CN113326560B - 一种开孔式防波堤的设计方法及防波堤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开孔式防波堤的设计方法及防波堤，该设计方法包括以下步骤：S1、确定拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；S2、选定防波堤的开孔形状；S3、根据所选开孔形状，利用多孔夫琅禾费衍射理论计算确定防波堤的开孔的尺寸与排列方式。该设计方法结合多孔夫琅禾费衍射理论，能够采用计算方式，根据拟掩护海域的实际情况与工程技术条件，针对性地进行防波堤的开孔方式设计，控制孔的形状、尺寸与排列，达到挡浪目的。

Description

一种开孔式防波堤的设计方法及防波堤

技术领域

本发明涉及海岸工程技术领域，具体涉及一种开孔式防波堤的设计方法及防波堤。

背景技术

防波堤作为港口水工建筑物的重要组成部分，能够抵御波浪的冲击， 减少泥沙和波浪进港，保证港内具有足够的水深和平稳的水面， 满足船舶在港内停泊、装卸作业和出入航行的安全要求。斜坡堤和直立堤等传统形式的防波堤使得港内水体的循环受到限制，容易造成港内水质下降。近年来随着海洋生态文明建设加强，港口工程结构形式正在向透空式、消能式和多功能等方向发展。

透空式防波堤作为一种新形式的防波堤结构，其透空结构施工便利、造价较低和利于港内外水体交换的特点使其越来越受到重视。影响透空式防波堤消浪效果的因素中，挡板的透空率和设置方式的影响最为显著。防波堤的透空率与孔隙的设置方式反映透空堤的结构特性，透空率的大小和分布组合不同直接影响波浪在结构上的透射和反射，影响结构受力和消浪效果，关系到结构安全和工程造价。

但是，现有的透空式防波堤的波浪透射率尚无合适的计算设计方法，无法在通过计算方式实现防波堤的开孔方式设计，只能通过模型试验进行相关研究。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是，提供开孔式防波堤的设计方法及防波堤，该设计方法结合多孔夫琅禾费衍射理论，能够采用计算方式，根据拟掩护海域的实际情况与工程技术条件，进行防波堤开孔方式设计，达到挡浪目的。

为了达到上述目的，本发明一方面公开了一种开孔式防波堤的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；

S2、选定防波堤的开孔形状；

S3、根据所选开孔形状，利用多孔夫琅禾费衍射理论计算确定防波堤的开孔的尺寸与排列方式。

作为优选，所述步骤S1具体包括：收集拟掩护海域的波浪实测历史统计资料，基于多年平均统计的各个风向和风速的百分数值绘制拟掩护海域的风玫瑰图，根据风玫瑰图得出拟掩护海域的主波长λ与主波向θ。

作为优选，所述步骤S2的开孔形状为矩形孔或圆形孔，

作为优选，所述步骤S2确定，开设于防波堤的所有通孔形状相同、孔径相同。

作为优选，所述步骤S2确定，开设于同一侧面上的多个通孔沿横向和纵向呈现矩阵排列，即中心位于同一横向直线上的多个通孔等距排列，中心位于同一纵向直线上的多个通孔等距排列。

作为优选，所述步骤S2的开孔形状选为矩形孔时，所述步骤S3包括：

矩形孔的横向边长a、纵向边长b，相邻两个矩形孔的矩心的横向间距d_a和纵向间距d_b，以及横向单行开孔数量N_a与纵向单列开孔数量N_b满足多孔夫琅禾费衍射理论：

