一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤及其设计方法与流程

本发明涉及一种新型浮式防波堤及其设计方法，具体涉及一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤及其设计方法。

背景技术：

防波堤作为一种传统的工程结构物，主要起到降低波浪透射系数，改善港池泊稳条件，掩护指定水域的作用。浮式防波堤因其修建成本低，不受海底地质条件限制，修建迅速，拆迁方便等特点在较深水区域得以广泛使用。

矩形浮箱式浮防波堤因其结构简单，可靠性强、易于维护等特点已成为工程上所采用浮式防波堤的主要结构型式。矩形浮箱式浮防波堤通常由矩形浮箱体和锚泊系统组成，在实际工程应用中，锚泊系统的可靠性往往成为制约矩形浮箱式浮防波堤长期使用可靠性的瓶颈性因素。同时因矩形浮箱式防波堤消浪方式以反射波能为主，浮箱体吃水越深，波浪消浪效果越好，但锚力也会相应增大，相应地矩形浮箱断面成本和锚泊结构成本就会大幅提升。

在已公开的关于矩形浮箱式浮防波堤的相关专利中，尚未有关注利用约束水体增加浮式防波堤整体附加质量来提高浮式防波堤锚泊稳定性进行挡浪消波的技术方案，因此，矩形浮箱式浮防波堤设计可考虑根据波浪特性进行设计，充分利用所束水体增加浮式防波堤附加质量，同等工况下减小浮箱断面尺寸和降低锚泊系统锚泊力，使浮防波堤设计兼顾良好的消浪效果和经济性的特点。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种新型矩形浮箱式浮防波堤，其主要目的在于提供一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤。一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤，其矩形浮箱起浮力支撑作用，利用浮箱下部布置的多列挡浪板与挡浪板之间的水体所形成的束水效应，使挡浪板之间水体构成浮式防波堤整体的额外的附加质量，即增加浮式防波堤的附加质量，借助水体惯性增强浮式防波堤整体稳定性，减小浮箱断面尺寸，降低锚泊系统锚泊力，降低工程造价。从增加结构稳定性和降低工程成本的角度出发，优化结构型式，提出适用于深水区新型矩形浮箱式浮防波堤。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤，其特征在于由多个防波堤结构单元构成，单个防波堤结构单元由挡浪墙、矩形浮箱、挡浪板、支撑梁、锚索、沉块构成，各防波堤单元之间通过挂钩连接。所述防波堤结构单元以矩形浮箱作为主体结构，所述矩形浮箱通过锚索连接至沉块，整体锚泊在设计区域中；所述插板式挡浪板为可灵活选择安装列数的结构，所述挡浪板上部T形结构可靠地悬挂连接至矩形浮箱，挡浪板列数较多时，挡浪板之间设置有支撑梁使挡浪板相互连接，增强结构整体的刚度；所述挡浪墙布置于矩形浮箱上部迎浪侧，与浮箱整体结构整体衔接；所述挂钩均匀布置于单个浮式防波堤单元矩形浮箱两侧，相互咬合衔接。

进一步的，所述矩形浮箱为间断性中空矩形浮箱，为预制钢筋混凝土结构，预留有设置插板式挡浪板的T形安装孔隙，浮箱下部因设置多列插板式挡浪板可使结构重心下移，即通过设置多列挡浪板使结构重心降低，继而浮箱内部不设置压载层，浮箱长度、高度结合防波堤建造处波浪和锚泊特性建造，浮箱高度d取d＝(0.8～1.2)m，浮箱宽度w取w＝(8～16)m。

进一步的，所述挡浪墙为弧形挡浪墙，布置于矩形浮箱迎浪侧，与矩形浮箱整体刚性衔接，挡浪墙距矩形浮箱迎浪侧边缘距离D应满足0.5·H≤D≤H，挡浪墙高度自浮箱顶起高度S≥0.5·H,H为设计波高，其中设计波高采用重现期为50年或25年，波高累积频率为13％的波高值。

