适用于高含沙海域的多功能防波堤和冲淤平衡自调节方法与流程

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多功能防波堤。

技术背景

港口作为重要的交通枢纽，对于经济发展有着极为深远的意义。据有关资料显示，全球35个国际化的城市，其中有31个是因为有港口而发展起来的国际化的城市，并且全球财富的50％集中在沿海港口城市。然而对于我国部分沿海港口(如上海港、宁波-舟山港等等)而言，由于处于高含沙的海域，因此不可避免的会产生淤积现象。其原因在于，为达到港内泊稳条件，往往需要在港池以外建造防波堤，改变了当地水动力条件，导致影响了原本的冲淤平衡。

由于防波堤内侧水体流速较低，泥沙易沉降，因此可能在该位置发生淤积。一旦发生淤积，则会导致港内水深不足的现象，影响船只航行与停泊。

目前，解决港口淤积问题的方式主要有两种，其一为根据当地水流特性，建立数值模型以采取最优的设计，但是该方式不具有普适性，且实际建成后一旦水动力特征有变，则无法发挥优势；其二为采用定期疏浚的方式，但是该方式具有耗资巨大(每年耗资可高达几百万)、不具有可持续性(需要长期清淤长达几十年)、破坏生态等诸多方面的缺点，是一种不得已而为之的方法。根据以上现状，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重大的现实工程意义。

技术实现要素：

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多功能防波堤的设计思路，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：

适用于高含沙海域的多功能防波堤包括防波堤主体、水动力交换通道、涡轮发电机和控制阀；所述的水动力交换通道为预先铺设并贯穿防波堤主体的管道；水动力交换通道在防波堤主体上排布为上下两层，每层包含多个管道；所述控制阀安装在水动力交换通道的迎浪侧端部，涡轮发电机安装于水动力交换通道的背浪侧出口处；所述的控制阀为单向阀门，上层控制阀仅允许迎浪侧水体流入背浪侧，下层仅允许背浪侧水体流入迎浪侧。

优选的，上层水动力交换通道和下层水动力交换通道的管道之间交错排布。

优选的，水动力交换通道的管道管径在0.2m～0.5m之间。

优选的，在防波堤主体背浪侧海床处还设置有水泥块或石块保护底床防止冲刷。

优选的，所述的上层水动力交换通道的高度低于涨潮时的海面高度，下层水动力交换通道低于落潮时的海面高度。

优选的，下层水动力交换通道的管道出口处连接有导管，所述的导管用于全部或部分导出港内流出的高含沙水流。

本发明还公开了一种基于所述的防波堤的高含沙海域的冲淤平衡自调节方法：

1)在涨潮期间，由于防波堤外侧的水位逐渐升高，上层含沙量相对较低的海水通过上层管道进入港池，同时驱动涡轮机转动发电；在经过能量转换后，水体动能被消耗，不会对港内水体产生过大的影响；

2)在落潮期间，由于港池内水体稳定，泥沙自然沉降，因此靠近背浪侧海床的泥沙浓度较高，该部分高含沙水流通过下层管道流出，整体降低港内含沙量；同时，驱动涡轮机转动发电并起到消能作用；

由于流入港池的水体泥沙浓度较小，而流出港池的水体泥沙含量较高，因此每次涨落潮的泥沙净通量为负值；将每次涨落潮的泥沙净通量换算为每年泥沙净通量，调整上层管道的横截面积a1与下层管道的横截面积a2的值，使每年泥沙净通量与历史所测的每年泥沙淤积量相抵消即可。

而在非涨落潮期间，本发明与普通防波堤的工作原理类似。

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水动力交换通道。结合水体中泥沙含量垂线分布规律，可认为在重力沉降作用下，靠近底面海床的含沙浓度较高，靠近水面的含沙浓度较低。在涨潮时，水流只能从上层管道流入港池，此时的水流因位于上层，含沙浓度相对较低；退潮时水流只能从下层管道流出，此时的水流因为重力沉降作用，含沙浓度相对较高。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。同时港内流出的高含沙水流可通过导管引流至别处，同时可以解决部分情况下可能存在的迎浪测局部冲刷问题。

考虑到高含沙水流拥有比一般水流更大的动量，一方面，当港外水动力作用较强时，通过传递，会影响港内泊稳条件或者导致港内过度冲刷问题，因此需要在水动力交换通道内侧出口处设置消能装置；另一方面，考虑到潮汐能是一种清洁能源，也是当前海洋资源利用的一大热点方向，因此，本发明将发电装置与消能装置合并，以发电涡轮机的形式安装在防波堤内侧管道出口处，同时在内侧海床处设置水泥块或石块保护底床防止冲刷。

