CN212835224U - 一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤，防波堤包括坐设于海床上的本体、至少一个第一基体和至少一个第二基体，其中，第一基体设置于本体的前方侧，第二基体设置于本体的后方侧，第一基体与第二基体之间形成用于与外海进行充分水体交换的容纳空间；第一基体具有上下设置的两排以上的前缺口部，每一前缺口部包括多个第一消波缺口，第二基体具有上下设置的两排以上的后缺口部，每一后缺口部包括多个第二消波缺口。本实用新型一方面可以起到防浪减波的效果，另一方面湾内水体与外海之间能够进行充分水体交换，在起到保存沙滩的同时将对生态的影响降到最低。

Description

一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤

技术领域

本实用新型属于港口工程技术领域，具体涉及一种基于波的多缝衍射与干涉机理进行设计的能够与外海进行充分水体交换的防波堤。

背景技术

防波堤是重要的港口防护建筑物，可以阻断外海波浪向港区的传播，防止波浪对码头等港内设施的破坏，使港内具有良好的泊稳和作业条件。

在台山市上、下川岛做调查时发现，上、下川岛整体为基岩侵蚀海岸，大块基岩、礁石裸露在外，基本无沙滩资源，为了更好的吸引游客，曾在外地运优质沙子到当地，但由于风浪的冲刷，外运进来的沙子基本上很快就被冲走。为了保存沙子(沙滩)，在头湾沙滩附近修建了防波堤，后来发现防波效果不够，现又继续加长防波堤，目前沙子(沙滩)倒是得到了较好的保护，但由于目前所采用的防波堤完全隔绝了海洋与湾内水体交换，形成了封闭的水域，造成水体质量变差，破坏了附近海域的生态系统。因此需要开发能够进行水体交换的防波堤。

中国专利201910128802.3公开了一种防波堤，通过迎波组件起到消耗波能的作用，利用第一迎波板与弧形过渡板阻挡波浪浪峰，减小波浪峰值，实现初次减能；第一迎波板、第二迎波板、第三迎波板围成消减区，当波浪从第一迎波板落下或过渡板反射后，通过减能孔进入消减区，利用减能孔与消减区进行二次减能；通过消浪组件提高消浪效果，减小透浪率，利用第一消浪板、第二消浪板、第三消浪板完成多次消浪过程；波浪经过消浪槽破碎后，实现初次消浪；然后进入消浪区，经过第二消浪板、第三消浪板，实现二次消浪；通过减荡组件使防波堤尽快恢复平静，利用第一减荡板、第二减荡板消减海浪造成的水下震荡波，减小水下震荡波对防波堤的冲击力。

中国专利201610633405.8公开了一种多功能防波堤，包括坝体，坝体上安装有放绳机，所述坝体内安装有过流通道，坝体的一侧安装有挡浪墙，所述挡浪墙下方安装有助泊系统；所述助泊系统的下方安装有闸门，放绳机上设有钢丝绳，所述钢丝绳通过滑轮组并穿过布设在坝体内的通道一与闸门连接。

中国专利201811648138.7公开了一种透空式防波堤，包括桩基，包括透空的桩基本体以及设置于桩基本体顶部的承台；挡浪板，设置在桩基本体上。该现有技术中在一定程度上通过插入海底的挡浪板可以消除海面的波浪，但根据我们地质调查发现，海浪对海岸的冲刷侵蚀，除了表面肉眼可见的浪花，还有海水深层的暗流、涌浪，其对海岸的侵蚀仍不可小觑。所以透空式防波堤在防止、减弱暗流、涌浪等方面，存在较大缺陷。此外，透空式防波堤仍为传统意义上的连续型防波堤，虽较之前的防波堤在水体交换方面有了较大改善，但对于鱼类或水生哺乳动物等，仍有较大的影响，如前述的上、下川岛头湾附近的海域，之前会有中华白海豚出没，现在海豚基本已难觅其踪迹，另外之前有人在那钓过比较大的鱼，现在基本也同样绝迹，可见连续型防波堤对水生动物影响较大。

