李焱，肖辉，李松喆，高峰

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

李焱1，肖辉1，李松喆2，高峰1

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

通过二维断面物理模型，试验研究了“”型浮箱在规则波作用下的运动量和锚链力与相对宽度、水深、波高、锚链与竖向初始夹角以及锚链拖地长度等影响因素的变化关系。结果表明：波高是影响浮箱运动量和锚链力最敏感的因素，浮箱升沉、横摇和锚链力随波高增大而增大；相对宽度与水深的改变对锚链力的影响较为随机，锚链力并不随着波周期增大而增大，主要原因是波周期越长，浮箱的消浪效果较差的缘故；锚链与竖向初始夹角增大，浮箱横移有所减小，对锚链力而言，30°夹角较为合适；锚链拖地长度加长，横移明显增大，锚链力则有所减小。与矩形浮箱相比，“”型浮箱的横移和升沉要大于等于矩形方箱，横摇则小于矩形浮箱，两者的锚链力相差不大。

“”型浮箱；规则波；运动特性；锚链力；模型试验

浮式防波堤由浮体和锚泊系统组成，利用浮体对波能的反射和耗散进行消波，达到防浪目的。不同结构形式和材料的浮式防波堤的消能方式不同，依据浮体材料的弹性特性可分为刚性和柔性浮防波堤。刚性浮防波堤的消波方式主要是反射，代表型式有浮箱式和浮筒式［1］；柔性浮防波堤的消波方式主要是耗散，代表型式有浮筏式［1］等。近年来又出现了刚性和柔性材料相结合的浮式防波堤，如钢管-轮胎式［2］和板-网式［3］。上述各种类型中，浮箱式防波堤结构设计和安装简单，造价相对低廉，除消浪外，浮体本身还可兼作道路、仓库、锚船或渔码头等，故目前应用相对较多。浮式防波堤作为一种海工建筑物的防护设施，其消浪性能、运动特性和锚泊受力为工程界最为关心，目前对不同类型的浮防波堤的消浪性能研究较多，对于浮体运动特性和锚链受力则相对不足，侯勇［4-5］、董华洋［6］、杨彪［7］、胡嵋［8］等分别研究了单方箱、带开孔圆弧的矩形方箱、浮箱-水平板式、双浮箱-双水平板式以及底浮箱式等结构浮防波堤的水动力特性，探讨了相对宽度等因素对消浪性能、浮体运动特性和锚链受力的影响；汤小霞［9］应用简单格林函数和摄动展开的理论方法在时域内对锚泊系统进行了数值模拟，通过悬链线理论和B样条拟合求得浮筒所受的锚链力，然后求解结构的时域运动方程得到结构物的运动响应和锚泊系统的内部应力；陈徐均［10］对系泊浮体布链方式的优劣进行了理论分析，推导了不同布链方式下锚链系统所提供横摇和首摇恢复力矩的表达式，这些研究成果，对浮式防波堤的锚泊设计及安全保障具有积极意义。

1 物理模型试验概况

1.1 “”型浮箱尺度及锚链

1.2 模型设计与布置

采用重力相似准则，比尺为1：40。浮箱由1 cm厚有机玻璃制作而成，光滑有机玻璃板的糙率为0.007～0.009，则原型糙率为0.013～0.016，与钢筋混凝土糙率相当。模型锚链采用细钢链条，重24.12 g/m，模拟主要考虑长度和弹性相似，其中弹性刚度通过定制弹簧来模拟。

试验在波浪水槽中进行，水槽长68 m、宽1.0 m、深1.5 m，一端配有先进的吸收式造波机，另一端设有消波装置。浮箱布置在水槽中间，前、后各布置2个浪高仪，其中堤后浪高仪距浮箱1倍波长以外，锚链悬挂点为下悬臂上端，迎浪面和背浪面各3根锚链。模型布置见图2。模型波高采用交通运输部天津水运工程科学研究所研制的SG2000型波浪采集系统进行测量；锚链力采用LA1型水下拉力传感器进行测量；运动量采用南京水利科学研究院研制的FL-NH型非接触式运动量测试系统进行测量。

1.3 试验条件及内容

原型入射波高（HI）为1.0 m、2.0 m、3.0 m，波周期（T）为5.0 s、6.0 s、7.0 s、8.0 s，水深（h）为16.0 m、20.0 m和24.0 m。试验采用规则波，探讨了不同相对宽度、水深、波高、锚链与竖向的初始夹角θ（注：θ为浮体静止状态下锚链悬链线轴向方向与竖向的初始夹角θ（图1）、锚链拖地长度St（图2）等因素对“型”浮箱的运动特性和锚泊受力的影响，其中，相对宽度B L的范围为0.22～0.52（注：B=20 m，波长L由规则波理论计算得到），锚链与竖向初始夹角θ为15°、30°、45°，锚链拖地长度St为0 m、8 m、16 m。

