CN111188313A - 一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤及其设计方法、冲淤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤及其设计方法、冲淤方法，包括防波堤主体、涵洞、涡轮机、高压水管、潮位计、数控阀门。本发明利用潮汐以及泥沙悬浮特性来解决我国部分高含沙淤泥质海域的防波堤内外水循环封闭，水体质量低、泥沙淤积的问题，根据理论推导以及数值试验，发现潮汐在防波堤的涵洞内部会形成一股流量巨大的振荡水流，对港内水体交换起到了重要作用，且涵洞位置对此流量的大小影响较小。本发明具有施工简单、经济环保、适用性广等特点，在防波的同时提高水体质量进而减少了泥沙淤积，此外防波堤构成一个循环系统，更加智能。
Description
技术领域
本发明涉及海港防波堤技术领域，尤其涉及一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤及其设计方法、冲淤方法。
技术背景
泥沙淤积一直是影响海港运营的最主要问题，以中国舟山海域为例，舟山海域水体泥沙含量较高，同时由于舟山码头众多，为了维持港内的波况稳定，修建了大量的重力式防波堤，由此也带来了一系列的问题。由于防波堤的阻隔作用，防波堤内外水体交换被堵塞，仅有口门能够使得内外水体交换，同时由于港内波浪条件较好，内侧水体流速较低，泥沙易沉降，在防波堤内侧更是如此，泥沙大量淤积，但一般船舶的停泊区域就在防波堤内测，由此一旦发生淤积，港内水深条件将满足不了船舶的靠泊要求，进而影响码头的运营。
目前，解决港口淤积问题的方式主要定期疏浚的方式，但是该方式始终是治标不治本，泥沙淤积之后需要清淤，清完之后继续淤积，如此循环往复，如果港口水动力条件不改变的话，清淤就是一个永远存在的问题，无法解决；同时清淤费用花费巨大，少则百万，多则千万甚至上亿，如长江深水航道，每年花费更是用亿来计，用清淤来解决泥沙淤积问题并不经济，同时还有污染环境的副作用。
根据以上问题，可知寻找一种低成本、效果显著且技术上容易实现的解决方案具有极大的意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的设计思路，可应用于各类港口，解决防波堤内侧港池容易淤积的问题。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，包括防波堤主体、涵洞、涡轮发电机、数控阀门、高压水管和潮位计；
所述的涵洞为贯穿整个防波堤主体的矩形通道，通道高度与设计低水位(低潮累积频率为90％的潮位，简称低潮90％)时的水深比值为0.1-0.2，通道长度与设计低水位时的水深比值为2-4；涵洞在防波堤主体上排布为上下两层，每层包含多个通道，上层涵洞的迎浪侧和下层涵洞的背浪侧为进水口，上层涵洞的背浪侧和下层涵洞的迎浪侧为出水口，每一个涵洞的进、出水口处安装有所述的数控阀门；
所述的涡轮发电机安装于涵洞内靠近进水口的位置，且涵洞进水口与涡轮发电机之间安装有用于冲洗通道内泥沙的高压水管；所述的土工织布设置在防波堤主体堤脚处，防止防波堤底部冲刷；所述的潮位计设置在防波堤主体的迎浪侧，涨潮时仅开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门，迎浪侧水体经上层涵洞流入背浪侧，落潮时仅开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门，背浪侧水体经下层涵洞流入迎浪侧。
优选的，上层涵洞和下层涵洞的矩形通道之间交错排布。
优选的，上层涵洞的布置高度低于设计低水位，下层涵洞略高于海底。
优选的，涵洞通道的宽度与高度相等。
优选的，上层涵洞内部的高压水管进水口处位于设计低水位附近，下层涵洞内部的高压水管进水口处位于海底附近，所述的高压水管流量可调节。
优选的，数控阀门结构形式为滚动式数控阀门，相较于横拉式施工方便，相较于旋转式更好控制涵洞的开度，因此能更好的保持港内外的泥沙平衡。
本发明的另一目的在于提供了一种基于上述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的冲淤方法，具体为：
1)在涨潮期间，港外水位逐渐升高，潮位计监测到水位从低到高变化时，将开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门，关闭下层涵洞进、出水口处的数控阀门，同时上层涵洞内部的高压水管从水面附近取水，上层含沙量相对较低的水体通过上层涵洞进入港内，驱动涡轮发电机转动发电，在发电的同时水体动能被消耗，港内波较小，满足船舶停泊要求；