综上，现有技术的缺陷主要集中于：

1)难以阻止、减弱深层海水的涌浪、暗流；

2)阻止了较大水生动物与人类亲近的机会，如中华白海豚，同样阻止了鱼类的栖息与繁衍，影响了海钓产业；

3)施工较为复杂，设置了大量的可转动的挡浪板、板面、挡浪墙等结构，损坏率较高、维修复杂。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤一方面可以起到防浪减波的效果，另一方面湾内水体与外海之间能够进行充分水体交换，在起到保存沙滩的同时将对生态的影响降到最低。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤，包括坐设于海床上的本体、至少一个第一基体和至少一个第二基体，其中，第一基体设置于本体的前方侧，第二基体设置于本体的后方侧，第一基体与第二基体之间形成用于与外海进行充分水体交换的容纳空间；第一基体具有上下设置的两排以上的前缺口部，每一前缺口部包括多个第一消波缺口，第二基体具有上下设置的两排以上的后缺口部，每一后缺口部包括多个第二消波缺口。

在本实用新型的上述技术方案中，第一基体与第二基体分别形成“障碍物”，前缺口部与后缺口部分别形成“狭缝”，进而将第一基体、第二基体构建为能够进行多缝衍射的模型，外海的水波在传递过程中，以第一基体为例，平行单波长水波在垂直于第一基体方向上传播，与第一基体相遇时，一部分波浪被第一基体阻挡，另一部分波浪将通过第一基体上间隔的第一消波缺口进入第一基体的后方侧。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，第一基体沿顺海流方向以第一预设角度倾斜设置，第一预设角度为30°～60°

根据本实用新型的另一种具体实施方式，第二基体沿逆海流方向以第二预设角度倾斜设置，第二预设角度为45°～90°。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，第一预设角度设置为不超过第二预设角度。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，前缺口部位于同一排中的多个第一消波缺口以第一预设间隔均匀分布，后缺口部位于同一排中的多个第二消波缺口以第二预设间隔均匀分布，其中第一预设间隔与第二预设间隔之间相同或者不相同。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，相对应的第一消波缺口与第二消波缺口在高度方向上设置为至少部分重叠。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，进一步包括用作在竖直高度方向封堵或者打开前缺口部和/或后缺口部以改变前缺口部和/或后缺口部的有效通流面积的阻浪板。

其中，阻浪板可以更好的起到碎浪的作用。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，进一步包括铰链驱动装置，铰链驱动装置包括驱动器、由驱动器驱动的铰链和滑道，阻浪板滑动设在滑道上并且阻浪板与铰链之间连接。

其中，铰链可以为连杆式结构，也可以为闭环链条式结构，还可以为行程推杆式结构，以通过铰链带动阻浪板沿滑道进行有序滑动，进而实现封堵或者打开前缺口部和/或后缺口部的过程。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，进一步包括用作在水平宽度方向封堵或者打开前缺口部和/或后缺口部以改变前缺口部和/或后缺口部水平宽度的挡板结构。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，进一步包括用于稳固第一基体与第二基体的支撑框架，支撑框架位于容纳空间内。

根据本实用新型的另一种具体实施方式，进一步包括护面块体，护面块体分别设置于第一基体的前方侧和第二基体的后方侧。

本实用新型中设计相同尺寸的第一消波缺口、第二消波缺口，则水波通过第一消波缺口、第二消波缺口后将形成一系列振动情况相同的相干波源，这些相干波源在第一基体、第二基体的后方侧发生相互叠加，产生干涉现象，水流能量被再分配，形成强弱相间的能量带分布形式，以在进行水体交换的同时，达到对湾内的水体进行自减浪、自消波的效果。

本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型在有效防波减浪的同时，更可以解决传统防波堤形成“死水”的现象，湾内水体以断续的消波缺口为通道，与广阔外海形成有效的水体交换，同时稍大型的鱼类、水生哺乳动物也可通过该通道，最大程度减少了对水域生态环境的影响。

本实用新型除了可以减轻表面风浪的影响，对深层水体的暗流、暗涌等，同样也起到有效的抑制作用。

本实用新型对比传统防波堤，更节省原材料，施工工艺也简单。

当海流季节性变向或湾内水体质量下降时，本实用新型可以通过改变阻浪板的位置，增大前缺口部和/或后缺口部的有效通流面积，以加大外海向湾内水体供应；当海面风暴较大或其他极端天气时，可以减小前缺口部和/或后缺口部的有效通流面积，进一步减轻湾内水体流量与流速，以便更好的防波阻浪。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本实用新型防波堤的侧面结构示意图；

