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文档简介
沉箱防波堤的设计与应用
20世纪以来,随着世界经济的快速发展,传统能源的石化燃料消耗不断。传统的能源供应模式面临危机。寻找和开发高质量的新能源是人类社会实现可持续发展的唯一途径。作为可再生能源的波浪能逐渐成为备受关注的研究探索对象,OWC(OscillatingWaterColumn)波能装置又是目前公认最有前途、投入研究力量最大、建成使用最多的1种装置。该类型装置通过气室将波浪能转换为空气流的能量,再通过空气透平将气流能量转换为电机转轴的轴功,最后通过发电机将轴功转换为电能。OWC波能装置之所以能够受到广泛的重视,是因为该类型装置波能转换率较高,对地形得依赖性较小,此外,波能以气室内的空气作为媒介传递,透平发电机组不与海水接触,减少了波浪的破坏性,避免了海水腐蚀和机组密封等问题,使装置的可靠性增加,从而提高了在海洋环境下的生存能力。沉箱防波堤是1种具有稳定性好、工程造价低、施工速度快、适用于大水深特点的结构形式。随着研究的深入,沉箱式结构开发成各种功能的新型防波堤型式,如具有消波功能的开孔沉箱式防波堤,具有环境保护功能的海水交换型防波堤,供游客观光的亲水性防波堤等。沉箱防波堤与岸式OWC波能装置显然具有交叉关联的可行性,因为二者均设在水深不超过20m的海域;二者均需要承受波浪力,吸收转化能量;二者断面尺度相似,且沉箱防波堤可设计建造成与OWC装置相似的气室结构。基于以上分析,本文设计提出了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置。1设备的设计要求本研究属于探索性研究,并非为某一海域的工程实例,因此设计沉箱防波堤的设计条件为:1.1设计水位极端高水位:3.16m;设计高水位:1.58m;设计低水位:-1.58m;极端低水位:-3.16m。1.2设计波浪正向浪,重现期为50a‚H1%=3.0m‚T¯¯¯=8.0s50a‚Η1%=3.0m‚Τ¯=8.0s。1.3地质粗砂的物理学指标标准值为:γ′=9.0kN/m3;φ=33(°);c=0。1.4沉箱内填积砂粒钢筋混凝土沉箱:γ=25.0kN/m3,γ′=15.0kN/m3;沉箱内填积砂石:γ=18.0kN/m3,γ′=9.0kN/m3,φ=30(°);沉箱内填10~100kg块石:γ=18.0kN/m3,γ′=11.0kN/m3;基床块石:γ′=11.0kN/m3。1.5结构安全结构安全等级为二级。1.6顶高程设计模型根据《防波堤设计与施工规范》的要求,对基本不允许越浪的直立堤,堤顶宜定在设计高水位以上1.0~1.25倍设计波高值处,即:顶高程=3.16+3×(1.0~1.25)=6.16~6.91(m).在本研究中沉箱防波堤堤顶高程取6.5m。沉箱防波堤采用明基床结构,水底高程为-12m,基床高2.5m,因此基床顶部高程为-9.5m。2装置结构设计为满足OWC装置的发电要求,拟将沉箱前排中间隔舱设置为捕能气室,同时为增大气室体积,沉箱以上不设置胸墙。根据《重力式码头设计与施工规范》与《防波堤设计与施工规范》等相关规范,对沉箱防波堤进行设计,但考虑到气室占据沉箱大部分体积,可能降低装置的稳定性,因此沉箱壁厚、底板厚度及隔墙厚度的设计值均略大于标准值。装置结构设计如图1(图中高程单位为m,断面尺寸单位mm)。图1中,①隔舱做为气室,②隔舱填积砂石和块石,③为输气管,④为预制梁,其作用为加固沉箱气室,其断面如图4所示。3稳定性验证试验本文仅给出极端高水位下装置的稳定性计算,如在此极值海况下符合稳定性要求,则可表明本装置的稳定性符合要求。另外本设计为增大气室体积,沉箱防波堤并未设置胸墙,因此只考虑持久状况下的稳定性验算即可。