**章浮式防波堤研究综述
1.1浮式防波堤定义防波堤是一种常见的港口、海岸及近海工程结构物，主要用于防御外海传来波浪，维护掩护水域的平稳，保护其他港口工程建筑物、船只进出港口、停泊码头与装卸货物作业等结构物的安全［1］。此外，在沙质与淤泥质海域，防波堤还起到阻挡沿岸流形成的泥沙向港内流入、减轻港内淤积的作用［1］，因此，防波堤在港口、海岸等工程中具有特殊地位。防波堤结构通常可分为固定式与浮式。
固定式防波堤很早就受到各个国家重视，发展了多种不同类型的固定式防波堤，例如重力式、高桩式、开孔式等，但随着人类海洋活动的不断深入，对简便、有效、拆装方便的浮式防波堤的需求日益迫切，因此，近年来由钢筋、钢筋混凝土、废旧橡胶制品或塑料等材料建造的浮式水面主体结构与海底锚泊系统组成的浮式防波堤因其优势越来越受到人们的重视和认可。
浮式防波堤相比固定式防波堤具有如下优点［2，3］： ① 具有较好的水质交换能力，可避免所掩护水域发生水质污染；② 浅水至深水范围内，工程造价比固定式防波堤经济，浮式防波堤能较好地适应水深变化，造价不会随着水深增加而急剧增加，因此适合布置在一定水深范围海岸或者近海海域；③ 相比固定式防波堤能适用多种地质条件，如软土地质海域、珊瑚礁海域，可以避免破坏珊瑚礁，保护当地的海洋自然环境和自然渔业资源；④ 适用于需要远距离从大陆本土运送建造原材料的偏远岛礁海域，提升建造速度和效率；⑤ 浮式防波堤可利用船厂现有充足人力、物力、设备资源建造后运抵工程海域，因此具有建造速度快、结构可靠性高的特点。典型浮式防波堤构型如图1.1所示。
图1.1典型浮式防波堤构型示意图
浮式防波堤依据建造材料变形量可分为刚性浮式防波堤、柔性浮式防波堤以及由刚性和柔性材料组成的混合型浮式防波堤。刚性浮式防波堤在波浪作用下浮体不发生变形，主要有方箱型、浮筒型、栅栏型和浮筒栅栏型等［3］。浮筒型浮式防波堤包括双浮筒型浮式防波堤、多浮筒型浮式防波堤等。栅栏型浮式防波堤利用多排浮管、开孔等方式使结构具备波浪反射和波浪破碎的功能，因此波浪在沿防波堤结构传播过程中会发生破碎，*终达到消浪目的［4］。柔性浮式防波堤顾名思义其结构形态会随着波浪作用发生改变，例如床垫式防波堤，由活动铰连接成的多模块浮式防波堤，抑或是以渔具来消浪、减流柔性浮式防波堤等。在此基础上，也有学者［3］提出了一种融合了刚性材料和柔性材料的混合型浮式防波堤，典型构型形式如板网结构浮式防波堤、含消浪网双圆筒型浮式防波堤。
自20世纪以来，国内外学者提出了各种不同结构形式的浮式防波堤，但目前浮式防波堤还未达到广泛推广和应用阶段，主要原因如下：
（1） 当前浮式防波堤消浪性能不足以与固定式防波堤相提并论，特别是浮式防波堤存在消长周期波浪效果不够理想的问题。长周期工况下，透射率普遍较高，为了保证消浪效果必须要加大浮式防波堤的相对宽度，但堤宽与防波堤的系泊张力密切相关，因此也增加了系泊系统的设计难度和工程造价，特别是系泊系统的工程造价呈现几何指数的增加幅度。浮式防波堤需要锚固系统约束其运动响应，满足法国船级社（Bureau Veritas， BV）、中国船级社（China Classification Society， CCS）、美国船级社（American Bureau of Shipping， ABS）等船级社要求的锚链系统价格不菲，因此锚固系统成本会是决定浮式防波堤工程项目的关键因素。
（2） 浮式防波堤构型在工程应用过程中需要解决消浪性能、工程造价、耐腐蚀性、海上安装、后期维护等问题。一般情况下业主都缺少后期维护的能力和条件，因此在同等条件下，更多的工程项目采用了固定式防波堤方案。
（3） 浮式防波堤极端海况下的安全性问题。浮式防波堤由于主要依靠系泊系统固定于海底，系泊系统在极端海况下是失效的重要风险点，从而可能引发浮式防波堤移位、漂移等现象，因此与固定式防波堤相比，其安全裕度要小。
未来，随着防波堤应用需求海域的深水化以及浮式防波堤设计与建造技术的日益成熟，浮式防波堤的应用需求将会越来越迫切。浮式防波堤可适用于水深较深海域，同时所遮蔽和掩护海域水体仍具有较好的交换和流动，有利于减少对生态环境的破坏及泥沙的淤积，是对固定式防波堤的有益补充。
1.2浮式防波堤分类浮式防波堤主要功能是防御堤外传来的波浪，维护所掩护水域的平稳，以期保护其掩护水域内的浮式结构物，保证船只进出、停泊与装卸作业的安全，因此浮式防波堤一般利用某种或多种组合消浪方式消减波能从而达到消浪的目的。为了达到消浪的功能要求，现有浮式防波堤消浪方式上主要依靠波浪反射、波浪破碎、摩擦、涡旋、共振等方式实现消浪的目的。不同结构形式的浮式防波堤所利用的消浪机理也各不相同，主要分为波能反射型、摩擦或耗散型、反射兼耗散复合型以及其他类型等［5］。
1． 波能反射型