图2是本实用新型防波堤的多缝衍射与干涉效果示意图；

图3是本实用新型所建立多缝衍射的波形示意图；

图4是本实用新型调整基体上消波缺口的水平宽度的示意图。

具体实施方式

一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤，如图1-4所示，包括本体10、第一基体20、第二基体30，第一基体20沿顺海流方向(图1中箭头方向)以45°倾角设置于本体10的前方侧，第二基体30沿逆海流方向以70°倾角设置于本体10的后方侧，其中，在第一基体20与第二基体30之间形成用于与外海进行充分水体交换的容纳空间40。

在第一基体20上具有上下设置的至少两排以上的前缺口部21，本实施例中以上下两排前缺口部21进行示例说明，如图1所示，位于下方的前缺口部21a位于深海区域，位于上方的前缺口部21b位于海平面区域，如图2所示，在前缺口部21包括多个第一消波缺口211，相邻的第一消波缺口211以第一预设间隔分布，以在第一基体20的表面建立多缝衍射模型。

同理，在第二基体30上具有上下设置的至少两排以上的后缺口部31，本实施例中以上下两排后缺口部31进行示例说明，如图1所示，位于下方的后缺口部31a位于深海区域，位于上方的后缺口部31b位于海平面区域，相应的，在后缺口部31包括多个第二消波缺口311，相邻的第二消波缺口311以第二预设间隔分布，以在第一基体20的表面建立多缝衍射模型。

具体的，相对应的(同一高度区域)第一消波缺口211在高度方向上设置为与第二消波缺口311至少部分重叠，如图1所示，以在湾内水域、容纳空间40、外海之间形成能够进行连续水体交换的水流轨迹。

下面以容纳空间40与外海之间的单阶段水体交换为例进行说明本实用新型基于多缝衍射与水波干涉的过程：

根据所需使用防波堤地区常年的海流波长(可测定，也可收集海洋水文资料获得)，设计第一消波缺口211水平宽度，具体为第一消波缺口211水平宽度不超过原始水波的波长以形成较为明显的多缝衍射现象，例如第一消波缺口211的设计水平宽度与该地区海流波长的最大值相同，并且设计如图4所示的挡板结构50，以动态调整第一消波缺口211的水平宽度，根据图3所示以及下述公式过程可以计算得出理论情况下的不同分带的能量强度，进而可以反馈调节第一消波缺口211的实际水平宽度：

多缝衍射主极大强度为：

它们是单缝衍射在各级主极大位置上所产生强度的N²其中，零级主极大的强度最大，等于N²I_o。

在N_ψ/2≈3π/2时，衍射强度为：

即最靠近零级主极大的次极大强度，只有零级主极大的4.5％。此外，次级大的宽度随着N大而减小。当N时，它们将与强度零点混成一片，成为衍射图样的背景。

多缝衍射主极大角宽度：

多缝衍射主极大与相邻极小值之间的角距离是Δθ，主极大的条纹角宽度为：

上式表明，狭缝数N愈大，主极大的角宽度愈小。

也即例如某区域海流常年波长为λ，则设计第一消波缺口211宽度小于等于λ时会发生较为明显的衍射现象，宽度越小，衍射效果越明显，而通过的波浪能量则越少，同时需要保持第一消波缺口211具有较大的有效通流面积，以进行水体的正常交换。

本实用新型一方面可以起到防浪减波的效果，另一方面湾内水体与外海之间能够进行充分水体交换，在起到保存沙滩的同时将对生态的影响降到最低。

本实用新型与无防波堤、传统连续型防波堤的效果对比如下表1所示：

表1本实用新型与无防波堤、传统连续型防波堤的效果对比

备注：

[1]极端浪高：是指最大风暴潮时，由浪峰至浪谷间的高度。浪高是用波级来表示的，按照常用的道氏波级，分为无浪、微浪、小浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、狂涛、怒涛、暴涛等，有效波高5.3m属于巨浪，有效波高1.7-1.8m属于中浪。本实用新型中统计了十年一遇的极端情况。

