氣幕式防波堤用于實際工程的可行性研究

王勇超+李國祿+于鴻明

摘要：氣幕式防波堤是一種特殊的防波堤結構，當噴氣管安設得足夠深時，船舶可以在任何地方進港，初期投資小，當水深很大，所需消波的入射波浪周期T較小，而且在短時間的偶然工作時，利用這種消波型式是合理的。文章結合工程的實際環(huán)境，從數(shù)理模型、物理模型和實際使用設計三個方面進行了分析。

關鍵詞：氣幕式防波堤；數(shù)理模型；物理模型；實際工程；可行性

中圖分類號：U656 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）33-0102-02

1 概述

氣幕式防波堤是一種特殊的防波堤結構，由壓氣站產生具有一定壓強的壓縮空氣輸送至海底排氣管，排氣管小孔排氣，氣泡上升的過程中形成氣幕，在水中形成了表面水平流，使波浪的波能衰減，導致波高減小。

氣幕防波堤的消波作用主要通過兩個方面來實現(xiàn)：一方面，在氣幕的作用下，在水體表面形成兩個方向相反的水平流，迎浪側的水平流使得波浪所固有的水質點軌跡運動遭到破壞，促使波浪破碎，波能衰減，導致波高減小；另一方面，氣泡四周的水表面張力在消減波能方面也起到較大的作用，隨著氣泡的上升，表面張力加大，部分地削弱了波動流體的能量，此外，原始波浪在氣幕前發(fā)生部分的反射，也使得越過氣幕的透射波高有所減小。試驗原理示意圖如圖1所示：

圖1 氣幕式防波堤工作原理示意圖

氣幕式防波堤與固定的防波堤比較，具有移動性、臨時性、可重復利用性、不受水流泥沙條件限制的特點，可以很容易通過拋錨固定或通過錨鏈固定在海底，其造價低、結構簡單，有良好的應用前景。

氣幕防波堤結構的優(yōu)點在于：當噴氣管安設得足夠深時，船舶可以在任何地方進港，暢行無阻，初期投資小，且造價及運轉費用與水域中的水深沒有多大關系，當水深很大，所需消波的入射波浪周期T較小，而且在短時間的偶然工作時，利用這種消波型式是合理的。

2 數(shù)模分析

關于氣幕式防波堤的理論依據(jù)，本論文引自Bulson給出相關理論，他推導出由于氣幕的存在而產生水平流的表面速度氣和水平流厚度d的設計公式，同時，給出了入射波浪波長和波高一定的情況下消波所需要的供氣量Q大小。推導公式如下：

式中：

——表面水平流速度

——水平流厚度

——重力加速度

——管道埋深

——當?shù)卮髿鈮毫?/p>

——空氣壓縮機供氣量

完全消波所需要的供氣量：

式中：

——入射波浪波長

部分消波所需要的供氣量：

根據(jù)理論研究，可得出結論：氣幕式防波堤消浪的效果與供氣量、排氣管埋設深度、入射周期和波高有關，與排氣管的直徑、管孔直徑均無關。所以氣幕式防波堤從理論分析得出應用于實際工程中是可行的。

3 物模分析

針對這一新型的防波堤結構，我國主要以大連理工大學王永學教授帶領的團隊為主在大工的近岸海洋國家實驗室進行了氣幕式防波堤的物理模型試驗。

本物理模型試驗基于重力相似準則關系，分別考慮了不同入射波浪要素、不同供氣量Q大小、不同噴氣孔口直徑、不同模型長度比尺條件下的氣幕防波堤消波性能，并對氣幕防波堤對波浪的反射作用做了分析，根據(jù)整理得到的試驗數(shù)據(jù)并進行分析，給出了氣幕防波堤消波性能相關結論。

物理模擬區(qū)域水槽高9m，長300m，水深為6m，監(jiān)測點在130m處，供氣量分別為：100m3/h·m、180m3/h·m、260m3/h·m、340m3/h·m、420m3/h·m、500m3/h·m、580m3/h·m，得到供氣量與透射系數(shù)關系，得出氣幕式防波堤實踐使用的可行性。