3.1极水位下的波浪浮托力计算公式为对于大开孔沉箱防波堤并没有明确的公式计算,本文分别按照《海港水文规范》的波浪对直墙式建筑物的作用和《防波堤设计与施工规范》的开孔消浪沉箱波压力的计算。3.1.1根据《海港水文规范》的波浪对直墙式建筑物的作用计算当H/L≥1/30和d/L=0.139~0.2时直墙式建筑物上的立波作用力可按下列公式计算:水底处波浪压力强度按下式计算:pd=γHcosh(kd)(1)pd=γΗcosh(kd)(1)静水面处波浪压力强度按下式计算:ps=(pd+γd)(H+hsd+H+hs)(2)ps=(pd+γd)(Η+hsd+Η+hs)(2)其中超高hs=πH2Lcth(kd)‚k=2πLhs=πΗ2Lcth(kd)‚k=2πL墙底处波浪压力强度按下式计算:pb=ps−(ps−pd)d1d(3)pb=ps-(ps-pd)d1d(3)单位长度墙身上的总波浪力按下式计算:P=(H+hs+ds)(pb+γd1)−γd122(4)Ρ=(Η+hs+ds)(pb+γd1)-γd122(4)墙底面上的波浪浮托力按下式计算:Pu=bpb2(5)Ρu=bpb2(5)极端水位下波峰作用下的波浪力标准值P,波浪浮托力标准值Pu、及其对后踵力矩Mp、Mu计算,结果见下表1。3.1.2根据《防波堤设计与施工规范》的开孔消浪沉箱波压力计算对直墙式建筑物的作用计算规范附录中给出了南京水利科学研究院的实验公式,即消浪室相对宽度bc/L≤0.17和d/H≥2.0时,静水面处波压强度标准值按下式计算:ps=γH[0.858−4.508(bcL)+12.64(bcL)2](6)ps=γΗ[0.858-4.508(bcL)+12.64(bcL)2](6)水底处波压强度标准值按下式计算:pd=γH[0.52−1.19(dL)−0.17(dL)2](7)pd=γΗ[0.52-1.19(dL)-0.17(dL)2](7)沉箱底面上的波浪浮托力标准值按下式计算:Pu=Bpd2(8)Ρu=Bpd2(8)计算结果见表2。将计算结果与表1结果数据进行对比可以看出,按照《海港水文规范》的波浪对直墙式建筑物的作用计算结果偏大,而按照《防波堤设计与施工规范》中的开孔消浪沉箱波压力的计算公式进行计算的结果明显偏小。因此,选用《海港水文规范》中波浪对直墙式建筑物作用的计算结果进行抗滑抗倾稳定性验算,以保证计算结果偏安全。3.2规则波浪浮托力验算结构断面沿堤底抗滑稳定性承载能力极限状态设计表达式如下:γoγpP≤[γGG−γuPu]f(9)γoγpΡ≤[γGG-γuΡu]f(9)式中:γo—结构结构重要性系数,取1.0;γp—水平波浪力分项系数;持久组合极端高水位取1.2;P—计算面以上的水平波浪力标准值(kN/m);γG—自重力分项系数,取1.0;G—作用在计算面上的堤身自重力标准值(kN/m);γu—波浪浮托力分项系数:持久组合极端高水位时取1.2;Pu—作用在计算面上的波浪浮托力标准值(kN/m);f—沿计算面上的摩擦系数设计值,取0.6。计算结果见表3。3.3抗滑稳定性验算结构断面沿堤底的抗倾稳定性的承载能力极限状态设计表达式如下:γo(γpMp+γuMu)≤γGMG/γd(10)γo(γpΜp+γuΜu)≤γGΜG/γd(10)式中:Mp—水平波浪力的标准值对计算面后踵或前趾的倾覆力矩(kN·m/m);Mu—波浪浮托力的标准值对计算面后踵或前趾的倾覆力矩(kN·m/m);MG—堤身自重力的标准值对计算面后踵(波峰作用时)或前趾(波谷作用时)的稳定力矩(kN·m/m);γd—结构系数,取1.25;γG,γo,γp,γu各分项系数取值同前。计算结果见表4。计算结果表明其抗滑稳定性满足要求。计算结果表明其抗倾稳定性满足要求。