防波堤的设计问题

1、浮式防波堤设计应考虑的问题引言：以下讲述的海洋波浪的知识对于“浮式防波堤”的设计具有重大意义。考虑到文中专业性较强，故对于大多数设计者而言，我只做尽量通俗的讲解，不做推导。 1. 浮式防波堤的建造必须考虑存在的巨大风险在海洋工程中，防波堤在海港的各类水工建筑物中有其特殊地位。它们直接承受巨大的波浪力的作用，大多位于水深浪大之处。相比之下难以建造，造价偏高，占港口工程总投资的很大部分。浮式防波堤的设计与建造存在的风险巨大的原因是：1.1 设计标准如何选择？防波堤是用来保护港内船舶及其它海洋工程的，首先要保护自己。设计波高如何选择，是个大问题。选小了，如按“常规”的风浪气象条件，设定设计波高，例如

2、，取波高H1/3=7.5m（或8m），对应为8.3级大风（对应海面风速22.0m/s），这正是许多船舶应当回港避风的风级。这种设定显然是不够的。如果按罗源县（1983-2003年）实测统计的最大强台风风速为40m/s（1966年9月3日），对应为13级风力，此时在深海里产生的波高（H1/3）约为18m左右，在浅海一定范围有可能更大（下文说明）。从近几年台湾海峡的风级发展趋势看，恶劣气候是越来越频繁，风力越来越大。今年的“苏迪罗”台风，在福州市内已达到13级，海面至少为14级，浪高可达到20m以上。这种风级对于水深为30m左右的浅海而言，大风伴随大浪，再加暴潮，具有很大的破坏性。对于这样的“异常

3、”天气（从现在来看，这样的天气已非“异常”，有可能成为“常态”），采用浮式防波堤是否可行，就必须认真考虑。1.2 如何选址？在海洋中，尤其是超过12级的特大风暴来临时，即使在同一海域，由于各类波浪的相互干扰，完全有可能在局部地方浪高出奇的大，如果在此设置防波堤，必然会遭遇“灭顶之灾”。1.3 浮式防波堤存在先天性的缺陷浮式防波堤是“受约束的运动浮体”，与固定式防波堤不同的是，存在先天性缺陷。表现为：如果“浮涵”排水量不够大（相对于设计波而言），则对波浪过于敏感，就像一叶小舟，随波逐流，不能起到“消波”的作用；但如果排水量比较大，则在特大风暴条件下，“浮涵”波动产生的惯性力（包括附连水质量）很大

4、，很容易造成锚泊及连接件，甚至“浮涵”主体的损坏，将会引起巨大的灾难。在浪高H1/3特别大（例如达到20m以上），且波长处于“不利”范围，例如L（船长），将会对船体结构本身及“浮涵”的连接装置造成严重的破坏。以现在所选的“浮涵”（趸船）为例，长100m，宽16m，型深4.3m，假定吃水为3m，则其在海水中的排水量约为1.025Í100Í16Í3=4920吨，又假设波浪的周期是9秒（常见），试想如果某特大台风持续5个小时，一个近5000吨的物体，在9秒的时间内从波峰运动到波谷，然后再从波谷又运动到波峰。反复运动5小時（2000次），不仅船体结构本身很难承受（尤其对于

5、承受拉应力能力较弱的水泥结构），而且堤头链及两“浮涵”之间的连接装置，及作为系泊的钢索或钢链也不能承受。在这些环节中，任何一处破坏都必将产生灾难性的后果。朱元康的“防波堤”在不太大的风浪时会不起作用，在较大的风浪时会失败；而我们的“防波堤”，只是抗风等级高一些而已，与此并没有本质的区别，很可能会重蹈覆辙。以上说明，在选择基本方案前一定要把当地的海浪情况弄清楚，准确的资料要在手里，且不可盲目行事。否则，一旦建好，有可能平时平安无事，一个特大台风就会全军覆没。这对于重要的海洋工程是非常重要的。1.4 “浮式防波堤”课题是当今的世界性难题应当指出：“浮动式海洋建筑物在波浪中运动的估算”（注意：只是“

