顧辰馳，蔣志勇

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 浮式防波堤

浮式防波堤通常由金屬、鋼筋混凝土和塑料等材料制造的浮式構(gòu)件和錨泊系統(tǒng)組成的防浪設(shè)施，其主要優(yōu)點(diǎn)是有很強(qiáng)的海水交換功能，可防止海水污染;隨著水深的增加，其造價(jià)比固定式要便宜得多;可以很容易地應(yīng)用在軟海床水域，不需要進(jìn)行地基處理;安放位置可以很容易地改變;浮體、纜繩和錨具都很容易制造;可任意拆遷，重復(fù)使用;建造周期短，速度快?，F(xiàn)有的浮式防波堤有以下基本結(jié)構(gòu):浮箱式浮式防波堤、浮筒式浮式防波堤、浮筏式浮式防波堤。

防波堤由4個(gè)部分組成，包括2個(gè)浮筒、14 根連接柱和防浪網(wǎng)，總長度為20 m，寬為10 m。浮筒直徑為4 m，壁厚為0.15 m，浮筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置直徑50 mm的鋼筋24 根。連接柱直徑為0.5 m，長度為2 m，也是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有直徑32 mm的鋼筋21 根。防浪網(wǎng)外部是由鋼架構(gòu)成，高度為7.5 m，防浪網(wǎng)網(wǎng)目尺寸為40 mm，網(wǎng)線粗度為210 D/90 股(2.35 mm)。防浪網(wǎng)內(nèi)部設(shè)有防浪球，防浪球布滿1/3 防浪網(wǎng)的空間，防浪球?yàn)橥鈴?50 mm、內(nèi)徑79 mm的聚乙酸乙烯脂橡膠球(重力等于浮力)。防浪網(wǎng)下設(shè)有沉子，為每個(gè)5 kg的石塊，如圖1所示:

圖1 浮式防波堤Fig.1 Floating breakwater

使用拖航方式將浮式防波堤運(yùn)輸至工作海域，為了減小拖航阻力，拖航中防浪網(wǎng)部分會(huì)置于水面以上，因此拖船將防波堤拖至工作海域后，在定位錨泊之前，需對(duì)防波堤進(jìn)行翻身。為了控制成本，在安裝過程中不考慮使用浮吊等大型起重設(shè)備，通過向單個(gè)浮筒中注水，使防波堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾覆，再通過拖拽、抽水的操作完成翻身。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

首先采用Maxsurf 對(duì)浮式防波堤進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入Hydromax，利用Equilibrium Analysis 模塊進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證方案的可行性。

關(guān)于軟件建模的幾點(diǎn)說明:由于Maxsurf 軟件建模的限制性，該模型中并沒有將防浪網(wǎng)部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，而是直接將防浪網(wǎng)作為載荷加入，直接輸入重量重心，即在設(shè)置Loadcase 時(shí)將防浪網(wǎng)部分的結(jié)構(gòu)也作為Loadcase的一項(xiàng)內(nèi)容。由于防浪網(wǎng)的排水體積很小，與其重量相比可忽略，因而可作此簡(jiǎn)化。

在該模型中未考慮防浪球的重量。課題需研究防波堤翻身方案的可行性，在該注水翻身方案中，防波堤處于關(guān)鍵浮態(tài)時(shí)，防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)均完全浸沒，即防浪球的重量對(duì)防波堤翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響較小。因此為了方便建模，防浪球的重力可進(jìn)行忽略。為了驗(yàn)證該忽略操作的可行性，筆者在計(jì)算時(shí)嘗試添加過防浪球的重力進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果證明了在防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)浸沒之前，在Loadcase 中加入防浪球的重量對(duì)右舷旋轉(zhuǎn)角度也幾乎沒有影響。在設(shè)置浮筒中的進(jìn)水量時(shí)，為了方便計(jì)算，設(shè)置了4個(gè)水位線，分別是1/4 D (925 mm)，1/2D (1 850 mm)，3/4D(2 775 mm)，D(3 700 mm)，用水位線來描述浮筒中加載水的量。