2)在落潮期间，港外水位逐渐降低，潮位计监测到水位从高到低变化时，将开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门，关闭上层涵洞进、出水口处的数控阀门，同时下层涵洞的高压水管从海底处取水，由于港内的水体动力较弱，泥沙在重力的作用下自然沉降，靠近海底的水体含沙量较高，高含沙水体在潮流以及高压水管的协同作用下被带到港外，整体降低港内含沙量，防止港内泥沙淤积；随着潮流以及波浪输移，同时驱动涡轮发电机转动发电并起到消能作用；
3)考虑到港内外的泥沙平衡问题，定期检测港内外的泥沙淤积情况，若港内以淤积为主，则减少涨潮时上层涵洞的数控阀门开启时间以及阀门开度，加大上层涵洞内高压水管的流量；若港内以冲刷为主，则减少落潮潮时下层涵洞的数控阀门开启时间以及阀门开度，减小下层涵洞内的高压水管的流量。
所述的涡轮发电机生成的电能用于供给数控阀门、高压水管、潮位计使用，多余能量进行储存。在涨落潮的协同作用下，能够较好的解决从口门带来的大量泥沙问题，进而减少每年的清淤量，经济环保，同时整个防波堤形成一个系统，除却自身所需的能量外还能向外部提供能量。
本发明的另一目的在于提供了一种上述适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法：
步骤一，确定海域波浪参数以及防洪堤需满足的透射要求，所述的波浪参数包括有效波高和周期；
步骤二，确定海域设计潮位以及极端潮位；
步骤三，根据步骤一和步骤二确定的参数，对涵洞参数进行理论建模；
步骤四，确定涵洞高度的设计范围，初始化涵洞高度值S1，根据涵洞高度值确定涵洞顶高线位置ds和涵洞长度2B；
步骤五，根据步骤四得到的S1、ds和2B，采用设计高水位以及设计低水位的平均值作为计算所用的水深，并结合步骤一和步骤三，计算得到评价因子J：
式中，Kti为波浪设计透射系数，Qi为涵洞断面流量，Hoi为波高，N为所选测的波浪组成波个数，A为入射波振幅，h为水深，g为重力加速度，取9.81m/s2；
若具有实际的波浪谱，则根据对应的频率谱进行加权平均，若无，则使用步骤一得到的有效波高、周期，并根据格鲁霍夫斯基公式换算出在设计高水位以及设计低水位平均值水深条件下的1％大波波高H1％以及对应周期T1％，进而计算得到最终的评价因子J，由此可得一组涵洞结构参数cul(ds,S1,2B,J)；
步骤六，重复步骤四至步骤五，遍历涵洞高度所设计的范围，迭代计算得到一系列涵洞结构参数，选取评价因子J最大值对应的涵洞结构参数作为最终的设计参数。
本发明具备的有益效果为：
1、本发明所述的自动化多功能涵洞式防波堤整体构成一个系统，除了机器维修外，不再需要人为干预，具有自动化的特性，且制作工艺简单，施工方便，不存在技术难题；
2、本发明所述的自动化多功能涵洞式防波堤是针对高含沙海域而设计，可有效解决港内泥沙大量淤积同时水体更新率较低的问题；除了具有正常防波堤具有的消浪、拦沙等功能外，还可以利用潮流能进行发电，同时由于涡轮机的作用，不需要额外安装消能装置，与传统的重力式防波堤比起来，不但减少了清淤费用而且防波堤的发电也能带来一定的经济效益；
3、该防波堤涵洞结构尺寸可根据本发明所述的设计方法得到，在满足波浪透射的条件下能够提高水体交换效率，减少泥沙的淤积，具备理论基础；
4、该防波堤将发电涡轮机、高压水管安装在涵洞入口处，实现后期维修或更换方便，且将发电涡轮机安装在入口处，水体涡脱剧烈，能量更为集中，有利于提高发电率；本发明在涵洞中配备了高压水管，兼备冲洗功能和清淤功能，位于入口处高压水管的清淤范围变大，能够更好的冲洗涵洞。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构断面示意图；
图2为本发明实施例的整体结构正面示意图；
图3为本发明的防波堤的涵洞尺寸设计方法流程图；
图4为实施例中波浪对透空式直立堤作用示意图；
图5为涵洞相对长度对透射系数的影响曲线；
图6为涵洞相对长度对反射系数的影响曲线；
图7为涵洞相对长度对平均速度的影响曲线；
图8为涵洞相对长度对平均加速度的影响曲线；
图9为涵洞相对深度对透射系数的影响曲线；
图10为涵洞相对深度对平均速度的影响曲线；
图11为涵洞相对深度对平均加速度的影响曲线；
图12为涵洞相对高度对透射系数的影响曲线；
图13为涵洞相对高度对平均速度的影响曲线；
图14为涵洞相对高度对平均加速度的影响曲线；
图15为涵洞相对高度对涵洞流量的影响曲线；
图中，1防波堤主体、2数控阀门，3涵洞，4涡轮发电机，5潮位计，土工织布，7高压水管。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，如图1所示，包括防波堤主体、涵洞、涡轮发电机、数控阀门、高压水管、土工织布、潮位计；所述防波堤主体1为常规的重力式防波堤或斜坡堤或直立堤，所述的涵洞3为贯穿整个防波堤主体的矩形通道；涵洞3在防波堤主体上排布为上下两层，上层涵洞位于设计低水位下侧，下层涵洞略高于海底，每层均包含多个通道，为了涵洞结构稳定，上层涵洞和下层涵洞的矩形通道之间交错排布，如图2所示；所述数控阀门2安装于涵洞3的进出口处；所述涡轮发电机4安装于涵洞3内靠近进水口的位置；所述的潮位计5为潮位检测仪器，涨潮时开启上层涵洞(涨潮通道)处的数控阀门2，封闭下层涵洞(落潮通道)处的数控阀门2，落潮时相反；所述土工织布6置于防波堤主体1堤脚处，防止防波堤底部冲刷；所述高压水管7分别为涨潮通道入口处以及落潮通道入口处，位于涵洞进水口与涡轮发电机4之间，其中上层涵洞内部的高压水管7进水口处位于设计低水位附近，底层涵洞内部的高压水管7进水口处位于海底附近，所述的高压水管流量可调节。