[2]常时浪高：是指除极端天气外，即常规海况下该区域一年中大部分时间内，由浪峰至浪谷间的高度。分级同上。

[3]暗涌、暗流削减系数R_V：用来衡量防波堤对暗涌、暗流削弱能力强弱的参数，(无防波堤时暗涌、暗流流速V_i-防波堤内暗涌、暗流流速V_t)/无防波堤时暗涌、暗流流速V_i。

[4]海水交换率R_E(Parker法)：是指涨潮流入湾内的海水中含外海水的比率，即涨潮流入湾内水含有涨潮前由落潮流出的水和新的外海水，把涨潮初次流入量与外海流入量的比率定义为海水交换率(即R_E＝Q_F/Q_O)。一个潮周期的交换率为：

其中，涨潮流入湾内的流量Q_F，其物质浓度为C_F，落潮流出的湾内水的流量为Q_E，其物质浓度为C_E，流入湾内的外海水量Q_O，其物质浓度为C_O。

[5]沙滩存留率R_S：指基岩型岛屿的人造沙滩单次补沙后，经一年海水冲刷、淘洗后留存下的沙滩质量。

其中，S_i刚补充沙子后，人造沙滩的面积；S_t一年后人造沙滩留存的面积。

结合上表1：本实用新型的防波堤在保护人工沙滩方面与传统连续型防波堤平分秋色，虽然在防浪减波方面略逊色于传统连续型防波堤，但是依旧能起到较好的防浪减波效果，然而本实用新型的防波堤在消减暗涌、暗流、水体流动与物质交换方面，则远远胜于传统连续型防波堤，在起到保存沙滩的同时将对生态的影响降到最低。

本实施例的具体过程为：

平行单波长水波在垂直于第一基体20方向上传播过程中，与第一基体20相遇时，一部分波浪被第一基体20阻挡，另一部分波浪将通过第一基体20上间隔的第一消波缺口211进入第一基体20的后方侧的容纳空间40中，由于产生的多缝衍射现象，水波通过第一消波缺口211后将形成一系列振动情况相同的相干波源，这些相干波源在容纳空间40中发生相互叠加，产生干涉，如图2所示，水流能量被再分配，形成强弱相间的能量带分布形式，以在进行水体交换的同时，达到对容纳空间40内的水体进行自减浪、自消波的效果，此时容纳空间40内的水体不仅表面风浪较小，深层水体的暗流、暗涌现象也大幅度削弱。

同理，容纳空间40内的水体再次与湾内水体进行交换过程中，将再一次的进行消波减浪过程，并且对深层水体的暗流、暗涌进行再次削弱，进而在湾内形成较为稳定、平衡的水域。

同时，可以在第一基体20、第二基体30设置一些较大的孔，以供大型鱼类通过，进而保持湾内、容纳空间40的生态稳定。

为了进一步提高消波减浪的效果，本实施例设置有阻浪板60和铰链驱动装置，阻浪板60用作封堵或者打开前缺口部21和/或后缺口部31，铰链驱动装置用作驱动阻浪板60封堵或者打开前缺口部21和/或后缺口部31。

本实施例中的铰链驱动装置可以为连杆式结构，也可以为闭环链条式结构，还可以为行程推杆式结构，下面以闭环链条式结构为例进行介绍如下：铰链驱动装置包括驱动器(例如步进电机)、由驱动器驱动的铰链(闭环链条)和滑道，阻浪板60滑动设在滑道上并且阻浪板60与铰链之间连接，其中，驱动器设置于海平面的上方以便于维护，驱动器通过铰链带动阻浪板60沿滑道进行定量定向滑动，进而实现封堵或者打开前缺口部21和/或后缺口部31，最终实现改变第一消波缺口211、第二消波缺口311的竖直高度。

其中，如图4所示中的挡板结构50也可以采用上述铰链驱动装置以进行挡板结构50的左右滑移，最终实现改变第一消波缺口211、第二消波缺口311的水平宽度。

例如当海流季节性变向或湾内水体质量下降时，可以通过改变阻浪板60的位置，增大前缺口部21和/或后缺口部31的有效通流面积，以加大外海向湾内水体供应；当海面风暴较大或其他极端天气时，可以减小前缺口部21和/或后缺口部31的有效通流面积，进一步减轻湾内水体流量与流速，以便更好的防波阻浪。