第1 次模擬計(jì)算的4個(gè)水位線對(duì)應(yīng)的右舷旋轉(zhuǎn)角度如表1所示。

表1 右舷旋轉(zhuǎn)角度Tab.1 Rotation angles of starboard

浮筒內(nèi)液面高度位于925～1 850 mm和2 775～3 700 mm 時(shí)，液面增加相同高度時(shí)，防波堤的旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)較小，即旋轉(zhuǎn)速度較小，而當(dāng)液面高度位于1 850～2 775 mm 時(shí)，防波堤的旋轉(zhuǎn)速度較快。造成這種現(xiàn)象可能的原因有:1)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)重力作用的力矩變大，使得防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)對(duì)防波堤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響更大;2)由于在描述浮筒內(nèi)進(jìn)水量時(shí)采用的量是浮筒內(nèi)的液面高度，因此當(dāng)液面高度越接近1 850 mm，也就是液面越接近圓心時(shí)，增加單位高度的水相應(yīng)的增加的水量要大于液面高度較小時(shí)，因此當(dāng)液面高度位于1 850～2 775 mm 時(shí)，實(shí)際進(jìn)水速度更快。

為了進(jìn)一步研究防波堤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度變化的規(guī)律，又添加了9個(gè)水量，分別是9/16D (2 081.25 mm)，10/16D (2 312.5 mm)，41/64D (2 370.3 mm)，42/64D (2 428.13 mm)，43/64D (2 485.94 mm)，11/16D (2 543.75 mm)，45/64D (2 601.6 mm)，46/64D(2 659.4 mm)，47/64D(2 717.2 mm)。這9個(gè)水量都位于1 850～2 775 mm 之間。增加Loadcase后再次進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

加載水深度達(dá)到2 500 mm 左右時(shí)，防波堤的旋轉(zhuǎn)速度存在一個(gè)急增現(xiàn)象，因此在旋轉(zhuǎn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度過大的現(xiàn)象。同時(shí)，注意到旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生急增時(shí)，防波堤旋轉(zhuǎn)的角度在25°～75°之間，在這樣的旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間中，防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)部分會(huì)進(jìn)行入水，防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)入水時(shí)如果速度過大，拍擊水面的力度就會(huì)很大，會(huì)使結(jié)構(gòu)的安全性和完整性受到威脅。因此，為了安全地完成翻身操作，在防波堤翻身過程中，不應(yīng)該讓其自由旋轉(zhuǎn)，需要采取措施，保證防波堤的旋轉(zhuǎn)速度在合理的范圍內(nèi)。

表2 所有Loadcase 對(duì)應(yīng)的右舷旋轉(zhuǎn)角度Tab.2 Starboard rotation angles of all loadcases

當(dāng)液面高度為3 700 mm 時(shí)，也就是當(dāng)單個(gè)浮筒中注滿水時(shí)，右舷的旋轉(zhuǎn)角度為90.7°，角度大于90°，此時(shí)如果對(duì)該浮筒進(jìn)行排水操作，防波堤會(huì)保持原來的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此從可行性角度上來看，該翻身方案可以完成防波堤的翻身。

然而，注滿水的旋轉(zhuǎn)角度僅僅是略微大于90°，在實(shí)際海況下，需要綜合考慮風(fēng)、浪、流對(duì)防波堤的影響，因此在實(shí)際翻身過程中如果不施加外力，對(duì)防波堤的翻身進(jìn)行協(xié)助，極有可能無法順利完成防波堤的翻身。因此，雖然該翻身方案中在理論上可以不借助外力的干涉對(duì)防波堤進(jìn)行翻身，但在實(shí)際工程施工中，還是建議施加外力協(xié)助翻身。

在進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要觀察翻身方案的可行性，同時(shí)，也需注意在旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)速度的變化是否與數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)表現(xiàn)一致。

2 模型實(shí)驗(yàn)

綜合模型制作的可行性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及實(shí)驗(yàn)操作的便捷性，確定模型的縮尺比為1∶20。模型采用內(nèi)外筒之間填砂的配重方法進(jìn)行配重，通過計(jì)算驗(yàn)證，內(nèi)筒采用內(nèi)徑180 mm的管代替185 mm的管，填砂配重后的模型重量與按縮尺比計(jì)算后的重量非常接近。

