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一种新型防波堤结构设计研究

2020-01-03 10:07:30 中国水运 2020年12期

杨培杰 庄宁 杨文涛

摘 要:针对现有传统防波堤结构用途单一,空间利用率不高的问题,本文提出一种新型防波堤结构型式。新型防波堤结构依托于传统结构型式,对其内部构造进行创新改进,在满足原有防波消浪的功能上,进一步利用海洋风力、水体势能进行清洁发电,为未来海洋新能源发展提供借鉴和参考。

关键词:防波堤;新型结构;新能源

1引言

近年来,随着我国海洋事业的飞速发展,海上交通运输日趋繁忙。在国家“一带一路”的倡议下,港口码头的建设步伐不断加快。但随着优良岸线规划殆尽,以及船舶吨位的不断提高,对于码头及其配套设施的要求越来越高。为保持港内水域平稳,便于船舶泊稳和船舶装卸作业的需要,通常在港池外侧设置防波堤,以减小港外水体对港池内船舶的影响。

结合防波堤工作原理,防波堤主要分为实体式和透空式两大类[1-2],实体式防波堤主要采用抛石构造,结构简单,可较大程度减小外海侧波浪能。透空式防波堤[3]包括梳式防波堤、喷气防波堤、喷水防波堤等,透空式防波堤投资较少,但消能效果较实体式差,故实际使用中以采用实体式防波堤居多。现行实体式防波堤主要用于削弱波能,使用方向较为单一。

随着不可再生能源的不断消耗,人们对新型能源的开发和利用愈发重视,利用海洋上风能、波浪能进行发电的装置不断涌现。以海上风机为例,重力式、单桩式、浮筒式等各种新型式结构出现在海洋上。但海上风机多建于外海范围,在海上恶劣的海象条件作用下,结构施工时困难较大且后期防腐加固成本较大。如果能够通过改进现有传统结构,实现功能多元化,提高结构的利用率,将使传统结构与绿色环保结合,实现效益最大化。

2结构设计原理

2.1结构设计

本文基于传统实体式防波堤结构,提出一种能够兼顾消能和发电的新型式防波堤,利用内部结构将海洋上风能和水体势能转化为电能,实现结构多元化利用。

如图1所示,防波堤采用重力式结构,防波堤中部设置沉箱,沉箱前后侧回填抛石,在减轻结构整体重量的同时保证结构抗滑稳定。防波堤向海侧斜坡上设置若干个凹槽,凹槽下设有传送带,凹槽中海水可借助传送带上的取水箱输送。防波堤向海侧堤顶设置圆弧形胸墙,挡浪墙上设有风叶板,可在海风作用下转动,带动传动带工作,将斜坡凹槽中海水输送至沉箱内。由于胸墙采用圆弧形,可有效汇聚风力,提高风叶板转动效率。传送带上部端口处设置有一盛水容器,可暂时储存水体。因盛水容器下侧设置有一复位弹簧,当水体达到既定重量时,弹簧压缩使容器向下倾倒泄水。泄水后盛水容器在复位弹簧作用下复位,盛水容器进入下阶段循环。盛水容器下侧设置有一发电叶片,可通过水体动能驱动进行发电。沉箱底板通过铰支座连接有两根杆件,一根杆件顶端固定有铁质浮子,可在上部磁铁控制下转动,另一根杆件内置弹簧,可控制阀门启闭。

如图2、图3、图4所示,水体传送模块由若干传动带构成,通过风力驱动风叶板转动,进而带动传送带运转。传送带上设有若干个取水箱,取水箱开孔上大下小,可有效蓄存水体。风力驱动传送带运转后,取水箱向高处移动,待到达最高点位后,取水箱在传送带作用下翻转,水体进入盛水容器。由于结构设计时通过风力驱动,无需额外动力,节能环保,经济性较好。

2.2工作原理

外海在恶劣的海象条件作用下,海风、海浪均较大。海浪拍击防波堤后,受防波堤阻挡消能,水体沿防波堤斜坡向下回流。由于防波堤向海侧堤顶设有圆弧状胸墙,内设有风力转动叶片,在海风作用下,可有效驱动转动叶片转动。圆弧形胸墙可有效汇聚风力,提高风力利用效率。水体沿防波堤斜坡回流后,部分水体可经斜坡面凹槽存储于传送带的取水箱内。取水箱经传送带传输至斜坡顶后,水体倾泄至沉箱內的盛水容器中,当盛水容器中水体量达到设计预期量后,容器在重力作用下压缩弹簧,容器倾斜泄水,水体在自重作用下冲击下侧发电叶片,驱动发电叶片转动发电。盛水容器中水体减少至设计值时,盛水容器在复位弹簧作用下归位。水体带动发电叶片转动后,存贮于沉箱内,待沉箱内水体量达一定设计值时,浮子控制沉箱侧阀门开启,水体外排,驱动排水管中第二发电叶片工作发电。水体减少后,铁质浮子随水位同步下降,但由于受上部磁铁吸力作用,铁质浮子下降速度较慢,进一步促进沉箱内水体排泄。待铁质浮子完全归位后,阀门完全关闭,沉箱进入下一阶段蓄水循环。

3应用前景

(1)保留传统防波堤结构,在防波消浪的同时,充分利用空间结构进行发电,实现单一结构的多元化利用。由于防波堤主要布置于近海,较海上风机等发电结构物而言,施工不可测要素较少,施工方便。投入使用后,由于不需人为操控,自动清洁运行,后期维护费用也较低。

(2)适应当前节能减排、绿色环保的时代要求,通过大自然中风能、波浪能等清洁能源发电,将可再生资源合理利用,符合未来海洋能的利用方向。

(3)传统防波堤运作时,仅起消波消能的作用,未能很好地将波浪能进行利用。本文所述的新型结构可将海洋波浪能充分利用,在部分消除破坏性能量的同时,也能部分转化能量,可为海洋新能源方向提供借鉴。

4结论与展望

(1)针对传统防波堤结构用途单一的问题,本文提出一种新型防波堤结构,在传统防波消能的基础上,结合能量转化结构布局,在无需额外能量消耗的同时进行清洁发电。在目前节能环保,大力发展清洁能源的现阶段,该结构将为可持续发展理念提供借鉴和参考。

(2)该新型防波堤结构相比于海上风电平台等新能源结构而言,施工安全便利,受海洋条件约束较少。且该结构可充分利用现有结构,工程投资低,对于未来海洋新能源市场具有巨大潜力。

参考文献:

[1]卢超,郑龙.板式开孔防波堤水动力特性及受力研究综述[J].中国水运(下半月),2018,18(07):159-160+162.

[2]合田良实, 刘淑珍. 新型防波堤结构的研究概况[J]. 水道港口, 1983(03):52-55.

[3]徐宁,杨小桦,庞丹,刘仔峰.透空式双层板防波堤消波特性研究[J].中国水运(下半月),2014,14(07):214-216.