梳式防波提研究綜述

◎丁潔 王浩宇 王杰群 顧志芳 桂勁松 大連海洋大學 通訊作者：桂勁松

1.引言

防波堤是防御波浪入侵的重要水工建筑物。其能夠保證港內具有良好的掩護條件，使船舶可以進行安全停泊、作業等工作。隨著我國經濟的不斷發展，海岸資源開發飽和，港口建設越發需要向更深的水域發展，因此，防波堤結構的優化、功能的創新引起了高度的重視，對于新型的防波堤研究日益成為熱點問題。

通過在中國知網上以關鍵詞“梳式防波堤”進行檢索，檢索到期刊類論文25篇，碩博畢業論文4篇，國內會議論文4篇，外文文獻2篇，主要是通過物理模型、數學模型等方法探究防波堤的結構等對防波堤透射與反射效果的影響等。本研究旨在梳理梳式防波堤近年來在結構和功能上的研究進展，指出其研究的不足之處，以期今后進行更深入的研究。

2.相關研究綜述

梳式防波堤作為新型防波堤結構，其每個結構單元主要由：沉箱主體、沉箱兩側翼板、沉箱上部胸墻三部分組成。此結構最早在大連大窯灣得到應用，后在大連松木島港區應用。共節省工程投資24.5%（6435萬元），減小波浪力27%～38%。相比于傳統沉箱具有更加良好的水力學特性。本文將沿著梳式防波堤的結構性能、水力學特性、翼板結構功能等方面對已有研究進行梳理。

2.1 梳式防波堤結構性能

梳式防波堤是以沉箱翼板代之適當比例的主體沉箱，使其擁有獨特梳齒狀結構。李玉成等對梳式防波堤基本構造進行分析，認為翼板與沉箱前后壁間相位差、翼板不接觸海底而形成的透空使波浪力減小；翼板代替沉箱減小自重，降低基床所受應力。朱浩等總結了梳式防波堤的功能和掩護效果，得出波浪能集中在水體表層2～3倍波高的水深范圍內，根據波浪力相位差原理分析了其消能、透流的特點，并且數值計算在結構減少自重的情況下仍滿足抗傾抗滑穩定性要求，論證了結構掩護效果良好。朱大同率先提出提出梳狀防波堤的消波和聚能機理，指出其主要依賴于前后壁相位差削減波浪反射系數與波浪力，通過數值計算得出其總波浪力折減系數可達30%。牛恩宗等總結大連港大窯灣的工程自然條件，并進行物理模型實驗研究波要素對其影響，論證了施工的可行性，提出此結構的創新點，并論證該結構的掩護效果良好。

2.2 梳式防波堤水力學特性

梳式防波堤的水力學特性主要體現在波浪的反射、防波堤透浪特性、防波堤消浪性能等。已有研究大多通過物理模型試驗進行直觀研究，有些研究通過建立數學模型、利用計算機軟件進行有限元分析等方法進行數值模擬，通過數據分析，總結出相關水力學要素對梳式防波堤作用的數學公式。李玉成等通過物理實驗，給出了不同波浪情況下單寬波浪力折減系數的經驗數值和波浪反射系數相關性方程。朱大同填補了理論解析公式的空白，用阻抗分析的方法推導出波浪反射系數近似計算公式，但需要再進一步檢驗與修正。房卓等采用物理模型的方法對不規則波作用下非透空式梳式防波堤表面壓強分布規律以及工程危險水位進行了分析總結。房卓利用源函數造波方法建立三維數值波浪水槽，通過數值模擬分析波浪對梳式防波堤的相互作用并與物理實驗結果進行對比驗證并且通過數值模擬得到透浪系數的一組經驗公式。朱洋立等使用ANSYS軟件建立梳式防波堤的有限元模型，利用波浪譜產生隨機波浪荷載作用于防波堤并分析其受力特點，相比于靜力分析更加貼合工程實際，對其動力影響機制具有一定的啟示，但計算機軟件忽略了非線性影響因素，與實際有一定誤差。趙軍通過物理模型實驗對比了在不同水深下梳式、扶壁式、開孔沉箱式三者的透射性能。王心玉等利用數值模擬的方法，計算得到梳式防波堤反射、透射系數并通過實例驗證計算結果正確性，得出相對梳齒寬度、沉箱和翼板長度影響反射和透射系數。國內梳式防波堤結構新穎且實際工程應用較少，多數實驗通過物理模型試驗等方法進行研究，總結出影響其透射、反射的因素，并給出經驗公式。但目前所總結的公式都為近似公式，尚未總結出通用性較強、精確性高的公式。

2.3 翼板結構功能

梳式防波堤作為國內首創的新型防波堤，其通過控制翼板與海底距離，可形成非透空或透空式梳式防波堤。翼板結構對反射、透射、透流等水力學性能起到關鍵性作用。王清湘等依托物理模型實驗、有限元法分析翼板的靜力學特性、在波浪力作用下的受力分布，并對其進行配筋，對工程設計提供了參考。李玉成等從結構作用機制總結翼板位置、寬度可減小結構所受波浪力，翼板位置與波長之比影響波浪反射系數；透空式形成透浪，減小總體波浪力。房卓等為減小非透空梳式防波堤翼板上部波浪壓強進行結構改進設計，并得出采用工字體擋板結構可有效減小翼板上部最大壓強和堤前波浪反射。房卓等通過數值計算得透射性能隨翼板與前墻距離之比的增加呈拋物線變化，隨翼板開口高度增加而線性增加。李世強等基于大連松木島港區計算得梳式防波堤由于翼板作用，可減小墻前波浪力、墻后土壓力，減小基床頂最大應力。王心玉等通過數學模型分析得反射、透射系數隨翼板高度和長度的增大變化明顯。

波浪能作為清潔能源，不少專家學者著手研究將波浪能裝置與海岸水工建筑物相結合。范亞寧等總結國內外多功能型波浪能裝置的結構類型并進行分類。彭偉等提出一種結合防波堤的振蕩搖擺式波浪能裝置，并通過物理模型實驗驗證其波浪能轉化效率。由此設想可將梳式防波堤的翼板進行改設計為搖擺式，結合波浪能進行發電，此改進還有待進一步研究。

3.總結與展望

（1）梳式防波堤結構。梳式防波堤作為一種新型的直立堤，結構的改變使防波堤減小自重，降低基床所受應力；翼板與沉箱主體的相位差削減了波浪力，翼板距海底的距離可控，形成透流或非透流結構，透流結構可使堤前波浪從立波變為不完全立波，削減波浪力。但作為直立堤的一種，結構破壞后修復困難，在結構安全性等方面研究較少。

（2）梳式防波堤水力學特性。主要研究波浪的反射、透射及消浪性能。目前研究多采用物理模型實驗、數值模擬等方法總結出經驗公式，尚未總結出通用性較強、精確性高的公式。由于梳式防波堤是新型結構，其水力學性能與傳統防波堤相差甚遠，目前國內并未出臺相關設計規范，計算理論需要進一步完善。

梳式防波堤翼板。翼板的研究主要集中于規則波、不規則波作用下自身受力分布并進行配筋計算以及分析翼板在梳式防波堤整體結構中的透浪、消能、反射等方面起到的作用。已有學者研究將波浪能裝置與海岸水工建筑物相結合，翼板作為新結構與波浪能新能源的結合十分有意義，有待進一步深入研究。