4 應用工程實例背景

某沉管隧道工程的系泊區(qū)為半開放形式，三面圍堰南側敞口，出塢口位于圖2中AB所示位置，塢內水深-5～-9m。系泊區(qū)作為沉管臨時存放的場地，在漂浮存放過程中如果受到大的風浪作用，對臨時存放的沉管安全會有影響。為了解決這一問題，考慮通過采用氣幕式防波堤（BC段）加長原有防波堤，減小臨時系泊區(qū)塢口（AB段）的方式，將系泊區(qū)內的波高控制在允許出現(xiàn)的安全波高（1.0m）以下，保證沉管存放的安全。

圖2 氣幕式防波堤平面布置圖

5 氣幕式防波堤設計

氣幕式防波堤主要由空壓機提供空氣至海底，形成氣泡帷幕，空壓機設在陸域的“D”點，排氣管布置從“B”點至“C”，角度與原有碼頭兼防波堤夾角161°，氣幕長度暫定為100m（BC段），氣幕作用前后需要有波浪儀觀測記錄數(shù)據(jù)，波浪儀放置在氣幕式防波堤中軸線兩側各30m的位置，本區(qū)域水深約-6m。

5.1 設備選型

5.1.1 排氣管選型。排氣管選用無縫鋼管，長度暫定為100m，直徑選定Φ100mm，排氣孔直徑2mm，排氣孔間距30cm，鋼管尾端封閉，首端與通氣軟管連接，設計圖如下：

圖3 排氣管設計圖

5.1.2 空壓機選型。空壓機選型考慮公司實際情況，選用L型復動水冷式空氣壓縮機，排氣量22m3/min（1320m3/h），2m3儲氣罐。

5.1.3 送風管選型。送風管單層鋼絲編織膠管，單根長度20m，內徑51mm，總長度需要約380m，連接排氣管與空壓機，主要為確保試驗操作安全。

5.2 設備安裝

空壓機布置在陸域，離海岸線需一定安全距離，基礎需安裝穩(wěn)固，空氣儲蓄罐必須加固處理。

排氣管12m一節(jié)，現(xiàn)場加工排氣孔和法蘭接頭，由海上方駁吊機吊入海中，潛水員水下安裝，每節(jié)之間法蘭接頭連接，并安裝橡膠墊圈，防止漏氣，本區(qū)域海水深度約-6m。

排氣管安裝時需要支撐鐵架，且排氣孔必須朝上，鐵架采用50×5角鋼焊接，高70cm，長50cm，底部焊接鋼板，防止陷入淤泥。

排氣管與空壓機之間由橡膠軟管連接，橡膠管沿原防波堤布置，并需要設置必要的限位裝置，防止海浪沖擊至海中。如有必要，需在橡膠軟管進入海水中之間接頭處安裝壓力計，用于觀測送入海中的風壓。

5.3 實際操作步驟

將空壓機運輸安裝在陸域安全位置；方駁吊機和潛水配合安裝水下排氣管；連接排氣管和空壓機；選擇風平浪靜的海況進行靜水調試；選擇適當惡劣海況進行初步調試；根據(jù)天氣預報進行最終使用。

6 結語

本文結合工程的實際環(huán)境，參考國類外相關研究成果，從數(shù)模分析、物模分析和實際使用設計三個方面進行研究，說明氣幕式防波堤在實際工程中使用的可能性，為后續(xù)的實際使用提供一定的依據(jù)，也為類似氣幕式防波堤使用工況提供參考。

參考文獻

[1] 王國玉.特種防波堤結構形式及水動力學特性研究

[D].大連理工大學，2005.

[2] 王國玉，王永學，李廣偉，等.氣幕防波堤消波性能試驗研究[J].中國造船，2004，45（增刊）.

[3] BulsonP.S.Bubble breakwaters with Intermittent air supply[J].The Dock and Harbour Authority，1963，XLIV（514）.

[4] Bulson P.S.The theory and design of bubble breakwater[J].Proeeeding of 11th Conferenee on Coastal Engineering，London，1968，11.

