防波堤稳定性和消波特性的研究进展的浅议

　　防波堤是沿海人工掩护港口的重要组成部分，承担削减波浪冲击、维护港内建筑物稳定、保证港内水域泊稳条件等主要任务，还起到控制港内淤积和岸线侵蚀等作用。按结构型式或断而形状，防波堤可分为斜坡式、直立式、混合式、透空式、浮式以及喷气（水）消波式等多种类型。防波堤结构型式的选择主要取决于功能及使用条件、水文及工程地质条件和材料来源及施工条件等因素。国、内外研究者均对防波堤稳定性和消波特性进行过大量研究，下而着重就半圆形防波堤等几种新型防波堤的研究进展进行归纳和分析。
　　1 新型直立式防波堤
　　1.1半圆形防波堤
　　上世纪80年代末，日本学者首次研发半圆形防波堤，堤身主体由预制半圆形拱圈和底板组成，置于抛石基床上。根据具体使用情况，可在拱圈前、后(或拱圈全部)和底板上开孔，使堤身的内部形成消浪室，可减小波浪力和波浪反射。日本最早在宫崎港防波堤上安置的半圆形试验堤段取得成功。
　　1.1.1半圆形防波堤的结构特点
　　半圆形防波堤堤身圆拱构件的受力性能好，能较好地削减作用其上的波浪力，结构整体抗滑稳定性好，由于作用于半圆形堤而的波浪压力的作用方向均指向圆心，对堤身不产生倾覆力矩，因此防波堤地基应力分布较均匀，适用于地基承载力较低的地区，且堤身断而较传统直立式防波堤更为经济。半圆形防波堤的堤身构件全部在陆上预制，安放于整平的抛石基床上即可抵御大浪的冲击，适用于条件较差的外海，半圆形构件为自身稳定结构，堤身内部不需要填石且无现浇混凝土等后续工序，施工方便、石方消耗量大减。半圆形防波堤在海域中具有较好的景观效果，使港区水域的视觉效果大为改善。我国半圆形防波堤的应用始于1995年的天津港北大防波堤工程，随后又有天津港南疆第五期围捻、长江口深水航道一期南导堤等也建成了半圆形防波堤。
　　1.1.2半圆形防波堤稳定性分析
　　可采用修正后的合田良实公式计算半圆形防波堤上的波浪作用力。根据相关物理模型试验结果，在规则波和不规则波作用下，半圆形防波堤堤身的波压分布和所受总波浪力的变化趋势基本相同。通常水平波浪力和垂向波浪力的最大值并不会同步出现，其间存在约1/2或1/4周期的相位差。堤身的结构稳定性与堤前水深、堤身自重和波浪力有关，在底板适当开孔可减小波浪浮托力的影响，如果现场沙源充足，也可在堤体内填沙以增大堤身的抗滑移稳定性。堤身稳定还会受水平波浪力和垂向波浪力相位差的影响，在不同水深情况下，其相位差由1/2周期向同步相位过渡，堤身滑移破坏方向由向背浪侧滑移转变为向迎浪侧滑移。影响半圆形防波堤水力特性的因素包括波高、相对水深(d/L)、波长、开孔率等。根据国、内外的研究成果，前弧和底板部位不开孔而加大后弧的开孔率，对增强堤身的抗滑移稳定性有利，但应注意满足构件的局部强度要求。
　　1.2沉入式大圆筒防波堤
　　在某港防波堤方案设计中，沉入式大圆筒结构的防波堤与传统型式的抛石斜坡堤、沉箱或方块结构的直立堤相比，材料更省，造价更低。根据设计资料，同等条件的斜坡堤造价约7.54万元/m，而沉入式大圆筒结构防波堤的造价仅为5.94万元/m，可节省投资约21%，该结构型式的优点比较明显。
　　目前，针对该结构型式防波堤工作机理的研究较少，尚无成熟的计算理论和方法，所以在实际应用中模型试验成为结构设计的重要辅助手段。根据某港沉入式大圆筒防波堤的模型试验，每个组次相当于原体波浪积累作用3h后，大圆筒整体基本稳定；在设计波浪和极限波高积累作用下，只有相当于原体3-4cm的微小滑移，且没有继续发展的趋势；当顶部透空盖板缝隙与入射波浪方向相同时，盖板有一端翘起的现象，影响堤身的整体稳定，当透空盖板缝隙与入射波浪方浪向垂直时，堤身基本稳定；大圆筒临海侧200-300kg规格的块石护底基本稳定。鉴于沉入式大圆筒结构在极限波高作用下仍能维持稳定，进一步尝试将大圆筒后方的淤泥全部挖除，以最不利状况进行试验，结果显示筒体位移仅相当于原体的0.1m，且位移无发展趋势，大圆筒仍可维持稳定，说明大圆筒结构有较大的安全储备。
　　1.3允许适量滑移的沉箱防波堤
　　重力式沉箱防波堤具有稳定性好、节省材料、适用于深水等特点，沉箱式结构还可以进一步开发成多种特殊功能的新型防波堤结构，如具有环境保护功能的海水交换防波堤、具有消浪功能的开孔防波堤、具有发电功能的波能转换防波堤等。但是，沉箱式防波堤也易于遭受破碎波的冲击作用，除产生巨大的波浪力外，还会引起防波堤的振动。沉箱式防波堤的基本运动形式包括:振动、滑移和提离摇摆，沉箱式防波堤的祸合运动形式包括:振动一滑移祸合运动、振动一提离摇摆祸合运动和振动一滑移一提离摇摆祸合运动等。根据沉箱断而形式和作用力情况，沉箱运动会以基本运动或祸合运动的形式发生，其中，振动一滑移一提离摇摆祸合运动是更为广泛存在的运动形式。