进一步的，所述挡浪板断面为短肋T形结构，所述矩形浮箱在中间位置留有T形的预留区域，在不安装挡浪板时防波堤体为竖直留有通孔的矩形浮箱结构；在安装有挡浪板时，挡浪板上部T形搁置区域与矩形浮箱嵌固衔接，为悬挂式结构，可在防波堤整体结构建设完工后拼接安装完成。挡浪板设置成可灵活衔接结构，可根据工程场地波浪作用情况灵活调整确定挡浪板列数以及部分位置不设挡浪板时形成的通孔数量。

进一步的，所述挡浪板为栅栏式挡浪板，挡浪板竖向长度为M＝(1.0～1.15)·H，其中H为设计波高；挡浪板开孔型式为横向开孔，开孔率P结合防波堤建造处波浪情况确定，P＝5％～30％；挡浪板列数结合浮箱尺寸以及防波堤建造处水深、波浪情况确定，列数N满足N≥2，同时挡浪板允许在矩形浮箱预留的孔隙间隔或跳点布置，允许矩形浮箱中预留安装挡浪板的T形孔隙不安装挡浪板使矩形浮箱预留T形孔隙形成设置有纵向通孔的亲水性结构。

进一步的，当挡浪板列数较多时，应在挡浪板之间设置支撑梁。所述支撑梁间隔一定间距布置，间隔距离为A＝(4～5)m，支撑梁布置于挡浪板中间位置不开孔位置处，起到连接挡浪板，增强结构整体刚度及稳定性的作用。

进一步的，所述相邻防波堤结构单元之间通过矩形浮箱两侧设置的挂钩进行连接，所述挂钩为柔性绳索结构，允许多自由度的微幅相对运动，多个防波堤单元通过挂钩形成防波堤整体结构，防波堤具体布置情况应结合建造地水深、波浪情况确定。

进一步的，所述矩形浮箱通过锚索锚系至海底的沉块中，采用平行型松弛式锚泊方式完成矩形浮箱的锚泊，每个矩形浮箱采用T对锚索锚泊，T＝1～3。

一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤的消浪过程如下：

a.波浪作用至防波堤，堤身反射消能：波浪从外海侧入射作用至防波堤，在矩形浮箱-挡浪板-挡浪墙构成的整体迎浪结构作用下发生波浪发射，利用堤身反射消能；

b.波浪作用至多列挡浪板，波列经挡浪板开孔透射，紊动消能；波浪作用至多列挡浪板时，部分波列经挡浪板开孔透射，通过水体碰撞、掺混、摩擦、绕流，紊动现象显著，此时为紊动消能。

c.多列挡浪板形成束水效果，挡浪板之间水体增加防波堤的附加质量，防波堤整体惯性增加，防波堤与水体整体构成等效性扩大化防波堤，波浪作用下矩形浮箱-挡浪板整体多自由度运动响应均大幅度减少，防波堤整体阻尼效果显著，锚泊结构受力显著降低，防波堤整体稳定性提升。同等工况下明显降低防波堤建设用料。

另根据已有研究成果，波浪能量大多集中在水体表层，自水体表面以下3倍波高范围内集中了波浪90％的能量，本发明充分考虑波浪能在水体的分布特点，最大限度降低材料用量，同时可结合具体工况灵活调整挡浪板的列数，施工成本和维护成本低廉，在既有浮箱体安装好的基础上能提高防波堤消浪结构消能作用范围及提高防波堤消浪结果。

本发明的有益效果：

1、一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤，矩形浮箱下部设置有多列挡浪板，在一定范围内，多列挡浪板存在的条件下挡浪板竖向长度的增加与挡浪板整体阻断波浪在水面以下传播的阻碍效果的提升有正相关关系，即多列挡浪板存在的条件下挡浪板长度的增加，同等工况下增加防波堤单元的局部吃水，增加防波堤对波浪传播过程的阻碍效果，从而增加防波堤整体的挡浪消波效果。

2、本发明通过在矩形浮箱上设置多列栅栏式挡浪板和防浪墙，兼顾反射消能、波列干涉消能和紊动消能、掺混消能等消能特点，波浪入射至防波堤处在多重作用下发生掺混混杂，非线性效应加剧，入射波能耗散明显，能显著降低透射波高，消浪效果十分显著。