6、估算”）的课题，到现在为止，仍然是世界难题，不仅没有完全攻克，而且离准确计算还有很大距离。浮动式海洋建筑的特点，一般大都在海洋的某个特定位置上系泊，它很容易受到波浪、风（其中含有大量的水气）、流等环境外力的袭击。准确地把握海洋建筑物在波浪中的摇荡，无论是为满足使用目的的性能设计（例如对“客船”而言的耐波性设计），还是为确保工程本身安全的结构强度设计（例如对我们的浮式防波堤），都是极为重要的。特别是作为浮动式海洋结构物“浮式防波堤”，在异常海况下，不能像船舶那样容易躲开风、浪的袭击。 （1）“浮式防波堤”问题的困难首先在于外力的确定，包括风、浪、流等。正由于这些外在环境因素带有随机的特征，因而必

7、须掌握所选海区的统计资料，尤其是极端异常天气的资料。同时，海底的地形、地质、周围小岛的地形地质情况也要掌握。这些原始资料的准确性对确定项目的“可行”或“不可行”，具有决定性的意义。（2）其次的困难在于目前理论研究的水平。就理论而言，目前尚处于“百家争鸣”阶段，不同学者采用不同的方法。各有不同的结果，尚不能分出高下。其原因仍然在于问题本身的复杂性；从试验范围而言，整个浮体在浅海区波浪中的试验，目前尚无完整的实例。目前考虑浅水影响的浮体在波浪上运动的估算方法，还处在发展阶段（也像“摸着石头过河”），因此我们提出的这个试验项目，很可能不仅在国内而且在世界上是第一实例。正因为本课题处于世界科学发展的前

8、沿，所以才带有更大的风险性。这也是“浮式防波堤”在港湾设计中应用很少的原因之一。但是也带有极大的挑战性。如果成功，将是对人类“海洋工程”科学的重大贡献。因此，即使“浮式防波堤”本身符合消波的原理，在技术上“可行”，但完全有可能在特定气候和特定的海域条件下变为“不可行”。因此，我殷切希望许总能用辩证的观点对待这一事物，不骄不躁，认真进行科学、理性的分析，才能防止灾难性的后果发生。2. 关于海洋波浪的基本知识下面我非常概括而且尽量通俗地介绍几点与本课题有关的海洋波浪的常识，供大家参考。 2.1 水波的“色散效应”。在实际海面上，由于风的存在，永远存在波浪，真正的“平静如镜”是没有的。由于水波是重力

9、产生的，故又称为重力波。水波有一个重要特性是“色散效应”(借用光学的“色散”一词)。当风暴在海面某处发生时，产生的波动可视为是含有各种波高（H）、各种周期（T）、不同方向、各种波长()的波组成，并以不同的速度(c)传播，H、T、c及方向角等，称为波浪的“要素”。每一种波均可视为组成波浪的一个成分波(一般用正弦或余弦曲线表示，又称为“规则波”)。因此，我们所见到的实际波浪可视为是各种成分波的组合。由于色散作用，凡是波高较大、波长较长，即含有能量较大的成分波，将以较快的速度向远方传播，而短周期的波会很快消失。对波高H远小于波长，如H/等于或小于1/50，则称为微幅波或微波，可以用线性理论很精确地预

10、测波浪的动力特性。涌浪是最经常观察到的波。所谓“无风三尺浪”实指涌浪，它实际是远方传到无风区的长波。线性波的波面高度、周期可表示为下式： cos(kxt) T=2 式中：H为波高，k称为波数（在2米的长度上波的个数），kxt 称为波的相位角或相位。f 频率 1s， 圆频率，2f 波长（或以Lo表示）可写为下式： T 波浪周期（s）对线性波而言，波的传播速度称为相速度，以c表示： c其中，h水深。对波浪而言，“水深”的大小是个相对概念（这一点与人们的习惯不同）。在工程应用上，“深水”的定义是h/1/2，即水深h若大于半波长/2，对这个波而言，h就是“深水”。本浮式防波堤处的水深若为30-50m，