作者簡介：王勇超（1982-），男，湖北漢川人，中交一航局第三工程有限公司工程師，研究方向：港航工程。

摘要：氣幕式防波堤是一種特殊的防波堤結構，當噴氣管安設得足夠深時，船舶可以在任何地方進港，初期投資小，當水深很大，所需消波的入射波浪周期T較小，而且在短時間的偶然工作時，利用這種消波型式是合理的。文章結合工程的實際環(huán)境，從數(shù)理模型、物理模型和實際使用設計三個方面進行了分析。

關鍵詞：氣幕式防波堤；數(shù)理模型；物理模型；實際工程；可行性

中圖分類號：U656 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）33-0102-02

1 概述

氣幕式防波堤是一種特殊的防波堤結構，由壓氣站產生具有一定壓強的壓縮空氣輸送至海底排氣管，排氣管小孔排氣，氣泡上升的過程中形成氣幕，在水中形成了表面水平流，使波浪的波能衰減，導致波高減小。

氣幕防波堤的消波作用主要通過兩個方面來實現(xiàn)：一方面，在氣幕的作用下，在水體表面形成兩個方向相反的水平流，迎浪側的水平流使得波浪所固有的水質點軌跡運動遭到破壞，促使波浪破碎，波能衰減，導致波高減小；另一方面，氣泡四周的水表面張力在消減波能方面也起到較大的作用，隨著氣泡的上升，表面張力加大，部分地削弱了波動流體的能量，此外，原始波浪在氣幕前發(fā)生部分的反射，也使得越過氣幕的透射波高有所減小。試驗原理示意圖如圖1所示：

圖1 氣幕式防波堤工作原理示意圖

氣幕式防波堤與固定的防波堤比較，具有移動性、臨時性、可重復利用性、不受水流泥沙條件限制的特點，可以很容易通過拋錨固定或通過錨鏈固定在海底，其造價低、結構簡單，有良好的應用前景。

氣幕防波堤結構的優(yōu)點在于：當噴氣管安設得足夠深時，船舶可以在任何地方進港，暢行無阻，初期投資小，且造價及運轉費用與水域中的水深沒有多大關系，當水深很大，所需消波的入射波浪周期T較小，而且在短時間的偶然工作時，利用這種消波型式是合理的。

2 數(shù)模分析

關于氣幕式防波堤的理論依據(jù)，本論文引自Bulson給出相關理論，他推導出由于氣幕的存在而產生水平流的表面速度氣和水平流厚度d的設計公式，同時，給出了入射波浪波長和波高一定的情況下消波所需要的供氣量Q大小。推導公式如下：

式中：

——表面水平流速度

——水平流厚度

——重力加速度

——管道埋深

——當?shù)卮髿鈮毫?/p>

——空氣壓縮機供氣量

完全消波所需要的供氣量：

式中：

——入射波浪波長

部分消波所需要的供氣量：

根據(jù)理論研究，可得出結論：氣幕式防波堤消浪的效果與供氣量、排氣管埋設深度、入射周期和波高有關，與排氣管的直徑、管孔直徑均無關。所以氣幕式防波堤從理論分析得出應用于實際工程中是可行的。

3 物模分析

針對這一新型的防波堤結構，我國主要以大連理工大學王永學教授帶領的團隊為主在大工的近岸海洋國家實驗室進行了氣幕式防波堤的物理模型試驗。

本物理模型試驗基于重力相似準則關系，分別考慮了不同入射波浪要素、不同供氣量Q大小、不同噴氣孔口直徑、不同模型長度比尺條件下的氣幕防波堤消波性能，并對氣幕防波堤對波浪的反射作用做了分析，根據(jù)整理得到的試驗數(shù)據(jù)并進行分析，給出了氣幕防波堤消波性能相關結論。

物理模擬區(qū)域水槽高9m，長300m，水深為6m，監(jiān)測點在130m處，供氣量分別為：100m3/h·m、180m3/h·m、260m3/h·m、340m3/h·m、420m3/h·m、500m3/h·m、580m3/h·m，得到供氣量與透射系數(shù)關系，得出氣幕式防波堤實踐使用的可行性。