在本发明的一个具体实施例中，所述的数控阀门有旋转式、滚动式以及横拉式三种，但滚动式相较于横拉式施工方便，相较于旋转式更好控制涵洞的开度，阀门开启时向上滚动，同时根据相应的需要控制阀门的开度，关闭时则相反。
涵洞3分为涨潮通道以及落潮通道两种，涨潮时通过数控阀门关闭落潮通道，打开涨潮通道，潮流通过涨潮通道，涨潮流在高压水管7的协同作用下，经过涡轮机4，产生大量电能用以提供给整个防波堤系统使用；落潮时则相反，除上述作用外，此时的高压水管具有明显的冲洗作用，并把港内的泥沙带到外海，维持内外的泥沙平衡。
应注意到，防波堤在施工时应该分块浇筑，预留相应的电缆以及水管通道，相应的涡轮机等结构应在浇筑完成后再施工，便于后续的修理以及更换。
在本发明的一个具体实施例中，优选涵洞通道的宽度与高度相等，但要保证涵洞尺寸足够放得下涡轮发电机。
本发明的防波堤主体可以以常见的重力式斜坡堤为例，堤身内部在浇筑时预先在上下铺设两层管道作为涵洞。由于泥沙满足上清下浓的分布规律，在涨潮时，涨潮通道数控阀门开启，落潮通道处数控阀门关闭，水流涨潮通道流入港池，此时的水流因位于上层，含沙浓度相对较低，具有清洗作用，同时由于涡轮机的消能作用，进入港内水体能量较小，港内波浪条件较好；落潮时相反，同时高压水管从防波堤内侧底部取水，水流从落潮通道流出，由于底层水体含沙浓度相对较高，被带到港外，随着潮流以及波浪扩散到外海。同一通道处的数控阀门将一起关闭，增强防波堤整体稳定性。如此，在每日的涨落潮循环中，港内泥沙不断被带出，可解决港内淤积问题。与此同时，防波堤堤脚处用土工织布进行压护，防止局部冲刷，引起防波堤结构的失稳。
在涵洞的设计时，可参考下述理论进行设计：
步骤一：勘测实际海域的波浪谱参数，得到在不同周期Ti(i＝1,2,..N)条件下对应的波高Hoi(i＝1,2,..,N)，并根据相关泊稳等要求确定港内允许的最大波高Hpi，其中N表示所选测的波浪组成波个数；进一步确定在不同波周期时防波堤需满足的波浪设计透射系数Kti(i＝1,2..N)：
在防波堤的设计时，实际海域中不同周期的波浪的透射系数Ktai均需小于对应的设计透射系数Kti，由此可得透射系数限制条件：
Ktai＜Kti i＝(1,2,...,N)
若较难获得具体的波浪谱参数，可仅根据相应海域的有效波高H13％以及设计高水位条件下的H1％大波以及对应的周期设为T13％以及T1％，用以进行防波堤需满足的透射要求计算，同样可得相应的透射系数限制条件；
步骤二：确定海域设计潮位以及极端潮位，具体如下：
高潮或低潮累积频率按下列步骤设计：
a)从潮位资料中摘取各次的高潮或低潮潮位值，统计其在不同潮位级内的出现次数，潮位级的划分采用小于或等于10cm为一级；
b)由高到低逐次进行累积出现次数的统计；
c)各潮位级的累积频率为年或者多年的高潮或低潮总潮次除以各潮位级响应的累积出现次数；
d)以纵坐标表示潮位，以横坐标表示累积频率，将各累积频率值点于响应潮位级下限处，连绘成高潮或低潮累积频率曲线，然后在曲线上摘取高潮10％或低潮90％的潮位值；
其中各设计值按照如下方式求取：
极端高水位Heh：重现期为50年的年极值高水位；
极端低水位Hel：重现期为50年的年极值低水位；
设计高水位Hdh：高潮累积频率为10％的潮位，简称高潮10％；
设计低水位Hdl：低潮累积频率为90％的潮位，简称低潮90％；
水底高程Hd：通过测量即可求出；
由此可得水深h变化范围为:
(Hdl-Hd)<h＜(Heh-Hd)。
步骤三：根据步骤一和步骤二确定的参数，对涵洞进行理论设计，具体设计步骤如下：
3.1)为了使结果具有普适性，考虑入射波高为Hi＝2A的波浪与涵洞式直立堤作用问题，涵洞式直立堤位于均匀水深h中，其上部结构入水深度为d1，涵洞轴线距水面深度为ds，涵洞高度为S，底部结构上表面距离水面为d2，堤宽度为2B，波浪与涵洞式直立堤作用后形成波高为Hr的反射波浪以及波高为Ht的透射波浪；由于问题是线性的，设z为垂直方向变量，x为水平方向变量，o为坐标原点，速度势Φ以及波压力P都将是频率σ的简谐函数，故分离出时间因子以便后文计算：
Φ＝Re[φ(x,z)e-iσt],P＝Re[p(x,z)e-iσt] (1.41)
式中，φ(x,z)和p(x,z)为与时间t与空间坐标y无关的复势函数，i为虚数单位，σ为圆频率；
在上述结构中，把整个求解区域分为四个部分：防波堤港外区域Ω1、涵洞内部左半区域Ω2、涵洞内部右半区域Ω3、防波堤港内区域Ω4；基于线性波浪理论，水体在整个控制域内应满足连续性条件(1.2)：
式中，
