梳式防波提研究综述

◎丁洁 王浩宇 王杰群 顾志芳 桂劲松 大连海洋大学 通讯作者：桂劲松

1.引言

防波堤是防御波浪入侵的重要水工建筑物。其能够保证港内具有良好的掩护条件，使船舶可以进行安全停泊、作业等工作。随着我国经济的不断发展，海岸资源开发饱和，港口建设越发需要向更深的水域发展，因此，防波堤结构的优化、功能的创新引起了高度的重视，对于新型的防波堤研究日益成为热点问题。

通过在中国知网上以关键词“梳式防波堤”进行检索，检索到期刊类论文25篇，硕博毕业论文4篇，国内会议论文4篇，外文文献2篇，主要是通过物理模型、数学模型等方法探究防波堤的结构等对防波堤透射与反射效果的影响等。本研究旨在梳理梳式防波堤近年来在结构和功能上的研究进展，指出其研究的不足之处，以期今后进行更深入的研究。

2.相关研究综述

梳式防波堤作为新型防波堤结构，其每个结构单元主要由：沉箱主体、沉箱两侧翼板、沉箱上部胸墙三部分组成。此结构最早在大连大窑湾得到应用，后在大连松木岛港区应用。共节省工程投资24.5%（6435万元），减小波浪力27%～38%。相比于传统沉箱具有更加良好的水力学特性。本文将沿着梳式防波堤的结构性能、水力学特性、翼板结构功能等方面对已有研究进行梳理。

2.1 梳式防波堤结构性能

梳式防波堤是以沉箱翼板代之适当比例的主体沉箱，使其拥有独特梳齿状结构。李玉成等对梳式防波堤基本构造进行分析，认为翼板与沉箱前后壁间相位差、翼板不接触海底而形成的透空使波浪力减小；翼板代替沉箱减小自重，降低基床所受应力。朱浩等总结了梳式防波堤的功能和掩护效果，得出波浪能集中在水体表层2～3倍波高的水深范围内，根据波浪力相位差原理分析了其消能、透流的特点，并且数值计算在结构减少自重的情况下仍满足抗倾抗滑稳定性要求，论证了结构掩护效果良好。朱大同率先提出提出梳状防波堤的消波和聚能机理，指出其主要依赖于前后壁相位差削减波浪反射系数与波浪力，通过数值计算得出其总波浪力折减系数可达30%。牛恩宗等总结大连港大窑湾的工程自然条件，并进行物理模型实验研究波要素对其影响，论证了施工的可行性，提出此结构的创新点，并论证该结构的掩护效果良好。

2.2 梳式防波堤水力学特性

梳式防波堤的水力学特性主要体现在波浪的反射、防波堤透浪特性、防波堤消浪性能等。已有研究大多通过物理模型试验进行直观研究，有些研究通过建立数学模型、利用计算机软件进行有限元分析等方法进行数值模拟，通过数据分析，总结出相关水力学要素对梳式防波堤作用的数学公式。李玉成等通过物理实验，给出了不同波浪情况下单宽波浪力折减系数的经验数值和波浪反射系数相关性方程。朱大同填补了理论解析公式的空白，用阻抗分析的方法推导出波浪反射系数近似计算公式，但需要再进一步检验与修正。房卓等采用物理模型的方法对不规则波作用下非透空式梳式防波堤表面压强分布规律以及工程危险水位进行了分析总结。房卓利用源函数造波方法建立三维数值波浪水槽，通过数值模拟分析波浪对梳式防波堤的相互作用并与物理实验结果进行对比验证并且通过数值模拟得到透浪系数的一组经验公式。朱洋立等使用ANSYS软件建立梳式防波堤的有限元模型，利用波浪谱产生随机波浪荷载作用于防波堤并分析其受力特点，相比于静力分析更加贴合工程实际，对其动力影响机制具有一定的启示，但计算机软件忽略了非线性影响因素，与实际有一定误差。赵军通过物理模型实验对比了在不同水深下梳式、扶壁式、开孔沉箱式三者的透射性能。王心玉等利用数值模拟的方法，计算得到梳式防波堤反射、透射系数并通过实例验证计算结果正确性，得出相对梳齿宽度、沉箱和翼板长度影响反射和透射系数。国内梳式防波堤结构新颖且实际工程应用较少，多数实验通过物理模型试验等方法进行研究，总结出影响其透射、反射的因素，并给出经验公式。但目前所总结的公式都为近似公式，尚未总结出通用性较强、精确性高的公式。

2.3 翼板结构功能

梳式防波堤作为国内首创的新型防波堤，其通过控制翼板与海底距离，可形成非透空或透空式梳式防波堤。翼板结构对反射、透射、透流等水力学性能起到关键性作用。王清湘等依托物理模型实验、有限元法分析翼板的静力学特性、在波浪力作用下的受力分布，并对其进行配筋，对工程设计提供了参考。李玉成等从结构作用机制总结翼板位置、宽度可减小结构所受波浪力，翼板位置与波长之比影响波浪反射系数；透空式形成透浪，减小总体波浪力。房卓等为减小非透空梳式防波堤翼板上部波浪压强进行结构改进设计，并得出采用工字体挡板结构可有效减小翼板上部最大压强和堤前波浪反射。房卓等通过数值计算得透射性能随翼板与前墙距离之比的增加呈抛物线变化，随翼板开口高度增加而线性增加。李世强等基于大连松木岛港区计算得梳式防波堤由于翼板作用，可减小墙前波浪力、墙后土压力，减小基床顶最大应力。王心玉等通过数学模型分析得反射、透射系数随翼板高度和长度的增大变化明显。

波浪能作为清洁能源，不少专家学者着手研究将波浪能装置与海岸水工建筑物相结合。范亚宁等总结国内外多功能型波浪能装置的结构类型并进行分类。彭伟等提出一种结合防波堤的振荡摇摆式波浪能装置，并通过物理模型实验验证其波浪能转化效率。由此设想可将梳式防波堤的翼板进行改设计为摇摆式，结合波浪能进行发电，此改进还有待进一步研究。

3.总结与展望

（1）梳式防波堤结构。梳式防波堤作为一种新型的直立堤，结构的改变使防波堤减小自重，降低基床所受应力；翼板与沉箱主体的相位差削减了波浪力，翼板距海底的距离可控，形成透流或非透流结构，透流结构可使堤前波浪从立波变为不完全立波，削减波浪力。但作为直立堤的一种，结构破坏后修复困难，在结构安全性等方面研究较少。

（2）梳式防波堤水力学特性。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实验、数值模拟等方法总结出经验公式，尚未总结出通用性较强、精确性高的公式。由于梳式防波堤是新型结构，其水力学性能与传统防波堤相差甚远，目前国内并未出台相关设计规范，计算理论需要进一步完善。

梳式防波堤翼板。翼板的研究主要集中于规则波、不规则波作用下自身受力分布并进行配筋计算以及分析翼板在梳式防波堤整体结构中的透浪、消能、反射等方面起到的作用。已有学者研究将波浪能装置与海岸水工建筑物相结合，翼板作为新结构与波浪能新能源的结合十分有意义，有待进一步深入研究。