在浮式防波堤的一個(gè)浮筒上設(shè)置4個(gè)進(jìn)/出水管。其目的是方便進(jìn)出水時(shí)的排氣和進(jìn)氣，又因?yàn)樾D(zhuǎn)過程會(huì)改變水管的位置(上到下和下到上)，因此上下都設(shè)置可以確保能將水全部排出。在浮筒長度方向設(shè)置2 組水管同樣也是為了確保能將水全部排出，如果只有一邊有水管，一旦發(fā)生縱傾，極有可能水全部停留在沒有水管的一邊，使得排水出現(xiàn)問題。

模型中防浪網(wǎng)部分的制作方案:選取5 mm的鋼筋制作防浪網(wǎng)，制作2個(gè)防浪網(wǎng)，一個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)縮尺比尺寸，同網(wǎng)格的防浪網(wǎng)，另外一個(gè)只制作外圍鋼架部分。其目的是:從數(shù)值模擬結(jié)果的分析中我們已經(jīng)得出不加外力的情況下，防波堤最終的旋轉(zhuǎn)角度只能稍大于90°，在實(shí)際操作過程中需要施加外力。上述方案中2個(gè)防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量一定會(huì)大于所需的0.149 kg，這樣制作在結(jié)構(gòu)上維持了模型的完整性，多出的質(zhì)量可以看作為對(duì)翻身的加載力，2個(gè)不同質(zhì)量的防浪網(wǎng)可以作為2 種不同大小的加載。同樣，由于防浪球的重量對(duì)翻身沒有影響，模型中也不放置防浪球。

注/抽水方案:使用高位水槽壓力注水。選用該注水方式是考慮到注水速度的線性，同時(shí)采用這種方法也能較好的控制注水速度。抽水則采用的是抽水泵進(jìn)行。模型如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experiment model

浮式防波堤的翻身實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)部分:第1 部分實(shí)驗(yàn)為不安裝防浪網(wǎng)，直接注水、抽水進(jìn)行翻身;第2 部分實(shí)驗(yàn)為安裝全尺寸防浪網(wǎng)進(jìn)行翻身實(shí)驗(yàn);第3部分實(shí)驗(yàn)為安裝減重的防浪網(wǎng)進(jìn)行防波堤翻身實(shí)驗(yàn)。

3個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的與作用分別是:

實(shí)驗(yàn)1為模擬防波堤真實(shí)的翻身過程(見圖3)，從前文分析可知，不含防浪球的防浪網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與浮筒質(zhì)量相比很小，因此其對(duì)翻身過程的影響也可近似忽略;

實(shí)驗(yàn)2 增加安裝了全尺寸的防浪網(wǎng)(見圖4)，經(jīng)測(cè)量，該防浪網(wǎng)的質(zhì)量3.1 kg，而防波堤實(shí)物中防浪網(wǎng)加上防浪球的總質(zhì)量為27.57 t，按縮尺比換算所得模型中的該結(jié)構(gòu)重量為3.4 kg，因此實(shí)驗(yàn)2可以近似模擬裝有防浪網(wǎng)中帶防浪球結(jié)構(gòu)的浮式防波堤的翻身情況，但僅僅是防浪網(wǎng)在水面以上的運(yùn)動(dòng)情況具有研究意義，注滿水后的中間浮態(tài)沒有研究意義，因此，該實(shí)驗(yàn)主要用來驗(yàn)證防浪球部分對(duì)防浪網(wǎng)入水前翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響;

實(shí)驗(yàn)3 中使用了減重的防浪網(wǎng)(見圖5)，防浪網(wǎng)的質(zhì)量為1.2 kg。由于場(chǎng)地限制和模型結(jié)構(gòu)限制，在實(shí)驗(yàn)中無法很好地完成輔助外力的施加，因此用增加防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)重量的方法替代輔助外力，從而完成施加外力對(duì)浮式防波堤翻身影響的研究。