为哈密顿算子，φ为把速度势Φ中的时间因子分离出来的速度势；
Ω1区域和Ω4区域满足式(1.3-1.6)：
自由表面边界条件：
水底边界条件：
物面边界条件：
辐射边界条件：
式中：φr表示Ω1区域的反射速度势，φt表示Ω4区域的透射速度势，i为虚数单位；
涵洞内部区域Ω2以及Ω3除了连续性方程(1.2)外还应满足物面边界条件：
式中：g为重力加速度,取为9.81m/s2，σ为圆频率，k为入射波波数，T为入射波周期，L为入射波波长；
3.2)求解速度势：采用对称法，把速度势分解为对称速度势以及反对称速度势，将对称速度势与反对称速度势叠加之后，能将防波堤右侧的入射速度势抵消掉，从而简化求解；由公式(1.2-1.6)可得在Ω1区域内的对称速度势
以及反对称速度势
为：
式中：
为待定系数，A表示入射波振幅；特征值km(m＝0,1…M) 满足等式(1.12)：
k0＝k表示波数，M表示速度势展开项数，一般可取40；垂向特征函数Z0(k0z) 以及Zm(kmz)满足下式：
同理，在Ω2区域内的对称速度势
以及反对称速度势
展开式为：
式中：
为待定系数,λn表示速度势
以及
的特征值；垂向特征函数Y0(λ0z)以及Yn(λnz)表示为：
最后利用|x|＝B边界处的速度与速度势的匹配条件可得到线性方程组(1.17-1.20)：
式中：
e0＝-1,em＝0 m＝(1,2,...,M)
求解方程组(1.17-1.20)并带入式(1.1)即可得速度势Φ；
3.3)求解透射系数和反射系数：透射系数Kt和反射系数Kr定义如下且满足能量关系式(1.21)：
根据步骤3.2)求出整个计算域的速度势Φ，由于采用对称法进行计算，故反射系数以及透射系数可用下式进行计算：
3.4)由于防波堤在静水时是稳定的，相应的静水压力与重力和防波堤作用力平衡，故计算波浪力只考虑动压，根据伯努利方程得：
由于：
P＝Re(iρσφe-iσt)
记：
P＝iρσφ
波浪对结构物的作用力F可由物面上的压强积分得：
式中：
为物面的单位法向量，SB表示物体表面，ρ表示水的密度；把速度势Φ带入上式，得到涵洞式直立堤上部结构的水平波浪力Fx表达式为：
同理，垂向波浪力Fz为：
从速度势展开式(1.14-1.15)中可以发现，在Ω2区域和Ω3区域，由于涵洞的原因，在涵洞内部会形成一股振荡水流，这股水流对水体之间的交换起到重要作用，为分析涵洞内的水流的影响，计算涵洞内任意断面处的平均流速U：
带入得平均速度表达式如(1.26)：
涵洞断面流量Q表达式(1.27)如下：
式中，Φ2表示涵洞内部的速度势；
同理，设Ω1区域与Ω2区域交界处的压力为FL,Ω3区域与Ω4区域交界处的压力为FR，水体质量为M，涵洞内整个水体满足牛顿第二定律：
FL-FR＝Ma (1.69)
式中：
带入解得平均加速度a为：
从上面的结果可看出：涵洞内部振荡流的水平速度取决于反对称速度势中的第一项
与定常衰减项无关，同时振荡流的振荡周期与入射波浪周期一致，当波浪周期较大时，可在涵洞内部形成稳定的振荡流，加强水体之间的交换。
下面具体分析涵洞相对长度B/h、涵洞相对深度dS/h以及涵洞相对高度S/h 对防波堤消浪特性以及涵洞内振荡流的影响.由于理论推导满足
的恒等式，故在下文中除涵洞相对长度的影响一节，只绘制透射系数Kt的变化图像.同时在下文计算中，参数取为h＝10m，ρ＝1000kg/m3，A＝0.15m，g＝9.81m/s2。并分别以√(gh)、g、h√(gh)对平均速度U、平均加速度a和平均流量Q进行无量纲化处理，所得结果如下图5-图15所示。
上述研究表明：涵洞式直立堤的透射系数Kt随着涵洞相对长度B/h的增大而减小、涵洞相对高度S/h的增大而增大，涵洞相对深度dS/h对其影响不大；当B/h>1时，Kt随B/h的变化不大；当S/h<0.1时，可达到较好的消浪效果，但进一步增加S/h，会显著增大Kt。涵洞内振荡流主要受涵洞相对长度B/h以及涵洞相对高度S/h的影响，涵洞相对深度dS/h对其影响不大。随着B/h增大，平均速度U越来越小，平均加速度a峰值减小并向长波处移动；S/h对U、 a以及涵洞流量Q有明显作用，U在短波(kh较大)时变化不大，在kh<1.5时，速度曲线逐渐分离，出现S/h越小，U越大的现象，a随S/h的增加，在长波 (kh较小)时减小，短波时增大，峰值点向短波移动，Q随S/h的增加而增加； dS/h对U影响不大，随着kh增大，U减小，a在kh＝0.25时出现峰值，不同的dS/h对该峰值的影响不大。
在实际工程应用中，为加强港域内外的水体交换，减少泥沙的淤积，可以适当增大涵洞相对高度S/h以及减小涵洞相对长度B/h，进而提高水流通过能力；但随着B/h的减小，透射系数Kt会显著提高。本文结果表明在涵洞相对长度 B/h＝1-2、涵洞相对高度S/h＝0.1-0.2时，能够在满足透射系数Kt<0.2同时具有较强的水体交换能力。
步骤四：为满足涵洞处阀门启闭条件，涵洞高度最大值不超过1/3倍设计低水位时的水深，同时为尽可能提高涵洞过水面积，涵洞高度最小值设为0.08倍设计低水位时的水深，实际施工中，范围还可根据结构物的稳定性进行取舍，得到最终的涵洞高度变化范围，而后进一步根据涵洞高度来确定涵洞长度，具体为：