3、通过设置多列挡浪板，使挡浪板附近约束的水体增加防波堤结构体的附加质量，从而增加结构整体的惯性，使矩形浮箱运动减缓效应明显，可进一步提高消浪效果，另使得防波堤单元不单纯依靠锚泊来限制浮体的运动，同时可降低锚泊系统设计要求，降低锚泊系统造价。

4、所述挡浪板为开孔挡浪板结构，在同等条件下尽可能减少挡浪板集中受力现象的产生，结构受力明确且均匀合理，尽可能降低挡浪板作为此类防波堤主要受力构件发生集中剪切破坏的可能性。

5、所述插板式挡浪板为可灵活安装的结构，可在防波堤基础建成后再另行安装，免去大型复杂防波堤整体的吊装、安装工作，施工灵活方便；插板式挡浪板可根据具体工况灵活布置，波况剧烈时，可在矩形浮箱每一预留T形空隙内安装插板式挡浪板，并在挡浪板之间布置支撑梁，用以适应条件较为恶劣的工况；当浪高较小、工况较为简单时，可在矩形浮箱预留T形空隙处跳点布置挡浪板并免去布置支撑梁，用以适应较为简单的工况，此时，矩形浮箱上预留T形空隙结构为液面与空气交界面，波浪作用下也可加剧水体紊乱，从而增强防波堤整体消能效果。

6、所述挡浪板一般为主要受力构件，采用本设计时，若挡浪板发生破坏则可以及时、灵活、方便完成挡浪板更换、和修复工作。若浮式防波堤回收时，挡浪板结构也根据耐久性情况灵活回收，满足再利用的环保性需求。

7、该防波堤可根据实际工程条件调整挡浪板沉放、布置具体位置以及挡浪板长度，可针对波谱中主频波波高等波浪条件来调节挡浪板布置细节，从而增加波能耗散的水域范围和提高防波堤整体结构的消浪效果。

8、该防波堤各组成构件均为装配式构件，可重复循环使用，可广泛应用于临时性或永久性工程，在发挥功能后也方便回收，成为绿色建筑构造物，工程建设节能环保。

综上所述，本发明优选地采用设置多列挡浪板将水体作为结构自身的附加质量，兼顾反射消能、波列干涉消能和紊动消能、掺混消能等多种消能方式，可显著降低防波堤透射系数，降低堤后波高，同时可降低锚泊系统和浮箱造价，本发明结构简单，施工方便、较传统的浮式防波堤易于维护且维护成本低廉，工作过程中消浪效果良好，可适用深水、浅水等近海区域。

本发明还提供了一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤的设计方法，流程如图7所示：

步骤一：分析波况

根据波浪情况和使用要求确定采用的设计标准，确定设计波高采用重现期为50年或25年，波高累积频率为z％的波高，继而确定设计波高值。

步骤二：矩形浮箱主体尺寸设计：

结合波浪条件设计浮箱尺寸细节，高度d取d＝(0.8～1.2)m，浮箱宽度w取w＝(8～16)m。其中，浮箱尺寸(长度、高度)与波浪浪高值可简化为正比例线性关系处理，近似取f(x)＝k·x+b，具体系数k、b应结合特定挡浪板布置条件下的物理模型实验结果另行确定。

步骤三：挡浪墙设计：

挡浪墙设计与传统设计略有不同，在设计中，挡浪墙距矩形浮箱迎浪侧边缘距离D应满足0.5·H≤D≤H，挡浪墙高度自浮箱顶起高度S≥0.5·H,H为设计波高，挡浪墙断面详细设计可参考相应的规范。

步骤四：挡浪板设计：

挡浪板设计分为挡浪板结构设计和挡浪板列数设计两个方面，挡浪板列数应根据波况分析和矩形浮箱尺寸设计综合考虑后确定。挡浪板结构设计如下：设计挡浪板竖向长度为M＝(1.0～1.15)·H，其中H为设计波高；设计挡浪板开孔型式为横向开孔，一般取P＝5％～30％，根据波况确定开孔率P的具体数值；其中M和P的设计值取用均简化为与波浪浪高值呈函数关系处理，通过物理模型实验确定拟合其函数关系。另，当挡浪板列数较多时，在挡浪板之间设置支撑梁。支撑梁间隔间隔距离取A＝(4～5)m，同时设计确定A的具体数值。

