氣幕防波堤設(shè)計(jì)

翟建國(guó)，劉慶茶，黃筱云，胡勇虎，伍炳坤

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

引言

防波堤用于保護(hù)港口和沿海地區(qū)免受海浪襲擊?，F(xiàn)有的防波堤建造費(fèi)用高昂，且成本隨著水深和海浪氣候的惡劣程度而增加。氣幕防波堤被認(rèn)為是傳統(tǒng)防波堤潛在的替代品。它由海底開(kāi)孔管釋放出來(lái)的氣泡組成，與傳統(tǒng)的防波堤相比，氣幕防波堤安裝容易，建造成本非常低，且不會(huì)干擾船舶航行。氣幕防波堤的消波效果與單位時(shí)間內(nèi)氣泡釋放量相關(guān)，因此，對(duì)空氣壓縮機(jī)的要求很高。因此，氣幕防波堤一般可作為臨時(shí)保護(hù)措施，或與其它防波堤結(jié)構(gòu)形式相結(jié)合。

采用水下氣幕阻止或削弱波浪傳遞的方法是由美國(guó)人菲利普·布拉瑟在1907年提出的，并在1915年應(yīng)用于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)石油公司在加州埃爾塞貢多市的碼頭[1]。1936年，Thysse指出氣泡羽流引起表層水平流動(dòng)是氣幕消波的主要機(jī)制[2]。1939～1945年，二次世界大戰(zhàn)期間，英國(guó)White和Taylor教授認(rèn)為氣幕具備良好軍事用途，開(kāi)展了相關(guān)基礎(chǔ)研究，首次預(yù)測(cè)了消減波浪所需表層流速大小以及產(chǎn)生該流速所需的氣量[2]。1955年，Evans在英國(guó)運(yùn)輸委員會(huì)碼頭和水路水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室62英尺長(zhǎng)的波浪水槽開(kāi)展一系列試驗(yàn)，證實(shí)氣幕消波機(jī)理是氣泡羽流引起表層水平流動(dòng)從而消減波浪高度，并且消波效果與波長(zhǎng)、波高、水深以及表層水流厚度有關(guān)[3]。同年，Taylor采用勢(shì)流理論推導(dǎo)了任一波浪完全衰減所需的水平流動(dòng)大小與厚度，并運(yùn)用施密特線源熱羽流理論給出氣幕中心垂向速度和表面水平速度的大小及厚度[4]。1960年，Bulson在英國(guó)南安普頓特拉法加干船塢內(nèi)開(kāi)展深水條件下氣幕簾試驗(yàn)研究[5]；1962年，他在費(fèi)特姆船舶流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室3號(hào)水槽開(kāi)展了大尺度氣幕防波堤試驗(yàn)[6]；1968年，他根據(jù)所獲得試驗(yàn)結(jié)果提出了氣幕防波堤設(shè)計(jì)理論[7]。1965年，Kurihara通過(guò)大尺度試驗(yàn)指出氣泡的可壓縮性和氣泡相對(duì)上升速度會(huì)對(duì)氣幕防波堤性能造成影響[8]。在德國(guó)，Hensen（1955年，1957年）在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)分別開(kāi)展試驗(yàn)，指出采用Froude數(shù)相似計(jì)算不同尺度試驗(yàn)供氣量不合適[9-10]。1960年，Preissler基于其試驗(yàn)結(jié)果提出了消減波浪波高至一定值所需的供氣量計(jì)算公式[11]。1978年，Iwagaki將氣幕簾與潛堤、浮式防波堤結(jié)合，提出了復(fù)式氣幕防波堤結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)式結(jié)構(gòu)較單一結(jié)構(gòu)消波性能更好[12]。在我國(guó)，王永學(xué)等（2005）提出了確定比尺試驗(yàn)中所需供氣量的相似律[13]；張成興等（2010）通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析雙排氣幕簾的消波效果，結(jié)果顯示，相同供氣量下雙排氣幕消波效果不及單排氣幕[2]；王延續(xù)等（2019）通過(guò)數(shù)值模擬分析了潛堤與氣幕簾組合的消波效果，并指出，若優(yōu)化該復(fù)式防波堤結(jié)構(gòu)能有效阻擋長(zhǎng)周期波的傳遞[14]；許條建等（2019）通過(guò)數(shù)值模擬分析氣幕防波堤的水動(dòng)力特征[15]。

本文將介紹氣幕防波堤消波機(jī)理，并給出氣幕防波堤供氣量的計(jì)算方法，為氣幕防波堤的設(shè)計(jì)提供參考。

1 氣幕防波堤消波機(jī)理

假定由氣幕羽流產(chǎn)生的水平流速U從水面向下線性減小，如圖1所示。

圖1 氣幕簾產(chǎn)生的水平流速垂向分布

其中，表面水流的速度勢(shì)為：

表面水流以下流動(dòng)速度勢(shì)為：

表面水流上邊界波動(dòng)方程為：

下邊界波動(dòng)方程為：

式（1）～（4）中：u為表面水流速度；k為波速；σ為圓頻率；δ為表層水平流動(dòng)厚度；η為表面高度。

根據(jù)表層水流上下邊界運(yùn)動(dòng)邊界條件，有

根據(jù)上下邊界動(dòng)力邊界條件：

消去邊界條件中的待定系數(shù)，得：

其中，

前者表示水流速度與波速比值，后者是水流弗勞德數(shù)的倒數(shù)。

定義：

可以看出，參數(shù)Z只與氣幕簾本身有關(guān)。當(dāng)Z為常數(shù)時(shí)，-α存在最小值-αm，負(fù)號(hào)表示U與波浪傳播方向相反。當(dāng)波浪圓頻率σ≥-g/Uαm時(shí)，波浪將無(wú)法抵御水流作用繼續(xù)傳播。