4.1)为保证涵洞在正常运行时始终处于水下，故将涵洞布置于设计低水位以下，同时为了安全起见，在极端低水位时将关闭上层涵洞通道，仅进行开启底部涵洞通道用以清淤；涵洞高度将采用试算法进行确定，首先初始化涵洞高度S1为设计低水位所对应水深的0.08倍左右，根据设计低水位确定涵洞顶高线位置，整个涵洞将位于设计低水位以下，由此可得设计低水位条件下涵洞位置为：
ds＝S1/2 (1.72)
根据相关施工规范等要求确定S1的范围，涵洞的相对深度满足下述条件：
(S1/2)/(Hdl-Hd)<ds/h＜(Heh-Hd1-S1/2)/(Heh-Hd) (1.73)
涵洞相对高度满足下述条件：
S1/(Heh-Hd)＜S1/h＜S1/(Hdl-Hd) (1.74)
4.2)为满足波浪透射条件，在假设涵洞高度为S1的条件下需进一步确定涵洞的长度，由步骤三的设计理论可知，波浪透射系数随着涵洞长度的增大而减小、随着涵洞相对高度的增大而增大、涵洞相对深度对透射系数影响不大；涵洞内部流量随着涵洞的长度的增大而减小、随着涵洞相对高度的增大而增大、涵洞相对深度对流量影响不大；故为了提高发电效率、减少材料的损耗，涵洞长度取值应为在满足透射前提下的最小值，计算如下：
所采用计算参数应取为对应的极限值，在设计低水位的条件下：
ds/h＝(S1/2)/(Hdl-Hd) (1.75)
S1/h＝S1/(Hdl-Hd) (1.76)
把式(1.33-1.34)带入步骤三的理论推导中，满足下述条件下：
Ktai＜Kti i＝1,2,...,N (1.77)
可得涵洞的最小长度为2B1；
同理，在极端高水位的条件下：
ds/h＝(Heh-Hd1-S1/2)/(Heh-Hd) (1.78)
S1/h＝S1/(Heh-Hd) (1.79)
把式(1.36-1.37)带入步骤三的理论推导中，在满足下述条件下：
Ktai＜Kti i＝1,2,...,N (1.80)
可得涵洞的最小长度为2B2；最终设计的涵洞长度2B＝max(2B1,2B2)。
步骤五：根据步骤四得到的S1、ds和2B，采用设计高水位以及设计低水位的平均值作为计算所用的水深，通过步骤三计算得到波浪透射Kti以及涵洞流量 Qi，计算得到评价因子J：
若具有实际的波浪谱，则根据对应的频率谱进行加权平均，若无，则使用步骤一得到的有效波高、周期，并根据格鲁霍夫斯基公式换算出在设计高水位以及设计低水位平均值水深条件下的H1％大波以及对应的周期T1％，进而计算得到最终的评价因子J，由此可得一组涵洞结构参数cul(ds,S1,2B,J)。
步骤六，重复步骤四至步骤五，遍历涵洞高度所设计的范围，迭代计算得到一系列涵洞结构参数，选取评价因子J最大值对应的涵洞结构参数作为最终的设计参数。
由于实际海域的波浪参数几乎不变，同时设计水位也是确定的值，由此，在设计中仅根据这些参数便可确定涵洞的尺寸，以舟山本岛附近的海域为例，主要波浪周期在5-13秒，设计低水位为-1.6米，设计高水位为2.3米，平均海平面为 0米，若此时水深为10米，可知上层涵洞在不同潮位时涵洞位置与水深的比值在0～0.28之间，同时相对水深kh在0.5～2之间，一般波浪透射需要满足透射系数小于0.2，经过计算，为满足此条件涵洞的长度需要大于两倍的水深，同时又需要尽量的增加涵洞流量，增大涵洞内部流速，在此范围内可确定需要尽量的增加涵洞的高度，但增加涵洞高度会增大波浪的透射，由此可得涵洞高度与水深的比值需要小于0.2，在实际施工中，应尽量减小涵洞的长度，进而减少造价，由此可知，当涵洞长度为20米，涵洞高度为2.0米时，此时可以在满足波浪透射的条件下同时加大水体的交换效率，是为涵洞结构布置的最优解。
本发明实际工作方式如下：
1)在极端恶劣的条件下，本发明与普通防波堤的工作原理类似，将完全关闭所有的数控阀门，更加安全。
2)在涨潮期间，由于防波堤外侧的水位逐渐升高，在潮位计以及数控阀门的联合作用下，开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，关闭下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，上层含沙量相对较低的海水通过上层涵洞进入港内，；根据泥沙分布规律，高含沙水体主要位于海底，上侧含沙量较少，同时高压水管从水面附近取水，混合涨潮流经过涡轮机，在发电的同时水体能量被大量消耗，从而经过涡轮机之后，港内波浪较小，因此不会对港内水体产生过大的影响，满足船舶停泊要求；
3)在落潮期间，过程与涨潮相反，潮流流向为港内到港外，由于港内的水体动力较弱，泥沙在重力的作用下自然沉降，靠近海底的水体含沙量较高，此时潮位计监测到水位从高到低变化，开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门，关闭上层涵洞进、出水口处的数控阀门，同时下层涵洞的高压水管从海底处取水；根据理论分析，在涵洞大小一定时，涵洞所在的位置对经过涵洞的流量影响不大，由此，高含沙水体在潮流以及高压水管的协同作用下被带到港外，随着潮流以及波浪输移，防止港内泥沙淤积，同时驱动涡轮发电机转动发电并起到消能作用，使得出口处的泥沙不至于被冲刷，辅助以护面护底块体后可保障防波堤基础稳定。