图1“”型浮箱断面图（原型值）Fig.1Cross⁃section of“”-type pontoon（prototype）

图2模型布置图Fig.2 Layout of physical modell

2 试验结果分析

2.1 运动特性分析

2D断面试验中，波浪作用下浮箱的运动响应为横移、升沉和横摇，试验采集到的时间过程线如图3所示。从中可知，升沉与横摇过程基本体现了规则波的特性，但横移的波形则与波浪并不对应。

浮箱的上水和越浪与波高和周期关系较大，观察发现，当入射波高为1.0 m时，4种波周期条件下，浮箱基本不上水；波高增大至2.0 m和3.0 m后，波周期为5 s和6 s时，因波陡较大，浮箱前后均上水较重，但当波周期增大至7 s和8 s时，浮箱相对宽度和入射波波陡减小，消浪效果较差，浮箱随波浪上下起伏运动，此时上水明显减小。分析试验数据可知，浮箱顺浪向的横移和横摇通常大于逆浪向的横移和横摇，浮箱上升幅值要大于下降幅值，因此，对浮箱运动量的分析，主要以顺浪向横移、横摇和上升量的最大值为主。

2.1.1相对宽度与水深对运动量的影响

不同波高条件下，浮箱横移与相对宽度的变化关系不尽相同，本次试验两者之间的规律性不好；水深增大，横移有所增加，主要原因是水深增加，悬垂锚链的长度增加，悬垂产生的富裕度有所增加（图4-a）。浮箱升沉随着相对宽度的增大而减小；波高为1 m时，升沉随水深的增大略有增加，但波高为2 m和3 m时，水深的变化对升沉的影响不大（图4-b），说明波高增大后，锚链悬垂富裕度的变化主要表现在横移上。不同波高条件下，浮箱横摇与相对宽度的变化关系不尽相同，但均存在一个大值，即当波浪周期接近浮体横摇固有周期时，横摇值最大；水深对横摇影响不大（图4-c）。

2.1.2 波高和锚链与竖向初始夹角对运动量的影响

从运动量变化的趋势线分析，增大波高，横移增幅较缓，但升沉和横摇明显增大，波高是影响升沉和横摇的主要因素；相同波高条件下，锚链与竖向初始夹角增大，横移减小，主要原因是增大夹角有利于控制浮箱的横向运动；相同波高条件下，3种夹角中，30°夹角的升沉最小，45°夹角的横摇最小（图5）。

图3浮箱运动量时间过程线（模型值）Fig.3Time series of pontoon motions

2.1.3 锚链拖地长度对运动量的影响

从运动量变化趋势线分析，相同波高条件下，锚链拖地长度加长，横移明显增大，但对横摇的影响很小；对于升沉的影响，当拖地长度分别为8 m和16 m时，浮箱的升沉基本相同，拖地长度为0 m时的升沉则略小（图6）。

2.2 锚链受力分析

波浪作用下，浮箱迎浪面的锚链力较大，而背浪面的锚链力较小，这与浮箱的运动特性相一致，以下分析了不同因素对迎浪面锚链力的影响。

2.2.1 相对宽度与水深对锚链力的影响

相对宽度与水深的改变对锚链力的影响较为随机，也说明锚链力并不随着波浪周期的增大而一定增大，主要原因是周期越长，浮箱的消浪效果越差，浮箱随长周期波上下浮动，故其所受的直接波浪力并不随周期的增大而明显增大（图7）。

2.2.2 波高和波陡对锚链力的影响

锚链力对波高的敏感度较高，图8为各种水深和波周期条件下，波高和锚链力的关系图。从图8可知，随着波高的增大，锚链力急剧增大，拟合所有数据点，可以得到锚链力F（kN）与波高H（m）的经验关系式：F=523·H1.256。波陡为波高与波长之比，当波周期不变时，增大波高，也即增大了波陡，锚链力增大，但当波高不变，改变周期，也改变了波陡，锚链力的变化则无规律，说明锚链力对波高的敏感度远大于波周期。

2.2.3 锚链与竖向夹角对锚链力的影响

图4运动量与相对宽度和水深的关系Fig.4Relation of pontoon motions with relative width and water depth

图9为锚链与竖向初始夹角对锚链力的影响关系。不同初始夹角条件下，锚链力均随着波高的增大而增大；同一波高条件下，从趋势线分析，当波高为1 m时，夹角15°时的锚链力最大，夹角30°和45°的锚链力相差很小；当波高为2 m时，夹角45°时的锚链力最大，其次15°，最小为30°；当波高为3 m时，夹角30°时的锚链力最小，夹角15°和45°的锚链力则相差不大。总体而言，3个夹角中，30°夹角较为合适。

图5运动量与波高和锚链与竖向夹角的关系Fig.5Relation of pontoon motions with wave height and mooring angle

图6运动量与锚链拖地长度关系Fig.6Relation of pontoon motions with mooring chain length

图7锚链力与相对宽度和水深的关系Fig.7Relation of mooring forces with relative width and water depth

