CN107558436A - 一种用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，每个单元模块包括水面构件、水下构件、浮体、固定装置。水面构件的四个组合板条分别通过贯穿孔使用螺母、螺栓将水下构件的端头夹住，构成消波主体。浮体沿着组合板条的长度方向采用柔性捆扎带通过螺母、螺栓固定在水面构件上。水面构件的二个组合板条与固定装置相连。对于单元模块之间的连接，在相应位置共用一个固定装置即可。根据消波的水域区间大小及其形状确定单元模块个数及整体围护形状，最后将这多个单元模块连接。具有结构简单轻便、运输方便、可快速安装和迁移、可重复利用、成本低等优点，可临时或长期设置，特别是对浅水域长周期波具有高效阻挡和削减作用。

Description

一种用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置

技术领域

本发明涉及一种浮式消波装置，特别是涉及一种用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置。

背景技术

防波堤是海岸、港口、码头常用的抵御外海波浪侵蚀的防护结构物。常见的有：传统防波堤、透空式防波堤和浮式防波堤，以及其它特种防波堤。

传统防波堤在水底建造稳固的地基之后，在地基上用大型石块或大型钢筋混凝土块从水底堆砌到水面以上，建成稳固的堤坝结构。其工程浩大，且随着水深的增加成本剧增。当水深很深或水底土质松软时，建造传统防波堤已不可能。况且其隔断水流交换，破坏环境。为了保护环境、达到水质交换的目的而出现了透空式防波堤。透空式防波堤在水面附近的消波主体与水底固定的基础之间是透空的，水流可以交换。传统防波堤、透空式防波堤均是固定于水底不动的结构物，不仅受水深和水底地质的限制，而且不适合于短期临时使用。

继而出现了消波主体浮于水面附近、采用锚固或桩固的浮式防波堤。灵活的固定方式使其适用于深水域，且不受海底地质限制。其与上述传统防波堤、透空式防波堤的主要不同之处在于消波主体可以运动。与传统防波堤、透空式防波堤相比，浮式防波堤具有结构简单、建造方便、成本低、可重复利用、受使用环境限制小和保护环境等优点，特别适合于临时防护使用。

自20世纪70年代开始，出现了各种各样的浮式防波堤结构形式。依据其消波主体的结构特点，可以归纳为四大类：方箱式、浮筒式、席垫式和其它特种形式，各自的主体结构形式分别为大型方箱、大型圆柱体、废弃轮胎或竹筏等，还有喷气、喷水等特种形式防波堤。为了增加消波性能，出现了在消波主体上附加的水平或竖直的板式结构、向下直立的圆柱结构、悬挂的网式结构、悬挂的柔性膜结构等等。消波的主体和附体一般接触不到水底。还有一类在主体迎浪侧开孔，并在主体内部添加消能结构，增加挡浪、消波效果。

现有一种漂浮于水面附近的大型塑料膜构造的柱状水袋消波装置。运输时，空的水袋可叠放，占地面积小，方便运输；到使用现场后，用泵注满水，使内部具有较大压力，像刚体一样阻挡波浪，大大减小了成本和施工难度。

但是由于透空式防波堤和浮式防波堤与水底之间存在大量的水流流动空间，波能易于透过；尤其是当波浪的波长与消波主体尺寸之比大于一定量后，波能几乎完全透过，防波堤失效。此时，如果采用加大防波堤结构尺寸的办法，将使得主体变成了超大型浮体，甚至大到不可能实现，或者变成了传统防波堤，失去了透空式和浮式防波堤的优势。就目前各式各样的透空式防波堤、浮式防波堤和其它特种防波堤而言，阻挡和削减长周期波存在相当大的困难，只有少数文献指出其防波堤对于周期长达4～6秒的波浪有效，而能够有效削减周期大于6秒波浪的防波堤未见报道。

而目前沿岸、外海施工环境波浪周期动辄达到6秒以上；台风来袭时，更是恶浪滔天，如“天鸽”台风造成我国沿岸最大波高涌浪对应的周期在10秒左右，涌浪的最长周期超过了20秒。可见，能够阻挡周期在6秒左右、甚至更大周期的浮式防波堤显得尤为重要，用以保护水上建筑及堤岸并保障人员生命财产安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，与一般的浮式防波堤相比具有结构简单轻便、可快速安装和迁移、可重复利用、成本低等优点，可临时或长期设置，特别是对浅水域长周期波具有高效阻挡和削减作用。