4 應用工程實例背景

某沉管隧道工程的系泊區(qū)為半開放形式，三面圍堰南側敞口，出塢口位于圖2中AB所示位置，塢內水深-5～-9m。系泊區(qū)作為沉管臨時存放的場地，在漂浮存放過程中如果受到大的風浪作用，對臨時存放的沉管安全會有影響。為了解決這一問題，考慮通過采用氣幕式防波堤（BC段）加長原有防波堤，減小臨時系泊區(qū)塢口（AB段）的方式，將系泊區(qū)內的波高控制在允許出現(xiàn)的安全波高（1.0m）以下，保證沉管存放的安全。

圖2 氣幕式防波堤平面布置圖

5 氣幕式防波堤設計

氣幕式防波堤主要由空壓機提供空氣至海底，形成氣泡帷幕，空壓機設在陸域的“D”點，排氣管布置從“B”點至“C”，角度與原有碼頭兼防波堤夾角161°，氣幕長度暫定為100m（BC段），氣幕作用前后需要有波浪儀觀測記錄數(shù)據(jù)，波浪儀放置在氣幕式防波堤中軸線兩側各30m的位置，本區(qū)域水深約-6m。

5.1 設備選型

5.1.1 排氣管選型。排氣管選用無縫鋼管，長度暫定為100m，直徑選定Φ100mm，排氣孔直徑2mm，排氣孔間距30cm，鋼管尾端封閉，首端與通氣軟管連接，設計圖如下：

圖3 排氣管設計圖

5.1.2 空壓機選型。空壓機選型考慮公司實際情況，選用L型復動水冷式空氣壓縮機，排氣量22m3/min（1320m3/h），2m3儲氣罐。

5.1.3 送風管選型。送風管單層鋼絲編織膠管，單根長度20m，內徑51mm，總長度需要約380m，連接排氣管與空壓機，主要為確保試驗操作安全。

5.2 設備安裝

空壓機布置在陸域，離海岸線需一定安全距離，基礎需安裝穩(wěn)固，空氣儲蓄罐必須加固處理。

排氣管12m一節(jié)，現(xiàn)場加工排氣孔和法蘭接頭，由海上方駁吊機吊入海中，潛水員水下安裝，每節(jié)之間法蘭接頭連接，并安裝橡膠墊圈，防止漏氣，本區(qū)域海水深度約-6m。

排氣管安裝時需要支撐鐵架，且排氣孔必須朝上，鐵架采用50×5角鋼焊接，高70cm，長50cm，底部焊接鋼板，防止陷入淤泥。

排氣管與空壓機之間由橡膠軟管連接，橡膠管沿原防波堤布置，并需要設置必要的限位裝置，防止海浪沖擊至海中。如有必要，需在橡膠軟管進入海水中之間接頭處安裝壓力計，用于觀測送入海中的風壓。

5.3 實際操作步驟

將空壓機運輸安裝在陸域安全位置；方駁吊機和潛水配合安裝水下排氣管；連接排氣管和空壓機；選擇風平浪靜的海況進行靜水調試；選擇適當惡劣海況進行初步調試；根據(jù)天氣預報進行最終使用。

6 結語

本文結合工程的實際環(huán)境，參考國類外相關研究成果，從數(shù)模分析、物模分析和實際使用設計三個方面進行研究，說明氣幕式防波堤在實際工程中使用的可能性，為后續(xù)的實際使用提供一定的依據(jù)，也為類似氣幕式防波堤使用工況提供參考。

參考文獻

[1] 王國玉.特種防波堤結構形式及水動力學特性研究

[D].大連理工大學，2005.

[2] 王國玉，王永學，李廣偉，等.氣幕防波堤消波性能試驗研究[J].中國造船，2004，45（增刊）.

[3] BulsonP.S.Bubble breakwaters with Intermittent air supply[J].The Dock and Harbour Authority，1963，XLIV（514）.

[4] Bulson P.S.The theory and design of bubble breakwater[J].Proeeeding of 11th Conferenee on Coastal Engineering，London，1968，11.