本发明采用如上技术方案，并具有以下优点：

1.本发明所述的多功能防波堤是针对高含沙海域而设计，可有效解决港口内外的冲淤不平衡问题。

2.该防波堤除了具有正常防波堤具有的消浪、拦沙等功能外，还可以利用潮汐能进行发电，同时避免安装了消能装置，一举两得。

3.该防波堤在实际浇筑时不存在技术难题，便于实现。

4.该防波堤将发电涡轮机和单向阀安装在水动力交换通道两端，便于后期维修和更换。

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。

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。

如图1和2所示，本发明的适用于高含沙海域的多功能防波堤包括防波堤主体、水动力交换通道、涡轮发电机和控制阀；所述的水动力交换通道3为预先铺设并贯穿防波堤主体的管道；水动力交换通道3在防波堤主体上排布为上下两层，每层包含多个管道；所述控制阀1安装在水动力交换通道3的迎浪侧端部，涡轮发电机2安装于水动力交换通道3的背浪侧出口处；所述的控制阀1为单向阀门，上层控制阀仅允许迎浪侧水体流入背浪侧，下层仅允许背浪侧水体流入迎浪侧。上下两层水动力交换通道没有明显差异图中仅作示意。

水动力交换通道3贯穿堤身，连接控制阀1和涡轮机2。考虑到防波堤的结构和稳定性，对于新建的防波堤，应在堤身浇筑前预先放置管道。若希望改造原有的防波堤，则应该拆除需要安放管道的部位，重新进行浇筑，不可在原防波堤上钻孔。

施工方式取决于防波堤类型，具体流程如下所述：

若为沉箱式防波堤，则需要将沉箱浮运至目的地后，再于沉箱侧壁上开孔，否则在运输过程中有沉没风险。为避免填料出现空洞，需要在填料填充至与开孔平齐后再架设预制管道。填料填充完毕后，采用混凝土将缝隙填补即可。

若为普通方块防波堤，则应先铺设底层混凝土方块，并预留铺设管道空间，待管道铺设完毕后对空隙进行浇筑填补即可。

若为巨型石块防波堤，理论上需要先进行底层的混凝土浇筑，填充至预定高度后再进行管道铺设。然而，考虑到铺设管道所需要的时间空隙，可能导致前期浇筑的混凝土与后续浇筑的混凝土之间出现分层，进而导致稳定性隐患，因此应避免，尽量选取其他类型的防波堤。

另外，考虑到后期维修及更换的便利，对于发电涡轮机的辅助装置，例如管线等，不应浇筑在混凝土内部，应选择在浇筑完成后再进行铺设。

在设计水动力交换管道位置与横截面积时，为保障结构稳定性与美观性，采用如图2所示上下交错分布的方式。管道的具体横截面积以及分布密度可结合以下的公式和实测数据进行计算：

(1)含沙量垂线分布公式(罗斯公式)

公式中被称为泥沙的悬浮指标，其中ω为泥沙沉速，k为卡门常数，u*为摩阻流速，均可通过实验或查表获得。h为水深，设定标准值为水位y＝a处已知的含沙时均浓度(a为较小的数值)，则对于任意的y可通过该公式换算出该点的含沙时均浓度

(2)实地所测的涨落潮时刻、流速等数据

计算方式：

设涨潮时水流垂直于防波堤的时均流速分量为落潮时水流垂直于防波堤的时均流速分量为在本专利中，由于上下双排管的设计，设上层通道(进水通道)总面积为a1，下层通道(出水管道)总面积为a2，根据罗斯公式计算得到相应位置的时均含沙浓度为和设当地t1时刻开始涨潮，t2时刻潮位达到最大值，t3时刻潮位降至t1时刻的高度，根据以上数据可估算一个涨落潮周期内对于港池内的泥沙净变化量为由于流入港池的水体泥沙浓度较小，而流出港池的水体泥沙含量较高，因此每次涨落潮的泥沙净通量均为负值。换算为每年泥沙净通量后，调整管道横截面积a1与a2的值，与历史所测的每年泥沙淤积量相抵消即可。

设防波堤堤长为l，则理论上单位长度内设计的通道横截面积分别为a1/l和a2/l。由于成本及稳定性的限制，单位长度内的通道数量不可过多，管道直径也不可过大，本专利中给出的管径建议值为0.2m～0.5m之间，通道数量可结合计算值以及施工成本进行确定。

另外，考虑到实际工程问题，施工时单位长度内的管道横截面积可乘上一个大于1的系数，例如αa1/l和βa2/l，该设计方案的好处在于，对于工程所面临的各种情况，可通过关闭或者开放部分管道进行调节，使得其具有更强的适应性。

本发明实际工作方式如下：

1)在非涨落潮期间，本发明与普通防波堤的工作原理类似。

2)在涨潮期间，由于防波堤外侧的水位逐渐升高，上层含沙量相对较低的海水通过上层管道进入港池，同时驱动涡轮机转动发电。在经过能量转换后，水体动能被消耗，因此不会对港内水体产生过大的影响。

3)在落潮期间，过程与涨潮相反。由于港池内水体稳定，泥沙自然沉降，因此靠近海床的泥沙浓度较高，该部分高含沙水流通过下层管道流出，整体降低港内含沙量。同时，因为一部分通过涡轮机转化为电能，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)在发电涡轮机实际工作时，产生的电能可通过线路传输至陆地统一储存，也可对防波堤上或周边的耗电装置(如照明灯、指示灯)进行供电或储能。

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。