本发明解决上述目的所采用的技术方案是：采用单元模块化组合的结构，每个单元模块包括水面构件、水下构件、浮体、固定装置。水面构件的四个组合板条分别通过贯穿孔使用螺母、螺栓将水下构件的端头夹住，构成消波主体。浮体沿着组合板条的长度方向采用柔性捆扎带通过螺母、螺栓固定在水面构件上，提供浮力，并阻碍水波翻越和水面构件的摇荡运动。水面构件的二个组合板条与固定装置相连。对于单元模块之间的连接，在相应位置共用一个固定装置即可。根据消波的水域区间大小及其形状确定单元模块个数及整体围护形状，最后将这多个单元模块连接。

按上述技术方案，所述的水面构件包括四个组合板条，每个组合板条的尺寸、结构形式和材质相同；相邻组合板条的间距、各组合板条位于水面附近的姿态和位置根据波浪条件确定。每个组合板条由两块板件相扣而成，在板件上设多组贯穿孔，用于安装螺母、螺栓，从而固定水下构件。四个组合板条的中间两板条不相连，另外相邻板条两两通过非平行的刚性连接固定。在四个组合板条中取朝向外海的第一个和第三个，并在这二个组合板条的两端安装柱状套筒分别与固定装置相连。

按上述技术方案，所述的水下构件包括内、外两层薄的柔性结构，材质相同。柔性结构的两端头设有贯穿孔，配合水面构件的贯穿孔，通过螺母、螺栓将水下构件与水面构件连接。外层柔性结构与水底接触，接触面与水面构件宽度相近；内层柔性结构悬于外层柔性结构之内。水下构件的材料密度略重于水的密度，或添加类似于重物构件，使其在水中向下延展。在外层柔性结构适当的位置开孔，一方面有助于增强消波效果，另一方面便于安装时水进入柔性结构内，加快柔性结构的下沉。将外层柔性结构中开孔的边缘和四条边进行包边加固，避免撕裂。

按上述技术方案，所述的浮体为气囊、泡沫类能够提供浮力的倒梯形物体。

按上述技术方案，所述的固定装置为固定桩，在水面构件的朝向外海的第一个和第三个组合板条的两端各固定一个柱状套筒，套在固定桩上。在固定桩上设置限位器，限制柱状套筒的上下移动，从而限制整个单元模块的位置和运动。

按上述技术方案，所述的固定装置为锚固系统，水面构件的朝向外海的第一个和第三个组合板条两端的柱状套筒分别与锚固系统相连。

本发明由于采用了上述结构，综合了浮式防波堤和传统防波堤的优点，消波主体采用的水下构件的外层柔性结构与水底充分接触，具有类似于传统防波堤从水底建造起来的结构特点，与水面构件一起，构成浮式消波主体，具有结构简单轻便、运输方便、可快速安装和迁移、可重复利用、成本低等优点，可临时或长期设置，特别是对浅水域长周期波具有高效阻挡和削减作用。

下面给出在实验室里做的系列试验和散点试验的结果。系列试验结果给出了透射系数K_t的数据表。透射系数K_t是透过防波堤的透射波波高与入射波波高之比。表1给出了系列试验的透射系数K_t随kh值的变化数据，k为入射波波数，h为水深。

表1透射系数K_t随kh值的变化

表1中，kh为无因次波浪参数，其值越小，波浪周期越大。H为入射波高，L为入射波长，H/L为入射波波陡，波陡值越大，波浪越恶劣。透射系数K_t，反映防波堤的消波性能，透射系数K_t越小，消波性能越好。

从以上系列试验的数据来分析本发明的效果。将最小值kh＝0.94的试验结果换算到实际海况，在试验范围内，此时对应的波浪周期最长。如果水深取常见的浅水20m为例，对应波浪的波长为133.6m，周期为10.7秒。该周期远远大于目前浮式防波堤有效削减的波浪周期6秒的范围。将H/L＝0.03的5～6级海况削减为3级，消波效果达到75％；将H/L＝0.05的7级海况削减为5级，消波效果达到56％；将H/L＝0.07的8级海况削减为6级，消波效果达到48％。

