验中对不同锚链长度的需求。

本发明的气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置操作流程如下：

1.设备安装过程：

将电动绞缆机安放于指定位置，将防波堤模型平稳放置并连接锚链，将气压传感器和气泵的外接导线连接至控制箱。

2.试验调节过程：

将试验用波浪水槽放水至特定水位，将浮体放置于水槽中，待浮体浸入一定水深后封闭阀门。启动电动绞缆机调节锚链长度直至锚链长度满足该水位下试验要求，并予以锁死固定，试验过程中锚链长度保持恒定。

3.工作过程：

通过气泵充、放气来调整浮体吃水深度至设计值，即可开始试验，试验过程中水槽水深、浮体吃水恒定，试验中实现浮体与波浪相互作用过程并完成相关参数和物理量的测量。当工况需改变时，水位改变可通过重复过程2实现水槽中水深的变化调节，另需再次启动电动绞缆机调节锚链长度至特定长度以继续试验；浮体吃水的变化调节需通过气泵对封闭气室里加气、放气进而改变浮体吃水深度。以上即可实现多工况下浮体与波浪相互作用过程并完成相关参数的测量。

4.试验结束：待试验结束后，断开控制，依次拆下各构件，试验结束。

本发明的有益效果：

1、本发明的气浮式浮防波堤结构，采用倒凹形结构体设计，利用封闭气室与外界的压强差与浮体所受浮力共同作为浮体的浮力支撑，其中封闭气室与外界的压强差值Pw为主要浮力支持，本方案与传统浮箱式防波堤相比可显著减少断面材料用量；另采用倒凹字形结构作为防波堤主体结构，在相同材料用量的前提下省去传统浮式防波堤所需的压载层设置，简化防波堤结构单元的制造过程。通过采用封闭气室设计可显著降低浮式防波堤单元的材料成本。

2、本发明的气浮式浮防波堤结构，在投入使用时可直接浮吊至预定区域，待浮体浸入水深到达指定深度时封闭阀门形成封闭气室，可通过外接气泵充、放气来调整吃水深度至设计值，适用于不同工况下尤其是需临时改变防波堤安放位置的浮式防波堤工程。通过采用可控阀门设计极大地提高了防波堤结构的适用工况和适用范围。另防波堤需更换位置安放布置时，因本设计浮体质量较传统浮式结构显著降低，可打开阀门解除气室封闭状态，使气室内外空气贯通，将壳体结构直接吊起用以安放至预定位置，安放布置过程对吊装机械要求低，安放施工难度小，施工成本低，经济性显著。

3、本发明的气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，通过设置电动绞缆机连接锚链，电动绞缆机可根据试验需求调节锚链长度，在每次试验开始前根据浮体吃水情况启动电动绞缆机调节锚链长度至所需定长并予以锁死固定，使试验过程中锚链长度保持恒定。从而满足不同组次试验中对不同锚链长度的需求，本设计避免了试验中涉及的繁琐的锚链安装及长度需调节时的锚链长度调节过程，试验效率得以提升。

4、本发明的气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，采用外接控制箱输入输出指令用以调节气泵工作和获取压强值，避免了人工接触干扰，简化试验操作，试验自动化能力得到显著提升，试验过程更为高效，为试验研究过程的顺利推进提供了保障。

综上所述，本发明提供的一种气浮式浮防波堤结构优选地利用封闭气室与大气压强差作为浮体主要的浮力支撑，在同等情况下可显著降低防波堤断面尺寸从而降低工程成本，并可灵活转移场地安装利用。本发明提供的一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，操作简单、测量精准、自动化程度高，可显著提高相应的波浪模型试验效率和精确性，为浮式防波堤模型试验提供一种新的解决思路和解决方案。