利用浮式防波堤迎浪断面迫使波浪反射从而降低堤后波浪能量，同时反射波浪与入射波产生的相位差一定程度上可消减入射波能量。典型波能反射型浮式防波堤结构形式有： 单浮体的方箱型浮式防波堤［6］、圆筒型浮式防波堤［7］以及双浮体浮式防波堤［8］。反射型浮式防波堤几何形状大多是方箱型或者圆筒型（图1.2），消浪性能主要取决于方箱的挡水面积和堤宽与波浪波长之比。在一定范围内，方箱的入水深度越大反射作用越强，透射波浪能量越小，堤后波浪波高越小［9］。此外，近年来也有学者在原有方箱型基础上，借鉴单柱式平台（Spar平台）垂荡板设计原理在方箱底部增加了水平或垂直板，增加浮体阻尼，降低垂向运动响应，进而提升了消浪性能（图1.3），试验数据表明上述改进措施有利于提升浮式防波堤性能［1013］。
图1.2典型反射型浮式防波堤构型
图1.3典型改进反射型浮式防波堤构型
2． 摩擦或耗散型
摩擦或耗散型防波堤主要在波浪沿浮式防波堤传播方向上利用水体的黏性效应使得水质点与浮式防波堤结构相互作用，损耗、摩擦波浪能量进而造成波浪破碎，从而达到消浪的目的。典型的结构形式，如筏式浮式防波堤，其结构尺寸在波浪传播方向上较长，吃水较小。根据材料和使用要求，具有单层筏式和双层筏式，但其厚度与长度相比是小量，其主要消浪机理是阻止波浪质点运动的垂直分量，使波浪质点运动转变成杂乱的紊流运动［14］。此类典型结构形式在20世纪60年代末至70年代初由英、美等国家提出，如混凝土十字箱、贮水尼龙袋、空心预应力混凝土梁构成漂浮平面与旧卡车轮胎连成一片等结构形式的浮式防波堤［15］。
基于国外发达的汽车工业，美国罗德岛大学的研究学者利用当地大量的废旧轮胎，设计了由多个废旧轿车轮胎组成的应用于外海溢油现场的浮式防波堤构型，图1.4为浮筏式轮胎浮式防波堤示意图。上述防波堤造价较为低廉，原材料来源充足，运输方便，可根据实际情况随意组合工程所需的断面形式。此构型曾在一次开阔海域的油轮搁浅引发的溢油事故中使用，提供临时海上工作环境。利用波浪反射、紊动耗能等原理，王环宇［9］提出了多孔浮式防波堤，其构型由多层多个菱形模块拼装而成，结构形式可以根据实际情况选择多种组合方式，试验结构表明其结构具备消浪效果较好、波浪载荷小的特点，结构形式如图1.5所示。
图1.4浮筏式轮胎浮式防波堤
图1.5多孔结构浮式防波堤
3． 反射兼耗散复合型
考虑到单*依靠一种消浪机理消浪其结果往往不能令人满意，因此出现了复合两种或者多种消浪机理的结构形式，例如板网型［15，16］、含柔性网双圆筒型（图1.6）［1721］。其主要在浮式防波堤构型上兼容并蓄了两种或者多种消浪机理于一身。根据线性波浪理论可知，水质点运动速度沿水深方向呈现指数衰减，因此自由液面以下三倍波高水深范围内的水质点集中了98%的波浪能量［15］。为了增加浮式防波堤消浪效率同时降低波浪载荷，在现有浮式防波堤水面构型的基础上增加水下消浪设施（如网衣）成为一种较好的选择。上述浮式防波堤结构形式在同样尺寸时比纯反射型和纯耗散型具备更好的消浪效果和能力，在一定程度上降低了堤后波高［1821］。
图1.6复合型浮式防波堤
4． 其他类型
如图1.7所示，除了上述三种结构形式外，Koo等［22］利用水质点升沉运动特点设计了一浮式防波堤结构，计算结果表明，当结构处于固定状态时，压缩气体的阻尼作用对波能削弱有明显作用。杨志文等［23］（图1.8）设计采用水舱的图1.7气室消浪浮堤
图1.8压载水式浮式防波堤
浮式防波堤构型，其防波堤结构形式内部充满一定量的水体，利用水体的惯性量增加防波堤结构自身的消浪性能，数据结果表明其具备比较好的消浪性能。
1.3浮式防波堤设计方法与规范研究现状
当前浮式防波堤的研究更多关注浮式防波堤构型形式，例如新型浮式防波堤构型的研发以及新构型消浪性能、运动响应、系泊张力评估等［2438］，对于浮式防波堤构型设计方法、堤长、堤宽、防波堤轴向布置方位等总布置方面的研究较少。然而对于加快浮式防波堤工程化进程，必须*先解决上述关键问题，目前尚缺少足够的研究成果和相应的设计规范。国外在这方面研究开展较早，20世纪90年代国际航运会议常设协会（Permanent International Association of Navigation Congresses， PIANC）第二届常设技术委员会组织工作组出版了浮式防波堤实用设计和建造指南［39］，给出了不同结构吃水比下不同相对堤宽方箱型浮式防波堤的透射规律以及锚链张力，提供了单元模块连接器方案并给出了简单参考案例。
近年来基于浮式防波堤的优良特点，发达国家在逐步推进浮式防波堤的工程建设，如图1.9所示，典型案例如新西兰普奥码头浮式防波堤工程项目、新西兰贝斯沃特码头、希腊梅索隆希浮式防波堤项目［39］。
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