11、则对于波长大于60-100m的波而言，这个水深就是浅水。而这种波浪在海洋中是很常见的，如果处于台风季节，更为常见。这就是说，本项目只要设计浮式防波堤都必须考虑浅水的影响。2.2 台风波浪的估算一个强台风的孕育、形成、移动、发展、登陆，有一个长的过程，会产生各种大小、方向、周期的海浪。传到防波堤海域，是随机的，而且是非常复杂的，对其巨大的破坏性后果的预测要有科学的分析，在重大问题上，一定要慎重行事。福建沿海是一个台风多发区域，台风是一种大规模的强热带低压气旋。当台风发育成熟时，近中心的最大风速可达40m/s以上，有时高达100m/s，在海面上可能掀起20多米高的巨大波浪，而这样大的波浪通常可以传

12、播至很远的距离。历史上由于台风巨浪的作用导致船舶倾覆、港口建筑及其他海洋工程设施遭到破坏的事例是数不胜举的。台风场的要素目前主要通过天气图中台风气压场的分布进行计算。在海洋工程设计中，人们所关心的最大波浪出现的问题，因而要计算“最大风速”，台风的风速分布一般模式如下图所示：台风中心，其半径10公里左右范围称为台风眼，其内几乎无风，一般距台风中心约40公里范围内称为台风区域。风速与距中心半径r成正比增加；半径约500公里范围称为外域，风速与1/r0.5成比例减小。故台风的最大风速在距离中心40-50公里的内外域交界处。12级台风是较常出现的，有以下实例：台风中心位于北纬35°，P101

13、3.3-935.178.2（百帕），R36海里，UF26节，应用上述图表与公式可以求得深水的有效波高H1/318.07m，周期T1/316.8秒。这个台风若发生在福建沿海将会产生很大的破坏力。2.3浅水区波浪的重要特点2.3.1 关于浅水影响引起的波浪变形：当海浪从海面涌向海岸时，受海底的地形的影响，波浪将会产生浅水变形、反射、折射、碎浪等现象，波高、波长、波速也因此发生变化。当波浪与到岛屿或防波堤（包括固定式与浮动式）时，波浪会发生衍射。对海洋工程来说，这都是经常遇到的问题。（1）波浪的折射：由于浅水影响，波浪行进的方向会发生变化，称为波的折射。远方的波从波源地行进到靠近陆地的浅水区，由于发

14、生折射，所以会变化为接近于与岸线垂直的方向登陆。（2）波浪的反射：当波浪冲击如防波堤、护岸这样的垂直无孔、平滑的、刚性的障碍物时，在假定流体是无粉碎性的理想条件下，所有入射的波都能被反射，这与光线被镜面反射的现象类似。（3）波浪的衍射：波浪进入障碍物的背面静水区域称为衍射（或绕射），静水区域称为荫区，入射波越过障碍物时，好像从障碍物的端部辐射，产生了新的波源。2.3.2 水质点的运动轨迹：在深水中波浪水质点的运动轨迹在垂直水面的运动方向上是圆形，称为“轨圆”，其直径随水深成指数函数减小。而在浅水中则是椭圆形，其长轴是常数，而短轴随水质点距水面距离的增大而减小。因而，波浪所包含的能量，其90%存

15、在在距波浪表面以下2-2.5倍的表层中。这也是浅水波浪的波高会比深水更高的理由。2.3.3 不同水深，波浪呈现出不同的特点（1）中间深度的水深的波若h00/2（在深水中）的波高是H0，波长为0，波速为c0，则对某一属于中间深度的水深的波/2h/20而言，则会出现浅水波高H1H0、10、 c1c0，即波高、波长及波速均变小；（2）浅水波在h2/20的浅水（又称为极浅水）中，则出现20（波长变短），c2c1c0(波速变小)，但波高H2H0 ，即波高反而比深水区还要大的反常现象。已有学者（Wiegel）给出了KS计算表，从此表中可以看出，当h/T20.762 m/s2时，KS=1；当0.762 m/

