一种基于波浪能的排箫海泉景观装置及其结构体设计方法

本发明涉及一种生态海堤音乐景观工程领域，具体涉及一种基于波浪能的排箫海泉景观装置及其结构体设计方法。

背景技术：

目前，随着海洋强国战略的实施，对如何高效环保地开发海洋资源备受海洋工程界的专家学者的关注。对任何的近海建筑物，港湾码头等通常需要设置防波堤进行防护，特别是对于旅游观光的海岛或者海边景点，其防波堤的设计不仅要求具有常规的消波防浪的功能，同时要求其具有环保美观的功能。

我们基于对在美国夏威夷海边和美国俄勒冈州海岸附近的海泉自然景观的观察和认识，仿照其海泉景观的生成原理，即利用海浪拍打岸边的礁石，其中的礁石是有带孔洞的，并且该孔洞和海水相连接，孔洞的构造呈现为底部宽阔，顶部体积缩小的结构，如圆台型。因此周期性海浪拍打礁石的孔洞，会挤压孔洞里的空气和水体，导致礁石里孔洞的空气和水瞬间被击打喷出，如同海里的喷泉，现象尤为壮观且不同的空洞结构会发出不同的冲击声响，因此声音也极具特色。

我国排萧是一种古老的乐器，用若干长短不同的木管或竹管连接起来，直接用口吹，每个管发出一个音，通过连续吹不同的管展现旋律。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，再鉴于排箫结构和海泉景观的壮观，结合防波堤的消波性能要求，本发明提出一种基于波浪能的排箫海泉景观装置及其结构体设计方法，可以为近海海岛提供消波功能，还可以直接利用海洋波浪提供近岸的排箫海泉景观。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于波浪能的排箫海泉景观装置，包括至少一个结构体和在所述结构体上贯通开设有一空腔孔洞，所述空腔孔洞包括第一空腔孔洞和第二空腔孔洞，所述第一空腔孔洞上端口与所述结构体上平面齐平，所述第一空腔孔洞下端口与第二空腔孔洞上端口直径相同，且两端口无缝连接；所述第二空腔孔洞为反l型，其长段为垂直段，短段为水平段，所述水平段的端口设置于海水中，处于被海水淹没的状态。

进一步地，所述第一空腔孔洞为圆台型空腔孔洞，其孔洞的横截面呈上小下大的形状；所述第二空腔孔洞为横截面呈圆形的空腔孔洞；所述结构体的上平面高于海平面。

进一步地，所述结构体有至少2个，结构体的高度自高向低依次并列排布。

进一步地，所述结构体包括固定式结构体和浮式结构体，至少2个固定式结构体排列固定为景观装置，至少2个浮式结构体排列固定成浮式防波提；若干个结构体可以一体成形制造，也可以为一个个结构体单元拼接而成个整体。

进一步地，所述固定式结构体为钢筋混凝土块。

进一步地，通过锚泊方式将所述浮式防波提安置于海域内，比如安置于岸堤边或其他各种水深的海域。

进一步地，所述锚泊方式为采用系泊缆绳将一体化的若干浮式结构体固定于海底。

进一步地，所述系泊缆绳的一端与布置与浮式结构体的底部连接，另一端与固定设置在海底的锚固基础连接。

进一步地，所述锚固基础为各类锚，优选桩锚、法向承力锚、吸力锚。

进一步地，所述系泊缆绳至少有4根；系泊缆绳优选为4根，分别与布置于景观装置的两端的浮式结构体的底部连接，一端分配两根。

进一步地，浮式结构体重量轻，能够漂浮于海面上，这样本发明的排箫海泉景观装置能够适用于各种水深的海域，相比固定式结构体只能坐落于海岸边上更具有灵活性，使用范围更广。

一种排箫海泉景观装置中结构体的设计方法，所述结构体的设计方法如下：

根据波浪理论、流体力学的连续性理论和伯努利方程，得到波浪排箫海泉景观的设置原理和设计方法；

考虑到波浪表面高程η的表达式为:

η＝acosωt(1)

则，波幅的大小为a，波高则为2a，波浪频率为ω，t表示时间；

设置在水深h下c截面处的坐标为zc，c截面为第二空腔孔洞水平段的纵截面的中心，水深h为海平面至第二空腔孔洞的深度距离；

根据波浪理论得到水深h下c截面处的压强pc为

pc＝ρg(η-zc)(2)