圖3 實(shí)驗(yàn)1Fig.3 Experiment 1

圖4 實(shí)驗(yàn)2Fig.4 Experiment 2

圖5 實(shí)驗(yàn)3Fig.5 Experiment 3

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和建議

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用向單個(gè)浮筒中注水、抽水進(jìn)行浮式防波堤翻身的方案可行。

在翻身方案確定的初期階段曾進(jìn)行過是否需要增加外力協(xié)助防波堤翻身的討論，最初單從防波堤的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來考慮，防波堤可以在沒有外力協(xié)助的情況下完成翻身。經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在沒有外力協(xié)助時(shí)，防波堤的翻身有可能會(huì)出現(xiàn)問題。模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了數(shù)值模擬中得出的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)1 中的防波堤模型的重心分布情況與防波堤實(shí)物的重心分布情況最為接近，而在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，只有施加外力，使得防波堤模型從平衡位置再偏轉(zhuǎn)一定的角度(約5°)時(shí)，才能使翻身正常完成。

圖6 外力施加方案Fig.6 Plan for exerting external force

使用該翻身方案同時(shí)也需要施加外力協(xié)助。實(shí)際施工中的外力協(xié)助方案如圖6所示。通過在防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂端施加拉力，協(xié)助防波堤翻身。有可能遇到的問題是防浪網(wǎng)的強(qiáng)度不夠，無法承受旋轉(zhuǎn)防波堤所需的彎矩。因此使用該方案前需要先校核防浪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。如果防浪網(wǎng)強(qiáng)度不夠，可使用圖7所示的候補(bǔ)協(xié)助方案。候補(bǔ)方案中纜繩的連接點(diǎn)為浮筒外側(cè)的錨鏈孔。

圖7 候補(bǔ)方案Fig.7 Backup plan

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，如果不對(duì)防波堤模型的位置進(jìn)行固定，隨著注水，重心位置變化帶來的旋轉(zhuǎn)和其他方向的運(yùn)動(dòng)使得防波堤模型的位置就會(huì)一直移動(dòng)。防波堤實(shí)物在工作海域進(jìn)行翻身施工時(shí)，加上風(fēng)浪影響，這種現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，因此在翻身過程中需要對(duì)防波堤進(jìn)行定位。防波堤的定位方案如圖8所示。

圖8 定位方案Fig.8 Locating plan

另外，定位裝置在防波堤翻身過程中還可以起到其他作用。無論是數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果還是模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，在防波堤翻身旋轉(zhuǎn)的過程中，有一個(gè)階段旋轉(zhuǎn)速度會(huì)急增，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要采取措施防止防波堤旋轉(zhuǎn)速度過快。防波堤定位時(shí)所使用的纜繩即可以幫助減緩旋轉(zhuǎn)速度。定位時(shí)1、2、3、4 號(hào)四根纜繩均為收緊狀態(tài)，在翻身過程中可以隨著防波堤的旋轉(zhuǎn)逐漸放松1 號(hào)和2 號(hào)纜繩，通過纜繩的收放控制防波堤的旋轉(zhuǎn)，確保防波堤能安全地進(jìn)行翻身。

4 結(jié) 語

通過Maxsurf 軟件的數(shù)值模擬計(jì)算以及模型實(shí)驗(yàn)，得到了以下結(jié)論:

1)利用向一個(gè)浮筒中注水使防波堤失穩(wěn)，再通過抽水完成防波堤翻身的方案可行;

2)翻身過程中需要施加外力協(xié)助防波堤翻身。由于單浮筒注滿水后防波堤的右舷旋轉(zhuǎn)角度不能完全滿足翻身，因此外力的協(xié)助必須，同時(shí)提出了2種可行的施力方式;

3)翻身過程中需對(duì)防波堤進(jìn)行定位以確保翻身操作的安全性;

4)翻身過程中需要控制防波堤的旋轉(zhuǎn)速度，確保翻身操作的安全性、防波堤結(jié)構(gòu)的完好，可借助防波堤的定位纜繩實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的控制。

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