16、s2h/T20.1 m/ s2 ,Ks小于1.0，即波高变小;若水深继续变小，h/T20.1 m/ s2,Ks将变大，即H变大。这就是为什么在浅水区的船舶或近岸结构（如浮式防波堤、栈桥等）有时危险性更大的原因。 这些特点用下图可以简单表示： 附 图：不同水深条件下的波浪特性 （a）深水波h/ 2； （b）中间深度水波/ 2h/ 20； （c）浅水波h/ 20。由于浅水的影响，浅水波高H与深水波高H0之比可由下式表示H/H0=KR × KS×KFP其中：KR、KS、KFP分别为折射、浅水和摩擦衰减系数：其浅水效应系数可表示如下：Ks式中c。与c分别为初始与变化后的波速，n。，

17、n为初始与变化后的传递系数，由线性理论可得： c= c0*th(kh)因此，可以用线性理论计算浅水中波高的变化。2.4 波浪的波碎：波浪行进在浅水中会发生碎波现象，即波浪的波碎。我们观察到的许多海边“白浪翻”，就是不同波长波的破碎。产生这种现象的原因可以根据波浪的线性理论推出：波浪中水质点的表面速度实际上随水深的减少而增加，而波浪的相速度则随着水深的减少而减小。当波浪表面水质点的最大水平分速度umax等于相速度c时，这种情况称为波的“破碎”。波浪再向海岸进一步传播时，umax会超过相速度c，波浪出现倒卷，整个波浪破碎。波浪的能量消失于紊流及水质点与水底的摩擦中。将umax=c时的水深，定义为破

18、碎临界水深hb。岸边的工程设置块石与碎石“护岸”，就是让波浪破碎，其能量被碎石所消耗，以保护工程。2.5 波浪中包含很大的能量，具有很大的破坏力。波浪中包含的能量用线性理论可按下式估算：总能量E=EP+Eh= 波浪能沿其传播方向传递能量的功率可表为下式p=gH2cgb/8式中：cg称为波群速，可用下式表示： cg=c/2(1+)n.c其中：n=1/21+称为传递系数相速与群速的关系为：cg=c/2 （在深水中 h/2）在极浅水中（h/20）cg=c (浅水)2.6 关于不规则波：实际的海洋波浪是不规则的，称为不规则波，本身是非线性的，但可以近似视为由很多不同波高、不同周期并各沿特定方向传播的线

19、性波的组合。因此，用能量转换的观点也可以近似求解海洋工程所受的波浪力。（以下针对于“浮动岛”项目）3. 设计波波高H的选择 在设计海洋工程时，一般总要考虑两种状态：即生存条件（Surviral candition）与工作条件（Operating condition）。生存条件是指保证海洋工程安全的、又具有现实概率的最苛刻的外力条件，一般是根据波浪的统计资料取100年一遇的最危险海况，继而利用“设计波”（Design Wave）或“设计谱（Design spectrum）的方法来处理，求出海洋工程在这种大波浪中的响应。本浮动岛采用海洋“自升式平台”在“生存条件”下的最大设计波作为最大波高的取值，

20、采用“设计波法”（确定性方法）进行计算。所谓“设计波法”，是采用100年一遇的最大波高。采用设计波法的优点在于设计计算简单，便于采用高阶波理论，容易考虑非线性影响，容易考虑潮流影响；其缺点是有时给出过于苛刻的设计条件，而这一点对本防波堤设计而言将其视为安全储备。在设计海洋工程时，对于一个新的海域，一般没有实际资料，通常用二种方式决定设计波，其一是采用“全系统法”预报外力及响应；其二是先选用设计波，然后再用确定法设计，本设计的项目本身属首创，而且所定海域没有翔实的统计资料与型船经验，因而采用第二种方法。采用设计波法确定设计波需要采用“逐次反复计算”,一般称之为“迭代”的方法。在本项目的初步设计时