作者簡介：王勇超（1982-），男，湖北漢川人，中交一航局第三工程有限公司工程師，研究方向：港航工程。

摘要：氣幕式防波堤是一種特殊的防波堤結構，當噴氣管安設得足夠深時，船舶可以在任何地方進港，初期投資小，當水深很大，所需消波的入射波浪周期T較小，而且在短時間的偶然工作時，利用這種消波型式是合理的。文章結合工程的實際環(huán)境，從數(shù)理模型、物理模型和實際使用設計三個方面進行了分析。

關鍵詞：氣幕式防波堤；數(shù)理模型；物理模型；實際工程；可行性

中圖分類號：U656 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）33-0102-02

1 概述

氣幕式防波堤是一種特殊的防波堤結構，由壓氣站產生具有一定壓強的壓縮空氣輸送至海底排氣管，排氣管小孔排氣，氣泡上升的過程中形成氣幕，在水中形成了表面水平流，使波浪的波能衰減，導致波高減小。

氣幕防波堤的消波作用主要通過兩個方面來實現(xiàn)：一方面，在氣幕的作用下，在水體表面形成兩個方向相反的水平流，迎浪側的水平流使得波浪所固有的水質點軌跡運動遭到破壞，促使波浪破碎，波能衰減，導致波高減小；另一方面，氣泡四周的水表面張力在消減波能方面也起到較大的作用，隨著氣泡的上升，表面張力加大，部分地削弱了波動流體的能量，此外，原始波浪在氣幕前發(fā)生部分的反射，也使得越過氣幕的透射波高有所減小。試驗原理示意圖如圖1所示：

圖1 氣幕式防波堤工作原理示意圖

氣幕式防波堤與固定的防波堤比較，具有移動性、臨時性、可重復利用性、不受水流泥沙條件限制的特點，可以很容易通過拋錨固定或通過錨鏈固定在海底，其造價低、結構簡單，有良好的應用前景。

氣幕防波堤結構的優(yōu)點在于：當噴氣管安設得足夠深時，船舶可以在任何地方進港，暢行無阻，初期投資小，且造價及運轉費用與水域中的水深沒有多大關系，當水深很大，所需消波的入射波浪周期T較小，而且在短時間的偶然工作時，利用這種消波型式是合理的。

2 數(shù)模分析

關于氣幕式防波堤的理論依據(jù)，本論文引自Bulson給出相關理論，他推導出由于氣幕的存在而產生水平流的表面速度氣和水平流厚度d的設計公式，同時，給出了入射波浪波長和波高一定的情況下消波所需要的供氣量Q大小。推導公式如下：

式中：

——表面水平流速度

——水平流厚度

——重力加速度

——管道埋深

——當?shù)卮髿鈮毫?/p>

——空氣壓縮機供氣量

完全消波所需要的供氣量：

式中：

——入射波浪波長

部分消波所需要的供氣量：

根據(jù)理論研究，可得出結論：氣幕式防波堤消浪的效果與供氣量、排氣管埋設深度、入射周期和波高有關，與排氣管的直徑、管孔直徑均無關。所以氣幕式防波堤從理論分析得出應用于實際工程中是可行的。

3 物模分析

針對這一新型的防波堤結構，我國主要以大連理工大學王永學教授帶領的團隊為主在大工的近岸海洋國家實驗室進行了氣幕式防波堤的物理模型試驗。

本物理模型試驗基于重力相似準則關系，分別考慮了不同入射波浪要素、不同供氣量Q大小、不同噴氣孔口直徑、不同模型長度比尺條件下的氣幕防波堤消波性能，并對氣幕防波堤對波浪的反射作用做了分析，根據(jù)整理得到的試驗數(shù)據(jù)并進行分析，給出了氣幕防波堤消波性能相關結論。

物理模擬區(qū)域水槽高9m，長300m，水深為6m，監(jiān)測點在130m處，供氣量分別為：100m3/h·m、180m3/h·m、260m3/h·m、340m3/h·m、420m3/h·m、500m3/h·m、580m3/h·m，得到供氣量與透射系數(shù)關系，得出氣幕式防波堤實踐使用的可行性。

