明基床上開(kāi)孔沉箱波浪力的研究

申請(qǐng)人課題組曾對(duì)暗基床上開(kāi)孔沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，主要研究成果----“開(kāi)孔消浪沉箱波浪力的計(jì)算方法與應(yīng)用” 獲2007年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，成果已納入《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（JTS154-1-2011）》之中。鑒于開(kāi)孔沉箱廣泛的工程應(yīng)用前景，而明基床是實(shí)際工程中更為常用的沉箱基礎(chǔ)型式，因此，開(kāi)展明基床上開(kāi)孔沉箱波浪力的研究，不僅是學(xué)科發(fā)展的深入，更具有重要的工程應(yīng)用意義。本項(xiàng)目是申請(qǐng)者前期研究工作的拓展延續(xù)，立意探討可滲明基床對(duì)開(kāi)孔沉箱波況和波浪力的影響規(guī)律，研究范疇涵蓋波浪和開(kāi)孔沉箱、波浪和可滲基床的相互作用，著力研究“可滲明基床 開(kāi)孔沉箱”這一復(fù)雜復(fù)合結(jié)構(gòu)的消浪機(jī)理。本項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了理論分析、物模試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法整合，綜合考慮相對(duì)基床高度、消浪室相對(duì)寬度、相對(duì)水深、波陡和開(kāi)孔率等諸多主要影響因素，給出了明基床上開(kāi)孔沉箱波浪反射系數(shù)、波浪力和穩(wěn)定性研究的系統(tǒng)成果。研究?jī)?nèi)容分作物模試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩部分，物模試驗(yàn)部分：為深入探討基床高度對(duì)波浪反射系數(shù)、開(kāi)孔沉箱波浪力的影響規(guī)律，在全部完成《申請(qǐng)書(shū)》中擬定的0.10m、0.15m兩種基床高度物模試驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加并完成了0.20m基床高度的相應(yīng)試驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而采用多元回歸和支持向量回歸機(jī)（SVR）兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，給出了明基床上開(kāi)孔沉箱波浪反射系數(shù)、波浪力和穩(wěn)定性分析的計(jì)算關(guān)系式；數(shù)值模擬部分：尋兩種途徑建立波浪與開(kāi)孔沉箱作用的數(shù)學(xué)模型，目前已完成暗基床規(guī)則波和不規(guī)則波作用下開(kāi)孔沉箱反射率的數(shù)模計(jì)算和明基床規(guī)則波作用下開(kāi)孔沉箱反射率、波浪力的數(shù)值模擬，且數(shù)模成果和物模成果吻合良好。 本課題的研究成果既豐富了開(kāi)孔沉箱結(jié)構(gòu)的研究范疇，又具有較為突出的實(shí)際工程應(yīng)用意義。由于課題研究給出了明基床上開(kāi)孔沉箱波浪反射系數(shù)、波浪力和穩(wěn)定性分析的系統(tǒng)成果，便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，也為現(xiàn)行《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的后續(xù)修訂，提供了可靠的技術(shù)儲(chǔ)備。 2100433B

開(kāi)孔沉箱作為一種新的海工結(jié)構(gòu)型式，已在工程中得到大量應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)可顯著降低結(jié)構(gòu)物的波浪反射和波浪力，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效益。申請(qǐng)人及主要合作者曾對(duì)暗基床上開(kāi)孔沉箱進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要研究成果開(kāi)孔沉箱結(jié)構(gòu)波浪力計(jì)算方法的研究及應(yīng)用獲2007年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。鑒于明基床是實(shí)際工程中更為常用（特別是對(duì)深水堤）的沉箱基礎(chǔ)型式，而目前明基床上開(kāi)孔沉箱的研究成果尚鮮見(jiàn)報(bào)道，作為申請(qǐng)者前期研究的深入和拓展，籍助物模試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段，探討明基床條件下各種因素對(duì)波態(tài)和波浪力的影響規(guī)律。包括：(1)建立計(jì)算波浪與明基床上開(kāi)孔沉箱相互作用的耦合數(shù)值模式，提出具有較大應(yīng)用范圍的計(jì)算明基床上開(kāi)孔沉箱波況和波浪力的數(shù)值方法。（2）以數(shù)模為基礎(chǔ),并結(jié)合物模試驗(yàn)，分析提出可供實(shí)際工程應(yīng)用的簡(jiǎn)便計(jì)算公式；研究成果（物模試驗(yàn)和數(shù)模計(jì)算）將對(duì)開(kāi)孔沉箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用具有重要意義