21、，应先根据已有的海洋资料，再采用规范方法初选设计波参数，今后再经过船模试验及深入的计算，逐步修正最初的选择，直到完善。波浪对海洋工程影响最大的是三个参数，即波高H、波长与波向，其中波高的影响大致呈成比例，即波高越大，对海洋工程的作用越大，即使不完全成正例，至少也是成正变的，故首先应决定设计波波高。然后在结构设计过程中（例如确定舯部纵向弯矩），逐步修正设计波高；而且这个设计波（参数）往往不是唯一的（例如：动态比静态的计算结果有时会大2-3倍），而是根据不同的条件逐个选择各种成份的设计波。4. 按“平台规范”确定设计波波高最大值Hmax按“平台规范”2.3.2.1，设计波高Hd应取最大波高可能值(

22、Hmax)与破碎临界波高Hb中的较小值。规范2.3.2.1给出了图表，用以求出相对于此种水深的破碎临界水深hb。（2）H1/3的推算：根据中华人民共和国交通部颁布的港口工程技术规范（1987）（以下简称“港规”）第三篇第三章（详见该书P.317页），提供的方法可以求出在浅水（实际上属于“中等程度浅水”）中的波浪要素。假设：水深h20m，针对于深水波长0200m的波有： h0202000.1根据该书“各种累计频率波高间的换算”第3.2.2条，对于深水波，常见的1/p大波的波高与平均波高的关系如下： H01/1002.66 =5 m由此得出深水的平均波高 H01/1002.6652.661.88

23、m H01/3=1.60=1.6*1.88=3.0m如取H01/100=8m，则H01/3=85×34.8m5.0m以下按H1/3=5.0m作为设计波高（深水）其它波浪要素按该书附录10：“浅水波高、波速和波长与相对水深关系表”中根据h0/0=0.1，h=20m，查出：h/=0.1410 浅水波长 =20/0.1410=141.8mc/c0=/0=0.7093H/H0=0.9327 浅水波高 H1/3=0.9327×H0=0.9327×5=4.66 m5. 波浪的周期:按“平台规范”2.3.3.1，其相应的波浪周期T在下列范围内（0.65Hd）1/2T18s式中：

24、Hd设计波波高，本例取为Hd=H1/3=4.66 m（0.65Hd）1/2=（0.65* 4.66）1/2=1.74 s 即： 1.74s T 18s在结构设计时，应对结构应力进行估算，规范要求在上述范围内选取若干T值进行计算，最终使平台结构产生最大应力的周期为设计波周期Td。按波浪的线性理论，深水的定义是h/1/2,对于200m波长的深水波,可以近似求出波浪的周期T与深水波速c0如下:T= 此值在按“平台规范”2.3.3.1式的范围内。波速（相速度）c0gT29.81×11.3/（2×3.1416）17.6 m/s一般近似认为周期T不随时间t及水深h而变化,这在长距离传播

25、中是与实际不符的，但在初步的近似估算中，仍可采用此结论。由此得浅水波速 c=0.7093×17.6m/s=12.5m/s在初步论证时，本文采用波浪的线性理论的计算结果。6. 关于破碎波高与破碎水深参见“港规”第5.2.2条，对于深水波长0=200m的波，“浮动岛”当地距岸为3000m，由此得出水底坡度为20/3000=1/150(在1/50之下)。由“港规” 图5.2.2，在hb/0=20/200=0.1处求出Hb/hb=0.68可以得到Hb0.68×20=13.6m，此波高即该水深的极限波高，对某一累积频率的破碎波高HF(对本例为H1/3)小于Hb时,波浪不破碎。根据此计

26、算可知,对深水0=200m,行进到水深h=20的浅水中, 因H01/3=4.8m13.6m的波浪不会发生破碎现象。 7. 波浪理论与波峰高度（1）按“平台规范”2.3.4.1，波浪的波形取决于所采用的波浪理论，规范推荐，按“平台规范”图2.3.4.1决定。对于本例，假定取H=Hb=5m，T=11.3s，可计算以下参数：无因次波陡： H/gT2=5/(9.81*162)=0.002无因次相对水深 h/gT2=20/(9.81*162)=0.008由此二值，在“平台规范”图2.3.4.1查出本例应属“中等水深波浪”，应选择的理论为“流函数理论”，实际计算多用Stocks五阶波。（2）在静水面之上的