图8锚链力与波高的关系Fig.8Relation of mooring forces with wave height

图9锚链力与竖向的夹角的关系Fig.9Relation of mooring forces with mooring angle

2.2.4 锚链拖地长度对锚链力的影响

图10为3种锚链拖地长度对锚链力的影响关系。不同锚链拖地长度条件下，锚链力均随着波高的增大而增大；同一波高条件下，从趋势线分析，缩短锚链拖地长度，锚链力有所增大，这是由于锚链的拖地长度减小，锚链对上部浮箱的约束变大，因此迎浪面锚链受力就越大。

图10锚链力与锚链拖地长度的关系Fig.10Relation of mooring forces with mooring chain length

图11矩形浮箱尺度（原型值）Fig.11Scale of rectangle pontoon（prototype）

矩形浮箱宽度为20 m，高4 m，吃水3.0 m，重心高度1.5 m，锚链点位置与“”型相同（图11）。比较试验工况为水深h=20 m；入射波高HI=1.0 m、2.0 m、3.0 m；波周期T=5 s、6 s、7 s、8 s；锚链拖地长度St=0 m；锚链与竖向初始夹角θ=30°。

两种浮箱结构运动量和锚链力的比较情况见图12和图13。不同波高作用下，“”型浮箱的横移和升沉大于或等于矩形，这是因为“”型浮箱受力面积要大于矩形的缘故，但同时由于进入两侧空腔中水体的平衡作用，其横摇则均小于矩形浮箱。不同波高作用下，两种浮箱的锚链力相差不大。

图12“”型与矩形浮箱运动量的比较Fig.12Movements comparison of“”type pontoon and rectangle pontoon

图13“”型与矩形浮箱锚链力的比较Fig.13Mooring forces comparison of“”type pontoon and rectangle pontoon

3 主要结论

（1）波高是影响浮箱运动量的重要因素，运动量随波高增大而增大，其中升沉和横摇增幅明显；浮箱的横移和横摇与相对宽度的变化关系较随机，升沉则随着相对宽度的增大而减小；水深对升沉和横摇影响不大，但横移随着水深的增大略有增加；锚链与竖向初始夹角增大时，浮箱横移有所减小；锚链拖地长度加长，横移明显增大，但对横摇和升沉的影响有限。

（2）波浪作用下，浮箱迎浪面的锚链力明显大于背浪面。各种影响因素中，锚链力对波高的敏感度最高，且规律明显，波高的增大，锚链力急剧增大；相对宽度与水深的改变对锚链力的影响较为随机，锚链力并不随着波浪周期的增大而一定增大，主要原因是周期越长，浮箱的消浪效果较差的缘故；锚链与竖向初始夹角对锚链力的影响较为随机，总体而言，15°、30°和45°三个夹角中，30°夹角较为合适；缩短锚链拖地长度，锚链力有所增大。

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Experimental study on motions and mooring forces of⁃type pontoon floating breakwater

LI Yan1,XIAO Hui1,LI Song⁃zhe1,2,GAO Feng1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2. College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

By 2D physical model test of“”⁃type pontoon under the regular wave action，the relation be⁃tween the motions and mooring forces with relative width，water depth，wave height，angle between mooring axes and vertical at the joint，mooring lie length and so on were studied.The results show that motions and mooring forc⁃es are high sensitive and regular to wave height，the heave and roll of pontoon and mooring forces increase obvious⁃ly with wave height increasing.Influence of relative width and water depth to mooring forces is random.It does not increase with wave period increasing,because wave dissipation of pontoon could reduce when wave period increas⁃ing.With the increasing of mooring angle,pontoon sway could reduce,and 30°is appropriate for mooring force. When the mooring lie length is lengthening,pontoon sway increases obviously and mooring forces reduce.Compar⁃ing with rectangle pontoon,⁃type pontoon sway and heave motions are greater than or equal to the rectangle pon⁃toon,and the mooring forces of two types differ little.

⁃type pontoon;regular wave;motion characteristic;mooring force;physical model test

U 656.2；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0474-07

湘江二级航道二期工程开工

2015-08-06；

2015-10-28

交通运输部应用基础研究项目（2013329224230）

李焱（1972-），男，江西省萍乡人，副研究员，主要从事港口与航道工程研究。

Biography：LI Yan（1972-），male，associate professor.

本刊从湖南省交通运输厅获悉，2015年11月26日，株洲航电枢纽二线船闸及鱼道工程动工，这标志着湘江二级航道二期工程正式开工建设。项目概算总投资31.23亿元，建设总工期51个月。将按照二级航道标准，整治湘江衡阳蒸水河口至株洲航电枢纽154 km航道，在衡阳大源渡航电枢纽和株洲航电枢纽各新建一座2 000 t级标准二线船闸，设计年单向通过能力均为2 450万t。同时，建设跨船闸桥梁两座、鱼道两座、衡阳水上服务区及其他配套设施。（殷缶，梅深）