采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)波浪環(huán)境中筏式俘獲波浪能消減波浪裝置的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究?；谖闪骼碚?、非線(xiàn)性浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)理論和流體-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用理論，建立流體-多結(jié)構(gòu)體-阻尼系統(tǒng)耦合的數(shù)學(xué)模型，揭示在復(fù)雜波流條件下筏式俘能消波裝置的運(yùn)行特性；研究波浪、波浪能俘獲器和阻尼系統(tǒng)相互作用的機(jī)理，探索波浪要素、水流要素、阻尼特性和裝置物理和幾何特性對(duì)裝置消能率、波浪透射率的影響規(guī)律；提出筏式俘能消波裝置系統(tǒng)的優(yōu)化理論，優(yōu)化俘能消波裝置；研究小比尺波浪能消能裝置的工作性能，進(jìn)一步揭示提高消能效率、降低波浪透射率和次聲波的途徑和方法。通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真和小比例實(shí)海況試驗(yàn)等手段解決筏式俘能消波裝置的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提高俘能消能效率和降低次聲波，具有重要的科學(xué)意義和巨大的應(yīng)用價(jià)值。

除海洋、湖泊、江河等水面上由風(fēng)引起的表面重力波外，還有其他眾多擾動(dòng)產(chǎn)生表面波，如泄洪消能中水流經(jīng)溢洪道所產(chǎn)生的挑流，挑流水舌砸進(jìn)消力池后形成了蘊(yùn)含較大能量的波浪，這些波浪會(huì)對(duì)人們的正常生產(chǎn)活動(dòng)乃至生命安全造成影響，波浪所產(chǎn)生的次聲波還會(huì)對(duì)人們的正常生活活動(dòng)造成不利的影響。因此人們迫切想要消除這種引起各種危害的波浪。本項(xiàng)研究旨在研發(fā)出一種簡(jiǎn)單有效消除波浪的裝置，具有特別重要的意義。 本項(xiàng)研究基于紊流理論、非線(xiàn)性多浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)理論，建立流體-多結(jié)構(gòu)體-阻尼系統(tǒng)耦合的數(shù)學(xué)模型；探索波要素、俘能器物理幾何特性和阻尼系統(tǒng)參數(shù)對(duì)裝置的波浪透射率和消能效率的影響規(guī)律；結(jié)合流體-多結(jié)構(gòu)體-阻尼系統(tǒng)耦合的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化筏式俘能消波裝置系統(tǒng)；在波流水槽中對(duì)該裝置樣機(jī)進(jìn)行物理試驗(yàn)，進(jìn)一步揭示提高俘能和消波效率的途徑和方法。 通過(guò)研究，提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉸接浮體式俘能消波裝置；構(gòu)建了波流環(huán)境中非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)浮體、粘性流體、動(dòng)力耗散系統(tǒng)和約束系統(tǒng)耦合的數(shù)學(xué)模型；采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)更新數(shù)值模型中鉸接雙浮體位置和流體網(wǎng)格，在流體-結(jié)構(gòu)-動(dòng)力耗散系統(tǒng)-約束系統(tǒng)復(fù)雜相互作用中實(shí)現(xiàn)了流體與結(jié)構(gòu)間的全耦合；揭示了波浪透射率隨阻尼系數(shù)變化主要是受動(dòng)力耗散率隨著阻尼系數(shù)變化的影響，且動(dòng)力耗散率和波浪透射率隨阻尼系數(shù)的變化規(guī)律相反；首次對(duì)不同長(zhǎng)度雙浮體裝置進(jìn)行了物理試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)總長(zhǎng)相等，前后浮體長(zhǎng)度比相反的裝置的波浪能耗散率差異明顯；通過(guò)數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)，驗(yàn)證了鉸接浮體式俘能消波裝置的波浪能耗散和波浪消減的技術(shù)可行性；首次對(duì)比了實(shí)心和空心雙浮體裝置的消波機(jī)制，揭示了二者在波浪反射、透射、耗散以及動(dòng)力耗散方面的差異；比較了粘性流體和無(wú)粘流體下雙浮體裝置的性能。