4 應用工程實例背景

某沉管隧道工程的系泊區(qū)為半開放形式，三面圍堰南側敞口，出塢口位于圖2中AB所示位置，塢內水深-5～-9m。系泊區(qū)作為沉管臨時存放的場地，在漂浮存放過程中如果受到大的風浪作用，對臨時存放的沉管安全會有影響。為了解決這一問題，考慮通過采用氣幕式防波堤（BC段）加長原有防波堤，減小臨時系泊區(qū)塢口（AB段）的方式，將系泊區(qū)內的波高控制在允許出現(xiàn)的安全波高（1.0m）以下，保證沉管存放的安全。

圖2 氣幕式防波堤平面布置圖

5 氣幕式防波堤設計

氣幕式防波堤主要由空壓機提供空氣至海底，形成氣泡帷幕，空壓機設在陸域的“D”點，排氣管布置從“B”點至“C”，角度與原有碼頭兼防波堤夾角161°，氣幕長度暫定為100m（BC段），氣幕作用前后需要有波浪儀觀測記錄數(shù)據(jù)，波浪儀放置在氣幕式防波堤中軸線兩側各30m的位置，本區(qū)域水深約-6m。

5.1 設備選型

5.1.1 排氣管選型。排氣管選用無縫鋼管，長度暫定為100m，直徑選定Φ100mm，排氣孔直徑2mm，排氣孔間距30cm，鋼管尾端封閉，首端與通氣軟管連接，設計圖如下：

圖3 排氣管設計圖

5.1.2 空壓機選型。空壓機選型考慮公司實際情況，選用L型復動水冷式空氣壓縮機，排氣量22m3/min（1320m3/h），2m3儲氣罐。

5.1.3 送風管選型。送風管單層鋼絲編織膠管，單根長度20m，內徑51mm，總長度需要約380m，連接排氣管與空壓機，主要為確保試驗操作安全。

5.2 設備安裝

空壓機布置在陸域，離海岸線需一定安全距離，基礎需安裝穩(wěn)固，空氣儲蓄罐必須加固處理。

排氣管12m一節(jié)，現(xiàn)場加工排氣孔和法蘭接頭，由海上方駁吊機吊入海中，潛水員水下安裝，每節(jié)之間法蘭接頭連接，并安裝橡膠墊圈，防止漏氣，本區(qū)域海水深度約-6m。

排氣管安裝時需要支撐鐵架，且排氣孔必須朝上，鐵架采用50×5角鋼焊接，高70cm，長50cm，底部焊接鋼板，防止陷入淤泥。

排氣管與空壓機之間由橡膠軟管連接，橡膠管沿原防波堤布置，并需要設置必要的限位裝置，防止海浪沖擊至海中。如有必要，需在橡膠軟管進入海水中之間接頭處安裝壓力計，用于觀測送入海中的風壓。

5.3 實際操作步驟

將空壓機運輸安裝在陸域安全位置；方駁吊機和潛水配合安裝水下排氣管；連接排氣管和空壓機；選擇風平浪靜的海況進行靜水調試；選擇適當惡劣海況進行初步調試；根據(jù)天氣預報進行最終使用。

6 結語

本文結合工程的實際環(huán)境，參考國類外相關研究成果，從數(shù)模分析、物模分析和實際使用設計三個方面進行研究，說明氣幕式防波堤在實際工程中使用的可能性，為后續(xù)的實際使用提供一定的依據(jù)，也為類似氣幕式防波堤使用工況提供參考。

參考文獻

[1] 王國玉.特種防波堤結構形式及水動力學特性研究

[D].大連理工大學，2005.

[2] 王國玉，王永學，李廣偉，等.氣幕防波堤消波性能試驗研究[J].中國造船，2004，45（增刊）.

[3] BulsonP.S.Bubble breakwaters with Intermittent air supply[J].The Dock and Harbour Authority，1963，XLIV（514）.

[4] Bulson P.S.The theory and design of bubble breakwater[J].Proeeeding of 11th Conferenee on Coastal Engineering，London，1968，11.

作者簡介：王勇超（1982-），男，湖北漢川人，中交一航局第三工程有限公司工程師，研究方向：港航工程。