4)实际中泥沙处于动态平衡，故相应的数控阀门开度以及开启时间将随实际情况而变化，同时高压水管流量也可随之变化，具体为：每隔两周观测港内外的泥沙淤积情况，若港内以淤积为主，则将减少涨潮时的数控阀门开启时间以及阀门的开度，加大对应涵洞内高压水管的流量；若港内以冲刷为主，则将减少落潮潮时的数控阀门开启时间以及阀门开度，减小对应涵洞内的高压水管的流量，若港内外几乎处于平衡状态，则不改变数控阀门的以及高压水管的初始状态，由此满足港内外的泥沙的动态平衡。具体冲刷与淤积将在港内布设一定数量测点，记录港内泥沙深度，多点数据求得平均值，每隔两周测量一次，若与初始值相比增大，则为淤积，减小为冲刷。
5)在发电涡轮机实际工作时，产生的电能用于供给数控阀门、高压水管、潮位计使用；除了提供给整个系统使用外，还可通过线路传输至陆地统一储存，提供给附近的居民使用。
综上，本发明利用潮汐以及泥沙悬浮特性来解决我国部分高含沙淤泥质海域的防波堤内外水循环封闭，水体质量低、泥沙淤积的问题，根据理论推导以及数值试验，发现潮汐在防波堤的涵洞内部会形成一股流量巨大的振荡水流，对港内水体交换起到了重要作用，且涵洞位置对此流量的大小影响较小。涵洞内涡轮发电机兼具消能和发电的作用；涵洞口处高压水管具有冲洗兼加大涵洞内流量的作用，数控阀门以及潮位计联合作用，自动控制阀门的开闭。本发明具有施工简单、经济环保、适用性广等特点，在满足防波作用的同时提高了水体质量减少了泥沙淤积问题，此外涡轮机发电用以供给数控阀门的开闭以及内部高压水管的冲洗，整体构成了一个循环系统，多余能量还可通过管线提供给附近居民使用。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，包括防波堤主体、涵洞、涡轮发电机、数控阀门、高压水管、土工织布和潮位计；
所述的涵洞(3)为贯穿整个防波堤主体的矩形通道，通道高度与设计低水位时的水深比值为0.1-0.2，通道长度与设计低水位时的水深比值为2-4；涵洞(3)在防波堤主体上排布为上下两层，每层包含多个通道，上层涵洞的迎浪侧和下层涵洞的背浪侧为进水口，上层涵洞的背浪侧和下层涵洞的迎浪侧为出水口，每一个涵洞的进、出水口处安装有所述的数控阀门(2)；
所述的涡轮发电机(4)安装于涵洞内靠近进水口的位置，且涵洞进水口与涡轮发电机(4)之间安装有用于冲洗通道内泥沙的高压水管(7)；所述的土工织布设置在防波堤主体(1)堤脚处，防止防波堤底部冲刷；所述的潮位计(5)设置在防波堤主体的迎浪侧，涨潮时仅开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，迎浪侧水体经上层涵洞流入背浪侧，落潮时仅开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，背浪侧水体经下层涵洞流入迎浪侧。
2.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，上层涵洞和下层涵洞的矩形通道之间交错排布。
3.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，上层涵洞的布置高度低于设计低水位，下层涵洞高于海底。
4.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，涵洞通道的宽度与高度相等。
5.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，上层涵洞内部的高压水管进水口处位于设计低水位，下层涵洞内部的高压水管进水口处位于海底，所述的高压水管(7)流量可调节。
6.一种基于权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的冲淤方法，其特征在于：
1)在涨潮期间，港外水位逐渐升高，潮位计(5)监测到水位从低到高变化时，将开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，关闭下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，同时上层涵洞内部的高压水管(7)从水面附近取水，低含沙水体在潮流以及高压水管的协同作用下通过上层涵洞进入港内，驱动涡轮发电机转动发电，在发电的同时水体动能被消耗，港内波较小，满足船舶停泊要求；