　　日本研究人员首次提出在近岸破碎波作用下，允许沉箱式防波堤出现滑移运动的设计概念，其关键是将滑移位移量控制在允许的范围内。长期实践证明，近岸破碎波的冲击作用是连续出现的，由于沉箱的滑移是不可逆的，滑移位移量也将连续累积，控制沉箱的滑移量有很大难度。因此，允许沉箱出现滑移运动的设计概念还有待进一步深入探讨。
　　1.4梳式沉箱防波堤
　　新型梳式沉箱防波堤已在大连港大窑湾港区导堤工程中应用，该结构的水力学受力特性良好，具有降低波浪反射率、减少结构所受波浪力(包括减小或避免波浪冲击作用)的功能，设计、施工和维护均比较方便，结构造价较低，具有良好的经济指标。传统的直立式防波堤(包括混合堤的上部结构)均采用实体结构，作用于堤身的波浪被全部反射，在堤前水深较浅且波浪较大的情况下，波浪破碎后可能使堤身遭受强烈的冲击，而梳式沉箱防波堤呈锯齿状，水而以下留有空隙，既有利于港内、外的水体交换，又可减小波浪反射及堤身所受的波浪力。
　　2 浮式防波堤
　　浮式防波堤在水运工程、水产养殖业等方而具有良好的应用前景。与固定式防波堤相比，具有重量轻、结构简单、造价低、移动性强、机动灵活、可重复使用、不受水深和地质条件限制、不影响海域水流泥沙运动等优点。目前，浮式防波堤的结构型式和种类繁多，各种类型的结构其消波机理有所差异。
　　浮式防波堤主要的消波作用表现为：1）波能反射，利用堤前部分反射能量进行消波，防波堤的相对入水深度(D/d)是影响透射系数的重要参数；2）波列间干涉，由于传递的波浪频率与结构本身运动形成的次生波浪频率不同，2种波列间的波动相互牵制、相互消减；3）紊动作用，水体与结构相互作用形成的碰撞、绕流和摩擦，破坏了原来波浪质点的规律性运动，波动转变为杂乱的紊动而达到消能目的；4）波浪力使结构物产生位移或变形会消耗动能，其中一部分是不可逆转的能量消耗。
　　3 宽肩台斜坡式防波堤
　　宽肩台式防波堤是在波浪长期作用下最终形成动力平衡断而的斜坡式防波堤。宽肩台斜坡式防波堤1983年在冰岛首次付诸实践，至1998年冰岛全国已相继建成20余座同类型的防波堤。在第26届国际海岸工程会议上，宽肩台斜坡式防波堤引起了港口工程界的关注。上世纪末建成的大连港北良公司粮食码头防波堤工程是我国首座采用宽肩台斜坡式结构的防波堤，此后我国香港特区也建成了一座以宽肩台斜坡式防波堤为掩护的台风避风港。
　　宽肩台斜坡式防波堤不需混凝土人工块体护面，大量节省混凝土方量，工程造价大大降低，同时还可以充分利用当地丰富的石料资源。不同水位条件下宽肩台抛石斜坡式防波堤的稳定性试验结果表明，其断而稳定性较好；在相同设计水位与波浪条件下，只要护而块石的重量与级配不变，不同的防波堤初始断而最终的动力平衡断而基本一致；动力平衡断而基本呈反S形，堤身结构上部和下部略呈弯曲状态，中间部位则比较平缓。
　　4 结语
　　1）在目前的防波堤设计标准中，防波堤出现滑移意味着整体结构的破坏，是不被允许的。而实际情况是，在破碎波的冲击下防波堤出现较小的滑移并不影响其使用功能。因此，在防波堤设计中可考虑有一定的允许滑移量，这对减小防波堤所受的水平滑动力和倾覆力矩具有积极作用，不仅能够满足结构的整体稳定性，还可以降低防波堤的建造费用。当然，对防波堤可能出现的滑移量要进行准确估算，并加以合理控制。
　　2）关于半圆形防波堤、沉入式大圆筒防波堤、新型沉箱式防波堤、浮式防波堤和宽肩台斜坡式防波堤的结构特点、断而稳定性及消波特性等方而的内容，在本文中只能作理论性的简单描述，具体选用时应结合实际工程情况，参照相关防波堤设计规范，因地制宜地选择适合的防波堤结构型式。
　　参考文献
　　[1]谢世楞.半圆形防波堤的设计和研究进展[J]，中国工程科学，2000,2(11): 35-39.
　　[2]刘明，张宁川.半圆形防波堤抗滑移稳定浅析[J]，中国海洋平台，2004,19(3): 34-37.
　　[3]俞幸修，张宁川，饶永红.半圆形防波堤的水力特性研究[J]，海洋工程,1999,17(4):39-47.
　　[4]王美茹.深水防波堤设计方法初探[J]，港工技术，2010,47(3):1-7.