5沉箱防波堤波面波动力为了进一步研究本设计的可行性及装置的稳定性,在海军工程实验中心对设计的沉箱式防波堤进行了不同水位下的断面物理模型试验。物模试验主要是研究装置的稳定性,模型所受波浪力是主要研究对象,因此采用重力相似准则,即原型与模型具有相同的Fr,试验模型比尺采用1∶30,模型材料为有机玻璃(模型见图5),布置在长50m、宽1.2m、深1.2m的水槽中(见图6),造波机安装在水槽的首端,为低惯量直流式电机无反射不规则造波机,模型距离造波机35m。试验采用SG2000型多功能数据采集及处理系统、波高仪、压力传感器等采集数据。其中,在模型迎浪向前1m处布置1个波高仪,在沉箱气室内均匀布置5个波高仪,用于采集波面变化试验数据;在沉箱气室及隔舱的前墙及底板均匀布置20个波压力传感器,用于采集防波堤所受波浪力。模型试验过程中可以直观的看到沉箱气室内水柱上下振荡压缩空气,验证了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的可行性。同时波高仪记录了沉箱气室内外波面的升降情况,图7给出的工作高水位下波高H=1.5m、周期T=8s时气室中心位置与气室前侧1m处波面变化对比,对比发现沉箱气室内波面振荡比较剧烈,并且气室内波面变化与气室外存在一定得相位差。在结构稳定性试验中分别采集了规则波的作用下不同水位沉箱所受波浪力等试验数据。根据每个传感器所记录的点压力时间过程线,分别对每个断面内各点的同步波压进行梯形积分,得到单位堤长各个面所受到的波浪力。这里只给出极端高水位工况下,沉箱防波堤波峰作用力实验测值,总水平波浪力P=235.57kN/m,浮托力Pu=133.4kN/m。将实验测值与计算值对比,见表5。与实验测值对比发现,根据《海港水文规范》的波浪对直墙式建筑物的作用计算结果偏大,而根据《防波堤设计与施工规范》中的开孔消浪沉箱波压力的计算公式进行计算的结果明显偏小。分析原因主要是因为前者是按照不开孔直立式建筑物进行计算,没有考虑到前墙开孔的消浪作用,计算结果大于模型实验数据,符合实际情况;后者的计算结果明显偏小,说明《防波堤设计与施工规范》中的开孔消浪沉箱波压力的计算公式并不适合本设计的大开孔沉箱。现行规范并没有完全适合本装置类型的大开孔沉箱所受波浪力计算公式,本文作者前期曾做过相关研究,现将前期研究成果给出:P=B1ρgHik(1+Kr)+tanhkd(1−Dsinhkd)+(B−B1)ρgHiktanhkd(11)Ρ=B1ρgΗik(1+Κr)+tanhkd(1-Dsinhkd)+(B-B1)ρgΗiktanhkd(11)式中:P—水平波浪力(kN);B—沉箱前壁宽度;B1—开孔宽度;Kr—反射系数;Hi—入射波高;k—波数。其中:D=sinh(d-d1)-sinhk(d-d2),d为墙前水深,d1为开孔上边界水深,d2为开孔下边界水深。通过本公式计算T=8s时波峰作用力P=5418kN,则作用力标准值为270.9kN/m,与实验测值较符合。6实验可行性分析与讨论(1)本文根据沉箱防波堤与岸式振荡水柱波能发电装置的交叉关联特点,在国内首次提出并设计了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置,并进行了物理模型试验。试验中可以直观的看到沉箱防波堤气室内水面的上下波动,验证了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的可行性。(2)本文运用了2种不同条件下的波浪力计算公式,并将计算结果与实验数据进行对比分析,结果显示《防波堤设计与施工规范》中的开孔消浪沉
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