步骤五：锚泊系统设计：

锚泊系统设计按照稳定性原则，参考传统锚泊方式进行设计，每个矩形浮箱采用T对锚索进行锚泊，确定沉块的质量以及锚链的尺寸和数量。

附图说明

图1是本发明的防波堤结构单元示意图。

图2是挡浪板结构示意图

图3是防波堤结构单元俯视图

图4是中间挡浪板与矩形浮箱衔接示意图

图5是中间挡浪板结构示意图

图6本发明的另一种代表实现方式结构单元示意图

图7本发明设计方法流程图

1.挡浪墙，2.浮箱中空区域，3.矩形浮箱，4.锚索，5.挡浪板/插板式挡浪板，6.沉块，7.支撑梁，8.挡浪板通孔，9.挂钩，10，矩形浮箱预留孔隙。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

工况1：(n＝4，挡浪板依序布置)某工程需在某海域修建一段浮式防波堤，50年一遇设计波高为2.30m，浮式防波堤采用一种带有多列栅栏式挡浪插板的浮式防波堤设计，如图3所示，该浮式防波堤由多个防波堤结构单元构成，如图1所示，单个防波堤结构单元由挡浪墙1、矩形浮箱3、挡浪板5、支撑梁7、锚索4、沉块6构成，各防波堤单元之间通过挂钩9连接。防波堤结构单元以矩形浮箱3作为主体结构，内部为浮箱中空区域2，,矩形浮箱3通过锚索4连接至沉块6，整体锚泊在设计区域中；如图3、图4所示，挡浪板5上部与矩形浮箱3为嵌固连接，外侧挡浪板5与中间挡浪板8横向整体结构通过支撑梁7相互连接，增强结构整体的刚度；挡浪墙1布置于矩形浮箱3上部迎浪侧，与矩形浮箱3整体结构刚性衔接；挂钩9均匀布置于单个浮式防波堤单元矩形浮箱3两侧，相互咬合衔接。矩形浮箱3为预制钢筋混凝土结构，由于采用多列挡浪板设计，自身重力满足结构压载需求，故矩形浮箱3内部不设置压载层，浮箱高度d取d＝0.8m，浮箱宽度w取w＝8m。挡浪墙1为弧形挡浪墙，布置于矩形浮箱3迎浪侧，与矩形浮箱3整体刚性衔接，挡浪墙1距矩形浮箱3迎浪侧边缘距离D＝2.0m，挡浪墙1高度自矩形浮箱3顶端距离S＝1.30m，如图2所示，挡浪板5为栅栏式挡浪板，挡浪板5竖向长度为M＝2.30m，挡浪板5开孔型式为横向开孔，开孔率P取21％；中间挡浪板8列数结合浮箱尺寸以及防波堤建造处水深、波浪情况确定，列数N取N＝2，外侧挡浪板5与中间挡浪板8、中间挡浪板8之间间距均满足L＝3.0m。支撑梁7间隔一定间距布置，间隔距离为A＝4.5m，支撑梁7布置于挡浪板中间位置不开孔位置处。矩形浮箱3通过锚索4锚系至海底的沉块6中，采用平行型松弛式锚泊方式完成矩形浮箱3的锚泊，每个矩形浮箱3采用T对锚索锚泊，取T＝2。

工况2：(n＝3，挡浪板间隔布置)工程设计条件与工况1相同，考虑为简单工况，实际设计采用挡浪板间隔布置方案，如图6所示，设计条件中挡浪板5长度设置为2.60m，其他设计与工况1相同，相同海况下挡浪板5间隔布置，通过增加挡浪板5长度增加防波堤单元束水效果从而增加防波堤单元附加质量，同时预留的孔隙的存在也会显著增加水体紊乱掺混程度，促进水体掺混消能，影响水质点运动，从而对波浪起到良好的阻滞和消能效果，有效的降低了堤后波高，为堤后海域提供了平稳的水域环境。