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，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，2具有很大的破坏性。对于这样的“异常”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，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λ≈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1.025100163=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（尤其对于承受拉应力3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“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，因而必须掌握4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”。5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(λ)的波组成，并以不同的速度(c)传播，H、T、λ、c及方向角θ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λ，如H/λ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：η＝2Hcos(kx－ωt)T=2π[2/1]h2thg2）λπ（λπ式中：H为波高，k＝λπ2称为波数（在2π米的长度上波的个数），kx－ωt称为波的相位角或相位。f—频率1／s，ω—圆频率，ω＝2πf波长λ（或以Lo表示）可写为下式：λ＝）λπ（πh2th2g2TT—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：6c＝）（πλkhth2gTT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/λ≥1/2，即水深h若大于半波长λ/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，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7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°，△P＝1013.3-935.1＝78.2（百帕），R＝36海里，UF＝26节，应用上述图表与公式可以求得深水的有效波高H1/3＝18.07m，周期T1/3＝16.8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8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h0≥λ0/2（在深水中）的波高是H0，波长为λ0，波速为c0，则对某一属于中间深度的水深的波λ/2＞h≥λ/20而言，则会出现浅水波高H1＜H0、λ1＜λ0、c1＜c0，即波高、波长及波速均变小；（2）浅水波9在h2＜λ/20的浅水（又称为极浅水）中，则出现λ2＜λ0（波长变短），c2＜c1＜c0(波速变小)，但波高H2＞H0，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/T2＞0.762m/s2时，KS=1；当0.762m/s2≥h/T2＞0.1m/s2,Ks小于1.0，即波高变小;若水深继续变小，h/T2≤0.1m/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≥λ/2；（b）中间深度水波λ/2＞h≥λ/20；（c）浅水波h＜λ/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：10Ks＝n.ccn00式中c。与c分别为初始与变化后的波速，n。，n为初始与变化后的传递系数，由线性理论可得：]sh2kh2kh[121n＝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