其中，ρ表示海水密度，g表示重力加速度，波浪表面高程η＝acosωt；

根据孔口出流的理论得到水深h下c截面处的流速vc为

其中，αc表示c截面动能修正系数，ξc表示局部水头损失的系数；

根据伯努利方程，得c截面至b截面的能量转换表达式：

其中，b截面为第一空腔孔洞3的下端面；αb表示b截面动能修正系数，vb表示b截面处的流速，hw表示损失的水头，αc表示c截面动能修正系数；将b截面的中心处设置为坐标原点的位置，zb＝0，zc＝-h；损失的水头为由此简化为

考虑到波浪表面高程η＝acosωt，进而得

即：

由公式(7)获得孔洞c处截面的坐标值zc＝-h所对应的高程h，与孔口b截面处的流速vb；

根据流体力学的连续性理论，由此得到半径为ra的a截面出口处的流速va：

rb²vb＝ra²va(8)

其中，a截面为第一空腔孔洞3的上端面，rb为第一空腔孔洞3在b截面处的半径，ra为第一空腔孔洞3在a截面处的半径,a截面出口处的流速va,孔口b截面处的流速vb；

根据自由落体运动，能够得出海泉奔涌而上的高度ha：

(va)²＝2gha(9)

由(1-9)式建立海泉奔涌而上的高度ha和入射的波浪表面高程的关系式，通过调整a-b截面的直径调整出口处的流速，从而调整海泉奔涌而上的高度ha；由公式(7)根据波幅的大小α设置和调整结构的第二空腔孔洞距离海面的距离h，即设置c截面处的淹没深度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的装置适用于浮岛或近岸防波堤的海泉景观建设，本发明的装置可以为近海海岛提供消波功能，还可以直接利用海洋波浪提供近岸的排箫海泉景观；

(2)本发明的装置利用涨潮的波浪冲击本设计的新型护岸结构，波浪挤压空腔内的空气和水，由于空腔的内截面积由大变小，空腔内水体的速度越来越大，因此会通过装置内的空腔孔洞喷出，形成壮观的排箫海泉景观；

(3)由于本发明的装置是利用天然的波浪能，对空腔内水体的挤压，结构简易，建造成本低，绿色环保，安装便捷，可以为景观性防波堤的建造和设计提供一个新的结构形式，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1为本发明实施例1固定式的排箫海泉景观装置的主视剖视结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例2锚泊的浮式的排箫海泉景观装置的主视剖视结构示意图；

图4为图3的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例1中结构体的设计原理图。

图中附图标记的含义：

1、海平面，2、波浪，3、第一空腔孔洞，4、第二空腔孔洞，5、结构体，6、系泊缆绳，7、锚固基础。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的排箫海泉景观装置，包括至少一个结构体5和在结构体5上贯通开设有一空腔孔洞，空腔孔洞包括第一空腔孔洞3和第二空腔孔洞4，第一空腔孔洞3上端口与结构体5上平面齐平，第一空腔孔洞3下端口与第二空腔孔洞4上端口直径相同，且两端口无缝连接；第二空腔孔洞4为反l型，其长段为垂直段，短段为水平段，水平段的端口设置于海水中。

在本实施例的一种具体实施方式中，第一空腔孔洞3为圆台型空腔孔洞，其孔洞的横截面呈上小下大的形状；第二空腔孔洞4为横截面呈圆形的空腔孔洞；结构体5的上平面高于海平面。

在本实施例的一种具体实施方式中，结构体5有至少2个，结构体5的高度自高向低依次并列排布。

在本实施例的一种具体实施方式中，结构体5为固定式结构体，至少2个固定式结构体排列固定为景观装置；若干个结构体5可以一体成形制造，也可以为一个个结构体单元拼接而成个整体。

在本实施例的一种具体实施方式中，固定式结构体为钢筋混凝土块，在陆上制备完成后，将其托运至特定的待安装的地点并投放，靠自身重量直接坐落于海底。

带孔洞的排箫海泉结构体的计算原理示意图，如图5所示，本发明的排箫海泉景观装置中结构体5的设计方法如下：

根据波浪理论、流体力学的连续性理论和伯努利方程，得到波浪排箫海泉景观的设置原理和设计方法。为方便理解，可以将海啸海泉景观的设计问题理解为小孔出流问题和波浪周期压力的施加问题。

考虑到波浪表面高程η的最简易表达式为:

η＝acosωt(1)

则，波幅的大小为a，波高则为2a，波浪频率为ω，t表示时间。

设置在水深h下c截面处的坐标为zc，c截面为第二空腔孔洞4水平段的纵截面的中心，水深h为海平面至第二空腔孔洞4的深度距离。

根据波浪理论得到水深h下c截面处的压强pc为

pc＝ρg(η-zc)(2)