其中，λ为拟掩护海域主波长，θ为拟掩护海域主波向；计算设计防波堤开孔方式使其满足上述公式。

作为优选，所述步骤S2的开孔形状选为圆形孔时，所述步骤S3包括：

圆形孔的半径r、相邻两个圆形孔圆心的横向间距d₁、纵向间距d₂，以及横向单行开孔数量N₁与纵向单列开孔数量N₂满足多孔夫琅禾费衍射理论：

其中，λ为拟掩护海域主波长，θ为拟掩护海域主波向；计算设计防波堤开孔方式使其满足上述公式。

本发明另一方面公开了一种防波堤，所述防波堤的开孔方式上述的设计方法确定，即其开孔的形状、尺寸、孔间距、开孔数量均与拟掩护海域的主波长λ和主波向θ满足多孔夫琅禾费衍射理论。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：提供了一种开孔式防波堤的设计方法及防波堤结构，结合多孔夫琅禾费衍射理论，能够采用计算方式，根据拟掩护海域的实际情况与工程技术条件，进行针对性地进行防波堤的开孔方式设计，控制孔的形状、尺寸与排列，从而产生衍射效应将主波成分反射，改变屏障后的空间波浪场分布，达到挡浪的目的。与此同时，本发明对于满足多孔夫琅禾费衍射理论的非主波成分依然具有良好的调制作用，增强本发明的挡浪效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的透空式防波堤开孔方式设计方法的流程示意图。

图2为实施例1的防波堤的主视结构示意图。

图3为实施例2的防波堤的主视结构示意图。

图4为实施例1的防波堤的布置图。

图5为本发明实施例1的方形开孔防波堤堤前自由表面高程时间变化图。

图6为本发明实施例1的方形开孔防波堤堤后自由表面高程时间变化图。图7为对比例的防波堤的布置图。

图8为对比例的随机开孔防波堤堤后自由表面高程时间变化图。

其中，图2中a和b分别为矩形孔的横向边长和纵向边长，d_a和d_b分别为相邻两个矩形孔的矩心的横向间距和纵向间距，N_a和N_b分别为矩形孔的横向单行开孔数量和纵向单列开孔数量；图3中d₁和d₂分别为相邻两个圆形孔圆心的横向间距和纵向间距，N₁和N₂分别为圆形孔的横向单行开孔数量和纵向单列开孔数量；图4和图7中横向箭头表示波浪传播方向，竖向箭头表示重力方向，A点为收集点1，B点为收集点2。

表1为本发明实施例1与对比实施例的透射系数对比表。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横”、“纵”、 “内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种开孔式防波堤的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；

S2、选定防波堤的开孔形状；

S3、根据所选开孔形状，利用多孔夫琅禾费衍射理论计算确定防波堤的开孔的尺寸与排列方式。

上述设计方法结合多孔夫琅禾费衍射理论，根据拟掩护海域的实际情况与工程技术条件，可进行针对性地控制孔的形状、尺寸与排列，产生衍射效应将主波成分反射，改变屏障后的空间波浪场分布，达到挡浪的目的。

具体的，步骤S1具体包括：收集拟掩护海域的波浪实测历史统计资料，采用现有方法即可得出拟掩护海域的主波长λ与主波向θ。例如，步骤S1可为：收集拟掩护海域的波浪实测历史统计资料，获得各个方向的风向频率，利用matlab等软件绘制拟掩护海域的风玫瑰图，以得出拟掩护海域的主波向θ与相应的主波长λ。

具体的，步骤S2的开孔形状为矩形孔或圆形孔，且开设于防波堤的所有通孔形状相同、孔径相同，开设于同一侧面上的多个通孔呈现矩阵排列，即中心位于同一横向直线上的多个通孔等距排列，中心位于同一纵向直线上的多个通孔等距排列。

实施例1 矩形孔防波堤设计方法

一种开孔式防波堤的设计方法，包括以下步骤：

S1、收集拟掩护海域的波浪实测历史统计资料，据此得出拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；

S2、选定防波堤的开孔形状为矩形，且开设于防波堤的所有通孔形状相同、孔径相同，开设于防波堤同一侧面上的多个通孔在横向和纵向上呈现矩阵排列；

S3、结合图2，矩形孔的横向边长a、纵向边长b，相邻两个矩形孔的矩心的横向间距d_a和纵向间距d_b，以及横向单行开孔数量N_a与纵向单列开孔数量N_b满足多孔夫琅禾费衍射理论：

其中，λ为拟掩护海域主波长，θ为拟掩护海域主波向；计算设计防波堤开孔方式使其满足上述公式，如当d_a与d_b不变的情况下，a与b越大，孔隙率越大，波浪透射率越高，即通过上述公式可以确定开孔设计中各个尺寸要素的关系，当预设部分尺寸要素的情况下，可计算剩余尺寸要素数值，完成防护堤开孔设计。