2)在落潮期间，港外水位逐渐降低，潮位计(5)监测到水位从高到低变化时，将开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，关闭上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，同时下层涵洞的高压水管从海底处取水，高含沙水体在潮流以及高压水管的协同作用下被带到港外；随着潮流以及波浪输移，同时驱动涡轮发电机转动发电并起到消能作用；
3)考虑到港内外的泥沙平衡问题，定期检测港内外的泥沙淤积情况，在港内布设一定数量测点，定期记录港内泥沙深度并取平均值，若与上一次记录值相比增大，则港内以淤积为主，此时减少涨潮时上层涵洞的数控阀门(2)开启时间以及阀门开度，加大上层涵洞内高压水管(7)的流量；若与上一次记录值相比减小，则港内以冲刷为主，此时减少落潮时下层涵洞的数控阀门(2)开启时间以及阀门开度，减小下层涵洞内的高压水管(7)的流量；
所述的涡轮发电机生成的电能用于供给数控阀门、高压水管、潮位计使用，多余能量进行储存。
7.一种权利要求4所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，确定海域波浪参数以及防洪堤需满足的透射要求，所述的波浪参数包括有效波高和周期；
步骤二，确定海域设计潮位以及极端潮位；
步骤三，根据步骤一和步骤二确定的参数，对涵洞参数进行理论建模；
步骤四，确定涵洞高度的设计范围，初始化涵洞高度值S1，根据涵洞高度值确定涵洞顶高线位置ds和涵洞长度2B；
步骤五，根据步骤四得到的S1、ds和2B，采用设计高水位以及设计低水位的平均值作为计算所用的水深，并结合步骤一和步骤三，计算得到评价因子J：
式中，Kti为波浪设计透射系数，Qi为涵洞断面流量，Hoi为波高，N为所选测的波浪组成波个数，A为入射波振幅，h为水深，g为重力加速度，取9.81m/s2；
若具有实际的波浪谱，则根据对应的频率谱进行加权平均，若无，则使用步骤一得到的有效波高、周期，并根据格鲁霍夫斯基公式换算出在设计高水位以及设计低水位平均值水深条件下的1％大波波高H1％以及对应周期T1％，进而计算得到最终的评价因子J，由此可得一组涵洞结构参数cul(ds,S1,2B,J)；
步骤六，重复步骤四至步骤五，遍历涵洞高度的设计范围，迭代计算得到一系列涵洞结构参数，选取评价因子J最大值对应的涵洞结构参数作为最终的设计参数。
8.一种权利要求7所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法，其特征在于，所述的步骤一和步骤二具体为：
步骤一：勘测实际海域的波浪谱参数，得到在不同周期Ti(i＝1,2,..N)条件下对应的波高Hoi(i＝1,2,..,N)，并根据相关泊稳等要求确定港内允许的最大波高Hpi，其中N表示所选测的波浪组成波个数；进一步确定在不同波周期时防波堤需满足的波浪设计透射系数Kti(i＝1,2..N)：
在防波堤的设计时，实际海域中不同周期的波浪的透射系数Ktai均需小于对应的设计透射系数Kti，由此可得透射系数限制条件：
Ktai＜Ktii＝(1,2,...,N)
若无法获得具体的波浪谱参数，则根据相应海域的有效波高H13％和对应周期T13％、设计高水位条件下的1％大波波高H1％和对应周期T1％，用以进行防波堤需满足的透射要求计算，得到相应的透射系数限制条件；
步骤二：确定海域设计潮位以及极端潮位，具体如下：
高潮或低潮累积频率按下列步骤设计：
a)从潮位资料中摘取各次的高潮或低潮潮位值，统计其在不同潮位级内的出现次数，潮位级的划分采用小于或等于10cm为一级；
b)由高到低逐次进行累积出现次数的统计；
c)各潮位级的累积频率为年或者多年的高潮或低潮总潮次除以各潮位级响应的累积出现次数；
d)以纵坐标表示潮位，以横坐标表示累积频率，将各累积频率值点于响应潮位级下限处，连绘成高潮或低潮累积频率曲线，然后在曲线上摘取高潮10％或低潮90％的潮位值；
其中各设计值按照如下方式求取：
极端高水位Heh：重现期为50年的年极值高水位；
极端低水位Hel：重现期为50年的年极值低水位；
设计高水位Hdh：高潮累积频率为10％的潮位，简称高潮10％；
设计低水位Hdl：低潮累积频率为90％的潮位，简称低潮90％；
水底高程Hd：通过测量得到；
由此可得水深h变化范围为：
(Hdl-Hd)<h＜(Heh-Hd)。
9.一种权利要求7所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法，其特征在于，所述的步骤三根据步骤一和步骤二确定的参数，对涵洞进行理论设计，具体为：
3.1)设计条件为：入射波高Hi＝2A的波浪与涵洞式直立堤作用，涵洞式直立堤位于均匀水深h中，其上部结构入水深度为d1，涵洞轴线距水面深度为ds，涵洞高度为S，底部结构上表面距离水面为d2，堤宽度为2B，波浪与涵洞式直立堤作用后形成波高为Hr的反射波浪以及波高为Ht的透射波浪；设z为垂直方向变量，x为水平方向变量，o为坐标原点，速度势Φ以及波压力P为频率σ的简谐函数，故分离出时间因子得到：
ΦRe[φ(x,z)e-iσt],P＝Re[p(x,z)e-iσt] (1.1)