當(dāng)表層水流厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，即kδ＜1。將上式以kh的冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，忽略kh二次及以上的高次項(xiàng)，則：

其中：

深水條件下，表層水流能夠抵御的最大波長(zhǎng)為：

有：

2 氣幕防波堤設(shè)計(jì)原理

根據(jù)Taylor理論，氣幕簾產(chǎn)生的最大表層流速為：

式中：K為常數(shù)；Q為單位長(zhǎng)度開(kāi)孔管單位時(shí)間內(nèi)出氣量，且：

其中：h0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的水頭；h為開(kāi)孔管深度；Q0為相同壓力下單位時(shí)間內(nèi)自由出流的氣量。

根據(jù)Taylor提出消波所需表面最大水平流速計(jì)算公式：

因此，消波所需的供氣量為：

深水時(shí)，波長(zhǎng)L=2πg(shù)/σ2，有：

根據(jù)Bulson試驗(yàn)結(jié)果，表層水流厚度為：

若波陡較大時(shí)，需考慮波浪非線性影響。消波所需供氣量還應(yīng)乘以一個(gè)放大系數(shù)β，β=2H/L+0.6。

3 氣幕防波堤試驗(yàn)

為分析氣幕防波堤消浪效果，Kurihara分別開(kāi)展了小尺度物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)全尺度測(cè)試。小尺度試驗(yàn)在九州大學(xué)應(yīng)用力學(xué)所的水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為1.5 m×1.5 m×60 m。全尺度測(cè)試進(jìn)行了三次，第一次在長(zhǎng)崎市巖島，時(shí)間為1954～1955年的冬季，所用開(kāi)孔管長(zhǎng)度為30 m，孔徑為1.5 mm，孔密度為35.7個(gè)/m，最大供氣量為20 L/(s·m)；第二次在長(zhǎng)崎市羽島，時(shí)間為1955～1956年的冬季，所用開(kāi)孔管長(zhǎng)度為60.5 m，孔徑為2.0 mm，孔密度為47.6個(gè)/m，最大供氣量為30 L/(s·m)；第三次在橫濱新日鐵株式會(huì)社鶴見(jiàn)造船廠的碼頭，時(shí)間為1957年春秋兩季，所用開(kāi)孔管孔徑為2.5 mm，孔密度為94個(gè)/m，最大供氣量為75 L/(s·m)，氣幕裝置分別采用三種型式：A型為寬度為2.5 m的雙排管、B型為寬度為1.5 m的雙排管、C型為單排管。另外，鶴見(jiàn)造船廠碼頭還布置了一套永久性氣幕簾裝置，型式為2.0 m寬的雙排管，開(kāi)孔管孔徑為1.0 mm，孔密度為245個(gè)/m。

試驗(yàn)表明，氣幕防波堤產(chǎn)生的水平流的厚度并非常數(shù)，而是隨到氣幕中心的距離先減小后增加。Kurihara認(rèn)為表層水流特征厚度應(yīng)取能量流最大斷面的厚度。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示該特征斷面位于距氣幕簾中心約0.7倍水深處，水流厚度的大小為：

式中：星號(hào)表示特征斷面。試驗(yàn)也表明水平流的速度u在深度上并非呈線性分布，而是隨深度z的1/2次方線性變化，即。表層最大流速U與供氣量仍符合式（16），但系數(shù)1/3K并非常數(shù)，而是隨到氣幕中心的距離而變小。

在特征斷面處，表層流速最大值為：

將表層流速沿水深分布寫(xiě)成如下形式：

則：

定義：

ξ為描述表層氣幕強(qiáng)度的無(wú)量綱數(shù)。Kurihara通過(guò)小尺度試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，ξ*與L/δ*符合圖2所示的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，采用前1/3大波的平均周期作為平均周期，平均波長(zhǎng)則為：

圖2 不同透射系數(shù)下 ξ *與L/δ *之間的關(guān)系

4 供氣量計(jì)算

首先，獲得現(xiàn)場(chǎng)水文條件，包括水深、入射波平均周期等；再根據(jù)式（25）和式（21）計(jì)算平均波長(zhǎng)L和特征水流厚度δ*；然后，根據(jù)氣幕防波堤要求的透射系數(shù)，從圖2中確定ξ*值；最后，根據(jù)式（22）獲得氣幕簾所需供氣量。

5 結(jié)語(yǔ)

1）氣幕防波堤的消波性能與供氣量大小有關(guān)。

2）氣幕防波堤對(duì)供氣量要求較高，建議作為臨時(shí)消波設(shè)施。

3）本文給出的供氣量計(jì)算方法可作為氣幕防波堤設(shè)計(jì)提供參考。