根據(jù)沉箱預(yù)制和運(yùn)移下水情況的不同，沉箱的出運(yùn)工藝主要可歸納為以下幾種。

沉箱斜坡滑道出運(yùn)沉箱

滑道式預(yù)制沉箱，有橫、縱移式和縱移式，在平臺(tái)上預(yù)制沉箱后，用千斤頂頂起沉箱，將墊車(chē)（或臺(tái)車(chē)）置于其下，就位后放松千斤頂，將沉箱放落到墊車(chē)上，然后用絞車(chē)將墊車(chē)沿橫移軌道拖移至下水滑道的臺(tái)車(chē)上，用絞車(chē)?yán)|索控制下滑速度，利用滑道的坡度使沉箱直接下水。橫、縱移式的平臺(tái)設(shè)在滑道的一側(cè)或兩側(cè)，沉箱可預(yù)制一個(gè)出運(yùn)一個(gè)，平臺(tái)能及時(shí)周轉(zhuǎn)；沉箱出運(yùn)時(shí)，要先橫移，而后縱移下水，除配縱移車(chē)外尚需配橫移車(chē)，設(shè)備費(fèi)用高?？v移式的平臺(tái)設(shè)在滑道的縱軸線(xiàn)上，沉箱要成批預(yù)制和運(yùn)出，平臺(tái)不能及時(shí)周轉(zhuǎn)，沉箱出運(yùn)時(shí)不經(jīng)橫移直接下水，只需配縱移車(chē)，設(shè)備費(fèi)用低。

沉箱氣囊出運(yùn)沉箱

氣囊出運(yùn)沉箱的工作原理與滾筒搬運(yùn)重物的原理相似，是在沉箱的下面放置可充氣的圓形膠囊，通過(guò)充氣加壓頂升沉箱，再在需移動(dòng)的方向上施加牽引力，使氣囊產(chǎn)生滾動(dòng)，從而達(dá)到搬運(yùn)沉箱的目的。由于氣囊在沉箱的壓力下會(huì)產(chǎn)生較大變形，增大了與地面的接觸面積，使單位面積地面的壓力減少，且分布較均勻，所以對(duì)場(chǎng)地的適應(yīng)性強(qiáng)。在臺(tái)座上預(yù)制沉箱后，將頂升氣囊塞入沉箱底部的地溝內(nèi)，然后充氣頂升沉箱，頂升完成后通過(guò)墊木支墊，置入若干圓柱形行走氣囊，膠囊充氣后將沉箱頂升、坐落于行走氣囊上，然后利用卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引力使氣囊滾動(dòng)帶動(dòng)沉箱移動(dòng)，通過(guò)搭岸浮船雞下水。

沉箱臺(tái)車(chē)出運(yùn)沉箱

在臺(tái)座上預(yù)制沉箱后，將液壓千斤頂或頂升氣囊置入沉箱底部的地溝內(nèi)，然后開(kāi)動(dòng)加壓油栗頂升沉箱。沉箱頂升完成后移入臺(tái)車(chē)，將沉箱坐落于臺(tái)車(chē)上，用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引臺(tái)車(chē)沿軌道移動(dòng)，帶動(dòng)沉箱移動(dòng)至岸邊浮船瑪上下水。

沉箱滑板出運(yùn)沉箱

在臺(tái)座上預(yù)制沉箱后，采用氣囊或千斤頂頂升沉箱，墊木支墊，下放地溝蓋板。沉箱兩側(cè)布置預(yù)制混凝土限位塊，將已涂抹鞋脂油的四氟板拉入沉箱底部，將沉箱坐落于板上，然后用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引沉箱平移。其他還有根據(jù)預(yù)制場(chǎng)地小的特點(diǎn)，利用氣囊平移、起重船吊運(yùn)下水；根據(jù)沉箱較小的特點(diǎn)，乘潮進(jìn)行預(yù)制，再利用浮箱或起重船進(jìn)行助浮等沉箱出運(yùn)工藝。