具体散点试验的结果在此不再一一列举。其中，周期最长、消波效果仍然接近70％的试验为：波浪参数为kh＝0.49，H/L＝0.0156，透射系数K_t为0.32。换算到实际海况，仍然以水深为20m为例，对应波浪的波长为256.1m，周期为18.99秒，本发明可将如此长周期海浪从5级海况削减为3级。此波浪周期18.99秒已经相当长了，对其消波效果仍有70％，消波效果已经相当高效了。

以上系列试验和散点试验中，本发明的宽度B与波长L之比：周期为18.99秒时，B/L＝0.17,则B＝43.5m；周期为10.7秒时，B/L＝0.225，则B＝30m。本发明是由小型构件组合板条和轻质薄的柔性结构构成，这样的尺度是很容易实现的。

以上数据说明，本发明在浅水区域对周期长达18-19秒的涌浪仍然具有显著的消波效果。对于周期小的波浪，消波效果更好。

本发明可用于江河、湖泊和海洋的浅水区域的挡浪和消波，保护各种水上建筑，包括港口码头、堤岸、水上休闲娱乐场所、海上电场、养殖场、岛礁、飞机跑道免受波浪的破坏。也可用于海上施工的临时防护，台风来袭时的临时防护或作为被保护对象的替代消耗品。

附图说明

图1为本发明的单元模块立体结构示意图。

图2为本发明的水面构件立体结构示意图。

图3为本发明桩固的使用状态立体示意图。

图4为本发明锚固的使用状态立体示意图。

图中：1.水面构件，2.水下构件，3.浮体，4.固定桩，5.锚固系统，6.组合板条，7.贯穿孔，8.螺母，9.螺栓，10.柔性捆扎带，11.柱状套筒，12.限位器，13.刚性连接，14.重物构件，15.开孔，16.包边。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：

采用单元模块化组合的结构。每个单元模块包括水面构件1、水下构件2、浮体3、固定装置。水面构件1的四个组合板条6分别通过贯穿孔7使用螺母8、螺栓9将水下构件2的端头夹住，构成消波主体。浮体3为气囊、泡沫等能够提供浮力的倒梯形物体，沿着长度方向以柔性捆扎带10通过螺母8、螺栓9固定在水面构件1上。在水面构件1的四个组合板条6中取二个与固定桩4或锚固系统5相连。在这二个组合板条6的两端各固定一个柱状套筒11，套在固定桩4上或与锚固系统5的上端相连。在固定桩4上设置限位器12，限制柱状套筒11的上下移动；当采用锚固系统5定位时，柱状套筒11与锚固系统5相连。对于单元模块之间的连接，在相应位置共用一根固定桩4或锚固系统5即可。另外，根据消波的水域区间大小及其形状确定单元模块个数及整体围护形状，将这多个单元模块连接。

水面构件1包括四个组合板条6，每个组合板条6的尺寸、结构形式和材质是一样的；相邻组合板条6间距、各组合板条6位于水面附近的姿态和位置根据波浪条件确定。一个组合板条6由两块板件相扣而成，并设有多组贯穿孔7，用于安装螺母8、螺栓9以固定水下构件2。四个组合板条6中间两组合板条6不相连，另外相邻组合板条6两两通过非平行的刚性连接13固定。在四个组合板条6中取朝向外海的第一个和第三个，并在这二个组合板条6的两端安装柱状套筒11分别与固定桩4或锚固系统5相连。

水下构件2包括内、外两层薄的柔性结构，材质一样。柔性结构的两端头设有贯穿孔，配合水面构件1的贯穿孔，通过螺母8、螺栓9将水下构件2与水面构件1连接。外层柔性结构与水底接触，接触面与水面构件1几乎等宽；内层柔性结构悬于外层柔性结构之内。水下构件2的材料密度略重于水的密度，或添加类似于重物构件14，使其在水中向下延展。在外层柔性结构适当的位置开孔15，一方面有助于增强消波效果，另一方面便于安装时水进入柔性结构内，加快柔性结构的下沉。将外层柔性结构中开孔的边缘和四条边进行包边16加固，避免撕裂。

