[发明专利]一种防共振防波堤设计方法

说明书

本发明公开了一种防共振防波堤设计方法，包括：确定直立墙式结构的布置轴线；获取计算域的输入参数；通过有限元八节点等参单元法对计算域进行离散；通过准‑Helmholtz方程波浪模型进行波浪场模拟，确定计算域频域变化下的反射波浪场；根据光栅方程，确定直立墙式结构正弦曲面的设计参数波数K与振幅A。通过FAT理论解拉普拉斯方程，并带入边界条件，推导出水深不变下包含波浪非线性的准‑Helmholtz方程，利用有限元法计算港池波浪场，将光栅原理与准‑Helmholtz方程波浪理论结合，设计防波堤直立墙断面结构形式，确定直立墙曲面尺寸，以衰减波浪传播过程和消散波浪传播，从而减少入射波传播至港池引发港湾共振。

技术领域

本发明涉及海岸工程技术领域，更具体的说是涉及一种防共振防波堤设计方法。

背景技术

港湾振荡一直是海岸工程中受到极大关注的研究方向。港口是一个活动人员众多、生产和运输活动强度大的区域，港湾内通常停泊着许多大型船舶。港湾振荡轻则影响港口的装卸作业和正常运行，重则会对生命造成极大的威胁。而且港湾振荡现象在世界范围内广泛存在。

港口共振是发生在封闭或半封闭水域的一种水波振荡现象。在海湾观测到的潮汐过程线中叠加了的小周期波动(也称为假潮)、港内水域的振荡，以及湖面受大气扰动后形成长时间的波动等现象，都是港湾振荡的体现。港湾振荡本是一种正常的水波振荡现象，但是当入射波与港池周期一样或非常接近时会引发共振，产生空间尺度相当可观的振荡幅度和周期性流场，最大振幅甚至可达到入射波高的数倍至数十倍。特别当振荡频率与船舶响应频率相近时，会导致船舶与岸壁的猛烈撞击，破坏力极强，严重时会影响港内水域平衡，危害港池内部船舶的安全作业和停靠，甚至导致船舶缆绳断裂，破坏码头结构。而且当港湾发生振荡后，一般需要很长时间才能彻底消散。

关于港口共振的研究，近些年也一直在稳步发展，投入到这一领域中的学者越来越多。但是我国在此领域内的研究还处于初期阶段，不仅从事相关研究的专家少，而且手段相对单一。仅仅是通过采集实际港口的波浪资料，数据分析是否有港湾振荡现象的存在，并且在港口建设中也很少将港湾振荡考虑进去。只有真正弄清楚港湾振荡的产生机制，影响因素及其特点等才能从根源上解决问题。

关于减弱港湾共振的三种思路，包括港池分割、打断或新增防波堤、增加消能边界设施等。第一种是改变港池形状，使得共振频率偏移，不与当地波况和船舶响应频率匹配。第二种是采取减弱长周期波动的措施，很难快速地消减长周期波动，只是在后期通过延长或者增加防波堤试图阻止能量进入港口，但实际上口门宽度变窄了之后，港内的能量也不易被排出，使得港内的能量越积越多。但同时，延长或者增加防波堤也不利于船舶进出港口的航行，影响港口的作业效率。第三种为前两种的结合，改变港池形状使共振峰平移到高频区域，再采取对高频区域更为有效的消除长周期振荡的措施。增加消能边界设置为在港口建成后的消能补足措施，实际上消能设施安装难度大，所受波浪力集中时容易损坏。

因此，提供一种防共振防波堤的设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种防共振防波堤设计方法，通过FAT理论解拉普拉斯方程，并带入边界条件，推导出水深不变下包含波浪非线性的准-Helmholtz方程，利用有限元法计算港池波浪场。规则波波峰线与等深线夹角的变化，与光波折射相似，也服从光栅原理，将光栅原理与准-Helmholtz方程波浪理论结合，设计防波堤直立墙断面结构形式，确定直立墙曲面尺寸，以衰减波浪传播过程和消散波浪传播，从而减少入射波传播至港池引发港湾共振。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防共振防波堤设计方法，包括以下步骤：

S1、确定直立墙式结构的布置轴线；

S2、获取计算域的输入参数；

S3、通过有限元八节点等参单元法对计算域进行离散；