例如，如图4所示，图4中的初始表面高程为8m，本实施例中，λ=80m，θ=90°，开孔形状选为正方形，且N_a=N_b =4时，由S3可以计算确定，d_a=d_b =20m。按此设计防波堤挡浪板，并在挡浪板（防波堤）的前后设置自由表面高程数据收集点1与收集点2，所得实验结果如图5和图6所示。图5与图6分别给出了收集点1与点2自由表面高程随时间的变化，由自由表面高程减去初始表面高程，可得出挡浪板后的波高明显低于挡浪板前的波高。

对比例

对比例采用如图7所示的防波堤开孔和布置方式，图7中的初始表面高程为8m，对比例采用拟掩护海域的主波长λ与主波向θ，并在挡浪板（防波堤）的前后设置自由表面高程数据收集点1与收集点2，在实施例1相同的透空率下，所得实验结果如图8和表1所示。表1为实施例1与对比例收集点1与收集点2的平均波高与透射系数比对表。

表1

从表1结果可以看出，实施例1的透射系数为0.489，明显低于对比例的透射系数0.786，证明了本设计方法可行性。

图8为对比例的随机开孔防波堤堤后自由表面高程时间变化图，比较图6与图8相同的数据收集点上的自由表面高程变化，可以看出实施例1的波高明显低于对比实例，也证明了本设计方法可行性。

实施例2 圆形孔防波堤设计方法

一种开孔式防波堤的设计方法，包括以下步骤：

S1、收集拟掩护海域的波浪实测历史统计资料，据此得出拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；

S2、选定防波堤的开孔形状为圆形孔，且开设于防波堤的所有通孔形状相同、孔径相同，开设于防波堤同一侧面上的多个通孔在横向和纵向上呈现矩阵排列；

S3、结合图3，圆形孔的半径r、相邻两个圆形孔圆心的横向间距d₁、纵向间距d₂，以及横向单行开孔数量N₁与纵向单列开孔数量N₂满足多孔夫琅禾费衍射理论：

其中，λ为拟掩护海域主波长，θ为拟掩护海域主波向；计算设计防波堤开孔方式使其满足上述公式，即通过上述公式可以确定开孔设计中各个尺寸要素的关系，当预设部分尺寸要素的情况下，可计算剩余尺寸要素的数值，完成防护堤开孔设计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种开孔式防波堤的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；

S2、选定防波堤的开孔形状，所述开孔形状为矩形孔，且所有通孔形状相同、孔径相同，开设于防波堤同一侧面上的多个通孔沿横向和纵向呈矩阵排列；

S3、利用多孔夫琅禾费衍射理论计算确定防波堤的开孔的尺寸与排列方式，矩形孔的横向边长a、纵向边长b，相邻两个矩形孔的矩心的横向间距d_a和纵向间距d_b，以及横向单行开孔数量N_a与纵向单列开孔数量N_b满足多孔夫琅禾费衍射理论：

其中，λ为拟掩护海域主波长，θ为拟掩护海域主波向；计算设计防波堤开孔方式使其满足上述公式。

2.一种开孔式防波堤的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定拟掩护海域的主波长λ与主波向θ；

S2、选定防波堤的开孔形状，所述开孔形状为圆形孔，且所有通孔形状相同、孔径相同，开设于防波堤同一侧面上的多个通孔沿横向和纵向呈矩阵排列；

S3、利用多孔夫琅禾费衍射理论计算确定防波堤的开孔的尺寸与排列方式，圆形孔的半径r、相邻两个圆形孔圆心的横向间距d₁、纵向间距d₂，以及横向单行开孔数量N₁与纵向单列开孔数量N₂满足多孔夫琅禾费衍射理论：

其中，λ为拟掩护海域主波长，θ为拟掩护海域主波向；计算设计防波堤开孔方式使其满足上述公式。

3.根据权利要求1或2任一项所述的开孔式防波堤的设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：收集拟掩护海域的波浪实测历史统计资料，以得出拟掩护海域的主波长λ与主波向θ。

4.一种防波堤，其特征在于，所述防波堤的开孔方式采用如权利要求1至3中任一项所述的设计方法确定。

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