式中，φ(x,z)和p(x,z)为与时间t与空间坐标y无关的复势函数，i为虚数单位，σ为圆频率；
将整个求解区域分为四个部分：防波堤港外区域Ω1、涵洞内部左半区域Ω2、涵洞内部右半区域Ω3、防波堤港内区域Ω4；基于线性波浪理论，水体在整个控制域内应满足连续性条件(1.2)：
式中，
为哈密顿算子，φ为把速度势Φ中的时间因子分离出来的速度势；
Ω1区域和Ω4区域满足式(1.3-1.6)：
自由表面边界条件：
水底边界条件：
物面边界条件：
辐射边界条件：
式中：φr表示Ω1区域的反射速度势，φt表示Ω4区域的透射速度势，i为虚数单位；
涵洞内部区域Ω2以及Ω3除了连续性方程(1.2)外还应满足物面边界条件：
式中：g为重力加速度,取为9.81m/s2，σ为圆频率，k为入射波波数，T为入射波周期，L为入射波波长；
3.2)求解速度势：采用对称法，由公式(1.2-1.6)可得在Ω1区域内的对称速度势
以及反对称速度势
为：
式中：
为待定系数，A表示入射波振幅；特征值km(m＝0,1…M)满足等式(1.12)：
k0＝k表示波数，M表示速度势展开项数，一般可取40；垂向特征函数Z0(k0z)以及Zm(kmz)满足下式：
同理，在Ω2区域内的对称速度势
以及反对称速度势
展开式为：
式中：
为待定系数,λn表示速度势
以及
的特征值；垂向特征函数Y0(λ0z)以及Yn(λnz)表示为：
最后利用|x|＝B边界处的速度与速度势的匹配条件可得到线性方程组(1.17-1.20)：
式中：
e0＝-1,em＝0m＝(1,2,...,M)
求解方程组(1.17-1.20)并带入式(1.1)即可得速度势Φ；
3.3)求解透射系数和反射系数：透射系数Kt和反射系数Kr定义如下且满足能量关系式(1.21)：
根据步骤3.2)求出整个计算域的速度势Φ，由于采用对称法进行计算，故反射系数以及透射系数可用下式进行计算：
3.4)计算波浪力只需考虑动压，根据伯努利方程得：
由于：
P＝Re(iρσφe-iσt)
记：
P＝iρσφ
波浪对结构物的作用力F可由物面上的压强积分得：
式中：
为物面的单位法向量，SB表示物体表面，ρ表示水的密度；把速度势Φ带入上式，得到涵洞式直立堤上部结构的水平波浪力Fx表达式为：
同理，垂向波浪力Fz为：
计算涵洞内任意断面处的平均流速U：
带入得平均速度表达式如(1.26)：
涵洞断面流量Q表达式(1.27)如下：
式中，Φ2表示涵洞内部的速度势；
同理，设Ω1区域与Ω2区域交界处的压力为FL,Ω3区域与Ω4区域交界处的压力为FR，水体质量为M，涵洞内整个水体满足牛顿第二定律：
FL-FR＝Ma (1.29)
式中：
带入解得平均加速度a为：
通过公式(1.1-1.31)完成涵洞参数的理论建模。
10.一种权利要求7所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：
4.1)涵洞高度最大值不超过1/3倍设计低水位时的水深，涵洞高度最小值设为0.08倍设计低水位时的水深，涵洞布置于设计低水位以下；涵洞高度最优值采用试算法确定，首先初始化涵洞高度S1为设计低水位所对应水深的0.08倍，根据设计低水位确定涵洞顶高线位置：
ds＝S1/2 (1.32)
根据施工规范要求确定S1的范围，涵洞的相对深度满足下述条件：
(S1/2)/(Hdl-Hd)<ds/h＜(Heh-Hd1-S1/2)/(Heh-Hd) (1.33)
涵洞相对高度满足下述条件：
S1/(Heh-Hd)＜S1/h＜S1/(Hdl-Hd) (1.34)
4.2)在涵洞高度为S1的条件下进一步确定涵洞的长度：由步骤三的设计理论可知，波浪透射系数随着涵洞长度的增大而减小、随着涵洞相对高度的增大而增大、涵洞相对深度对透射系数影响不大；涵洞内部流量随着涵洞的长度的增大而减小、随着涵洞相对高度的增大而增大、涵洞相对深度对流量影响不大；涵洞长度取值应为在满足透射前提下的最小值，计算如下：
在设计低水位的条件下：
ds/h＝(S1/2)/(Hdl-Hd) (1.35)
S1/h＝S1/(Hdl-Hd) (1.36)
把式(1.33-1.34)带入步骤三的理论推导中，满足下述条件下：
Ktai＜Ktii＝1,2,...,N (1.37)
得涵洞的最小长度为2B1；
在极端高水位的条件下：
ds/h＝(Heh-Hd1-S1/2)/(Heh-Hd) (1.38)
S1/h＝S1/(Heh-Hd) (1.39)
把式(1.36-1.37)带入步骤三的理论推导中，在满足下述条件下：
Ktai＜Ktii＝1,2,...,N (1.40)
得涵洞的最小长度为2B2；最终设计的涵洞长度2B＝max(2B1,2B2)。
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| CN (1) | CN111188313A (zh) |
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