本实施例中还可以在容纳空间40内设置支撑框架，支撑框架设在本体10上在以稳固第一基体20和第二基体30，保证即使在恶劣天气下依旧具有良好的稳定性。

进一步的，本实施例还包括护面块体70，具体例如为扭王字块，护面块体分别设置于第一基体20的前方侧和第二基体30的后方侧，用作更好的抵御波浪。

本实施例中的防波堤为承重式结构，第一基体20顺海流方向倾斜形成迎浪坡，可以更好的消除波浪，第二基体30逆海流方向倾斜形成背浪坡可以更加稳定湾内水域，依靠自身重力直接坐在海床上即可满足其稳固程度，因此，从表层波浪到深层涌浪、暗流都可起到防波减浪的作用。

此外，本实施例中的防波堤具体为断续式防波堤，以波的干涉为基本机理，根据当地年常海流波长设置消波缺口宽度，海浪或暗流通过防波堤上的消波缺口后，在某些地方使得波峰与波谷叠加，从而达到防波阻浪的目的。

本实施例中既设有位于水平面以下的消波缺口，也设有位于水平面的消波缺口，以分别进行不同高度位置的消波减浪处理。

本实施例中的消波缺口(第一消波缺口与第二消波缺口)的水平宽度是可调的，并且基体上的消波缺口的水平宽度设置为不超过原始水波的波长，优选的基体上的消波缺口的水平宽度与原始水波的波长接近相同，以形成较为明显的衍射现象。

本实施例中基体上的消波缺口(第一消波缺口与第二消波缺口)的竖直高度是可调的，增大基体上的消波缺口的有效通流面积以加速水体交换，减小基体上的消波缺口的有效通流面积以降低水体流量。

本实施例中外海的原始水波接近具有相同的波长，其在穿过水平通道时形成多缝衍射，由于穿过水平通道的水波的波长相同，能够在基体的后方侧形成相干波源并在基体的后方侧相互叠加，进行水流能量的再分配，从而达到将通过基体交换后的水波进行自减浪、自消波的效果，起到调节湾内与外海水体平衡的目的。

虽然本实用新型以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本实用新型实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的发明范围内，当可作些许的改进，即凡依照本实用新型所做的同等改进，应为本实用新型的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，包括坐设于海床上的本体、至少一个第一基体和至少一个第二基体，其中所述第一基体设置于所述本体的前方侧，所述第二基体设置于所述本体的后方侧，所述第一基体与所述第二基体之间形成用于与外海进行充分水体交换的容纳空间；所述第一基体具有上下设置的两排以上的前缺口部，每一所述前缺口部包括多个第一消波缺口，所述第二基体具有上下设置的两排以上的后缺口部，每一所述后缺口部包括多个第二消波缺口。

2.如权利要求1所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，所述第一基体沿顺海流方向以第一预设角度倾斜设置，所述第一预设角度为30°～60°。

3.如权利要求2所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，所述第二基体沿逆海流方向以第二预设角度倾斜设置，所述第二预设角度为45°～90°。

4.如权利要求3所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，所述第一预设角度设置为不超过所述第二预设角度。

5.如权利要求1所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，所述前缺口部位于同一排中的多个所述第一消波缺口以第一预设间隔均匀分布，所述后缺口部位于同一排中的多个所述第二消波缺口以第二预设间隔均匀分布，其中第一预设间隔与第二预设间隔之间相同或者不相同。

6.如权利要求1所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，相对应的所述第一消波缺口与所述第二消波缺口在高度方向上设置为至少部分重叠。

7.如权利要求1所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，进一步包括用作在竖直高度方向封堵或者打开所述前缺口部和/或所述后缺口部以改变所述前缺口部和/或所述后缺口部的有效通流面积的阻浪板。

8.如权利要求7所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，进一步包括铰链驱动装置，所述铰链驱动装置包括驱动器、由所述驱动器驱动的铰链和滑道，所述阻浪板滑动设在所述滑道上并且所述阻浪板与所述铰链之间连接。

9.如权利要求1所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，进一步包括用作在水平宽度方向封堵或者打开所述前缺口部和/或所述后缺口部以改变所述前缺口部和/或所述后缺口部水平宽度的挡板结构。

10.如权利要求1所述能够与外海进行充分水体交换的防波堤，其特征在于，进一步包括用于稳固所述第一基体与所述第二基体的支撑框架，所述支撑框架位于所述容纳空间内。

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