27、波峰高度o根据“平台规范”图2.3.4.2，纵横坐标的参数是：h/ T2=0.078， H/ T2=0.02由此得到在20m的浅水中，波峰高度o=3.875m。8 波浪对浮动岛作用力的估算波浪对大尺度物体的作用力是非线性问题，计算起来比较复杂，在尚无条件进行详细计算的初步设计阶段，可以近似将“浮动岛”视为固定于海上的直墙式海工结构物。假设本浮动岛的固结方式十分牢固，是理想的刚性状态，在波浪作用下不发生位移，也忽略波浪的绕射作用。下面采用“港规”第三篇第七章的方法，粗略估算波浪作用力。 图8 波浪作用于建筑物上的力直墙式建筑前的波浪形态有3种：称为“立波”，即未破碎的波；远堤破碎波，指在墙前半波

28、长及稍远处已发生的波，简称为远破波；近堤破碎波，指在墙面较近处发生破碎的波，简称近破波。以下计算时取20m浅水中的设计波高为H1/3=4.48m，对应于远处深水的H01/100=8m，因而计算是偏于安全的。由于假定H1/3=4.48m，则水深20m时h>2H=8.96m，此时的波没有破碎，即为立波。波高H与波长之比H/4.48/141.80.0331/300.0333，且h/=0.1410在0.10.2范围内，可以近似适用“港规”第7.1.2条，按下列各式计算。在波峰作用时，（参见图8 ）波浪中心线在静水面之上的“超高”hs(m)为： 式中：coth（x）表示双曲余切，定义是： 其中：e

29、自然对数的底。e2.718本例 x2h2×3.1016×20141.80.886由此：hs3.1416×4.562/141.8×1.4090.679 m静水面之上高度hs+H/2处的波浪压力强度为零。水底处波浪压力强度Pd（kN/m2）为： 静水面处波浪的压力强度 ps（kN/m2）为： 船底处的压强pb可由压力三角形求出： 式中：d吃水，本例取d10m 船舷平均压强 p1/2×21.7410.87 在“浮动岛”船舷对每一个单位面积的波浪压力进行积分，可以得出总的波浪压力Pp×cos×Rd×（d+hs+H/2）=p

30、*R（d+hs+H/2） cos×d2*p*R*（d+hs+H/2）54602 kN5566 t9 海流设计流速与海流载荷 (1) 设计流速的选择按“平台规范”2.4.1.1，设计流速应取在平台作业范围内的最大流速值，包括潮流流速，风暴闸流流速及风成流流速。还应考虑作业海区的海流垂向速度。在波浪存在时，应对波浪流速的垂向分布进行修正，以使瞬时波面处的流速保持不变。当zh0时，VVtVsVw（h0z）h0 m/s z>h0时，VVtVs m/s 式中：V 设计海流速度； m/s Vt 潮流速度，本例Vt0.6 m/s （平均值加20）Vs 风暴涌流速度 m/s Vw 风成流流速

31、m/s h0 风成流的参考水深 mz 水质点在水面以下的垂直距离 mh 静水水深，本例h20 m。注：因未找到本例所在海区的具体资料，现近似将风暴涌的流速Vs与风成流流速Vw二项合并，称为风海流Vu，采用港规附录13“近岸海区内风海流估算方法”计算。有： Vu=K*U式中： Vu风海流速度，m/s K系数，一般取0.03； U风速，本例取120kn=61.7m/sVu=K*U0.03*61.7=1.85 ms由此得出设计海流流速 VVtVsVw0.6+1.852.45 sm（2） 海流载荷按平台规范2.4.2.1，当只考虑海流载荷时，作用于平台水下部分的构件的海流载荷，按下式计算：Ff21/2×CD×w×V2×A kN式中： CD 阻力系数，本例取CD0.5w 海水密度，本例取1.025 t /m3A 构件的正投影面积，取AD10×d=3860 m2其中：D10 “浮动岛”外园直径， D10386m；d “浮动岛”设计吃水，d10m由此计算，Ff21/2