其中，ρ表示海水密度，g表示重力加速度，波浪表面高程η＝acosωt。

根据孔口出流的理论得到水深h下c截面处的流速vc为

其中，αc表示c截面动能修正系数，ξc表示局部水头损失的系数。

根据伯努利方程，可得c截面至b截面的能量转换表达式：

其中，b截面为第一空腔孔洞3的下端面；αb表示b截面动能修正系数，vb表示b截面处的流速，hw表示损失的水头，αc表示c截面动能修正系数。将b截面的中心处设置为坐标原点的位置，zb＝0，zc＝-h；损失的水头为由此，可以简化为

考虑到波浪表面高程η＝acosωt，进而可得

即：

由公式(7)可以获得孔洞c处截面的坐标值zc＝-h所对应的高程h，与孔口b截面处的流速vb。

根据流体力学的连续性理论，由此可得，半径为ra的a截面出口处的流速va：

rb²vb＝ra²va(8)

其中，a截面为第一空腔孔洞3的上端面，rb为第一空腔孔洞3在b截面处的半径，ra为第一空腔孔洞3在a截面处的半径,a截面出口处的流速va,孔口b截面处的流速vb。

根据自由落体运动，可以得出海泉奔涌而上的高度ha：

(va)²＝2gha(9)

由(1-9)式可以建立海泉奔涌而上的高度ha和入射的波浪表面高程的关系式，可以通过调整a-b截面的直径调整出口处的流速，从而调整海泉奔涌而上的高度ha。由公式(7)可得，可以根据波幅的大小α设置和调整结构的第二空腔孔洞距离海面的距离h，即设置c截面处的淹没深度。

公式(1)至公式(9)中的已知量有：波浪表面高程η＝acosωt，即公式(1)中的参数都可以通过实测的海域波浪条件获得，而海泉奔涌而上的高度ha和出口的上端面的截面半径ra，出口的下端面的截面半径rb，都是设计值，归为已知量；因此，由公式(8)和公式(9)就可以计算出孔口b截面处的流速vb。在此基础上，根据公式(7)就可以计算获得第二空腔孔洞c处截面的坐标值zc＝-h所对应的高程h。

本发明的排箫海泉景观装安装步骤如下：

首先，根据特定海域的水深、波浪频率ω、波幅a和海泉奔涌而上的高度ha、出口的上端面的截面半径ra、出口的下端面的截面半径rb确定目前所需要的第一空腔孔洞的初始横截面面积，确定第一空腔空洞设置的位置，即b截面的中心处设置为坐标原点的位置，zb＝0。由公式(8)和公式(9)就能够计算出孔口b截面处的流速vb。在此基础上，根据公式(7)就可以计算获得孔洞c处截面的坐标值zc＝-h所对应的高程h，即第二空腔孔洞4水平段的端口中心位置距离海平面的深度距离h。根据这些空洞截面和位置高程的参数和波浪条件，设计相应的两个空腔孔洞模具。

其次，对于固定式的海泉式防波堤，根据结构体的设计方法采用在陆上设计和制备钢筋混凝土块，并得到本发明的固定式结构体。

最后，将其托运至特定的待安装的地点。

实施例2

如图3和图4所示，为了节省本发明的景观装置的成本，本实施例与实施例1的区别在于：将固定式结构体替换成浮式结构体，结构体的具体结构和设计方法不变。

在本实施例的一种具体实施方式中，至少2个浮式结构体排列固定成浮式防波提。

在本实施例的一种具体实施方式中，通过锚泊方式将浮式防波提安置于岸堤边。

在本实施例的一种具体实施方式中，锚泊方式为采用系泊缆绳6将一体化的若干浮式结构体固定于海底。

在本实施例的一种具体实施方式中，系泊缆绳6的一端与布置与浮式结构体的底部连接，另一端与固定设置在海底的锚固基础7连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，锚固基础7指各类锚，优选桩锚、法向承力锚、吸力锚。

如图4所示，在本实施例的一种具体实施方式中，系泊缆绳6至少有4根；系泊缆绳6优选4根，分别与布置于景观装置的两端的浮式结构体的底部连接，一端分配两根。系泊缆绳的材质可以采用聚酯缆绳、高强聚乙烯缆绳和尼龙缆绳等纤维缆绳，这些轻质的材料可以减轻系泊缆绳的重量，减小上部浮箱的体积，进而优化整个排箫海泉景观的装置结构。

在本实施例的一种具体实施方式中，浮式结构体重量轻，能够漂浮于海面上。

本发明充分利用了开空腔孔洞的结构体，将波浪能转化为重力势能，所提出的海泉景观式结构，具有环保和美观的优点，直接利用海洋波浪提供近岸的排箫海泉景观。而且，本发明的景观装置便于在近远海和岛礁附近的防波堤进行安装，为防波堤的建设提供了新的环保方案，具有创新性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。