实施时需要一艘打桩船、一艘起重船进行水上施工。

实施方式一

1、首先，打桩船在指定位置将带限位器12的固定桩4固定于水域。

2、同时，在岸上把单元模块的水面构件1、水下构件2、浮体3组装到一起。并在水面构件1的四个组合板条6中的二个上安装与固定桩4相连的柱状套筒11。并组装需要的单元模块数量。

3、然后，将组装好的多个单元模块装到起重船上。

4、起重船到达目的地后，将单元模块吊放到水中，使各单元模块浮在固定桩4附近。

5、再次使用起重船将安装了柱状套筒11的组合板条的端头一一吊起，并将柱状套筒11套进固定桩4，并被限位器12卡住。

实施方式二

1、首先，起重船在指定位置将锚固系统5投放到水域。

2、3、4步与实施方式一相同。

5、再次使用起重船将安装了柱状套筒11的组合板条的端头一一吊起，将锚固系统5与柱状套筒11相连。

Claims (6)

1.一种用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，其特征在于：采用单元模块化组合的结构，每个单元模块包括水面构件(1)、水下构件(2)、浮体(3)、固定装置；水面构件(1)的四个组合板条(6)分别通过贯穿孔(7)使用螺母(8)、螺栓(9)将水下构件(2)的端头夹住，构成消波主体；浮体(3)沿着组合板条(6)的长度方向采用柔性捆扎带(10)通过螺母(8)、螺栓(9)固定在水面构件(1)上，提供浮力，并阻碍水波翻越和水面构件(1)的摇荡运动；水面构件(1)的二个组合板条(6)与固定装置相连；对于单元模块之间的连接，在相应位置共用一个固定装置即可；根据消波的水域区间大小及其形状确定单元模块个数及整体围护形状，最后将这多个单元模块连接。

2.根据权利要求1所述的用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，其特征在于：所述的水面构件(1)包括四个组合板条(6)，每个组合板条(6)的尺寸、结构形式和材质相同；相邻组合板条(6)的间距、各组合板条(6)位于水面附近的姿态和位置根据波浪条件确定；每个组合板条(6)由两块板件相扣而成，在板件上设多组贯穿孔(7)，用于安装螺母(8)、螺栓(9)，从而固定水下构件(2)；四个组合板条(6)的中间两组合板条(6)不相连，另外相邻组合板条(6)两两通过非平行的刚性连接(13)固定。

3.根据权利要求1或2所述的用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，其特征在于：所述的水下构件(2)包括内、外两层薄的柔性结构，材质相同；柔性结构的两端头设有贯穿孔，配合水面构件(1)的贯穿孔(7)，通过螺母(8)、螺栓(9)将水下构件(2)与水面构件(1)连接；外层柔性结构与水底接触，接触面与水面构件(1)宽度相近；内层柔性结构悬于外层柔性结构之内；水下构件(2)的材料密度略重于水的密度，或添加类似于重物构件(14)，使其在水中向下延展；在外层柔性结构适当的位置开孔(15)，一方面有助于增强消波效果，另一方面便于安装时水进入柔性结构内，加快柔性结构的下沉；将外层柔性结构中开孔的边缘和四条边进行包边(16)加固，避免撕裂。

4.根据权利要求3所述的用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，其特征在于：浮体(3)为气囊、泡沫类能够提供浮力的倒梯形物体。

5.根据权利要求4所述的用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，其特征在于：所述的固定装置为固定桩(4)，在水面构件(1)的朝向外海的第一个和第三个组合板条(6)的两端各固定一个柱状套筒(11)，分别套在固定桩(4)上；在固定桩(4)上设置限位器(12)，限制柱状套筒(11)的上下移动，从而限制整个单元模块的位置和运动。

6.根据权利要求4所述的用于浅水域高效削减长周期波的柔性消波装置，其特征在于：所述的固定装置为锚固系统(5)，水面构件(1)的朝向外海的第一个和第三个组合板条(6)两端的柱状套筒(11)分别与锚固系统(5)相连。