附图说明

图1是一种气浮式浮防波堤结构示意图。

图2是一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置断面示意图。

图3是一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验电动绞缆机示意图。

1.浮体，2.气流通道，3.锚链，4.沉块，5.阀门，6.气泵，7.导线，8.控制箱，9.气压传感器，10.电动绞缆机

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

一种气浮式浮防波堤结构，如图1所示，由浮体1、气流通道2、阀门5、锚链3和沉块4构成。浮体1为防波堤结构主体，浮体1上部设置有气流通道2，气流通道2中由阀门5封闭，浮体1下部两侧均安装有锚链3；锚链3上部连接至浮体1，下部连接至沉块4；沉块4牢固安放布置于海床中。在投入使用时直接浮吊浮体1至预定海域，待锚链3、浮体1，沉块4连接成整体后，浮体浸入水深到达指定深度时封闭阀门5形成封闭气室，通过外接气泵对封闭气室充、放气来调整浮体吃水深度至设计值，断开外接气泵连接使气室封闭，防波堤结构安放完毕投入使用。另防波堤需更换位置安放布置时，打开阀门5使封闭气室与大气连通，将浮体1直接吊起用以安放至新位置或回收。

一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，整体结构如图1所示，断面示意如图2、3所示，由浮体1、气流通道2、锚链3、气泵6、气压传感器9、导线7、电动绞缆机10和控制箱8组成。浮体1为倒凹字形，四周留有系泊锚链3的系泊点。气泵6、气压传感器9通过导线7与控制箱8连接。如图3所示，锚链3上部连接至浮体，下部连接至电动绞缆机10。

一种气浮式浮防波堤结构的物模型试验过程如下：

1.设备安装过程：

将电动绞缆机安放于指定位置，将防波堤模型平稳放置并连接锚链，将气压传感器和气泵的外接导线连接至控制箱。

2.试验调节过程：

将试验用波浪水槽放水至特定水位，将浮体放置于水槽中，待浮体浸入一定水深后封闭阀门。启动电动绞缆机调节锚链长度直至锚链长度满足该水位下试验要求，并予以锁死固定，试验过程中锚链长度保持恒定。

3.工作过程：

通过气泵充、放气来调整浮体吃水深度至设计值，即可开始试验，试验过程中水槽水深、浮体吃水恒定，试验中实现浮体与波浪相互作用过程并完成相关参数和物理量的测量。当工况需改变时，水位改变可通过重复过程2实现水槽中水深的变化调节，另需再次启动电动绞缆机调节锚链长度至特定长度以继续试验；浮体吃水的变化调节需通过气泵对封闭气室里加气、放气进而改变浮体吃水深度。以上即可实现多工况下浮体与波浪相互作用过程并完成相关参数的测量。

4.试验结束：待试验结束后，断开控制，依次拆下各构件，试验结束。

Claims (5)

1.一种气浮式浮防波堤结构，其特征在于主要由浮体、气流通道、阀门、锚链和沉块构成，所述浮体为防波堤结构主体，浮体上部设置有气流通道，气流通道由阀门封闭，浮体下部两侧均安装有锚链；所述锚链上部连接至浮体，下部连接至沉块；所述沉块牢固安放布置于海床中。

2.根据权利要求1所述的气浮式浮防波堤结构，其特征在于所述的浮体为倒凹字形。

3.一种气浮式浮防波堤结构的物理模型试验装置，其特征在于主要由浮体、气流通道、锚链、气泵、气压传感器、导线、电动绞缆机和控制箱组成，所述浮体为倒凹字形，四周留有用于系泊锚链的系泊点，浮体内部凹形区域设置有用于测量气压的气压传感器；浮体上部设置有气流通道，气流通道内安装有气泵；所述锚链上部连接至浮体，下部连接至电动绞缆机；所述电动绞缆机固定于试验水槽中；所述气压传感器和气泵均通过导线连接至控制箱。

4.根据权利要求3所述的一种气浮式浮防波堤结构物理模型试验装置，其特征在于：所述控制箱布置于试验水槽外侧，通过导线与气压传感器和气泵连接。

5.根据权利要求3所述的一种气浮式浮防波堤结构物理模型试验装置，其特征在于：所述电动绞缆机安放于水槽底部，所述锚链直接连接至电动绞缆机。