本發(fā)明涉及一種新型浮式防波堤及其物理模型試驗裝置，具體涉及一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)及其物理模型試驗裝置。

背景技術(shù)：

在海岸、近海工程領(lǐng)域，防波堤作為一種擋浪消波的海岸建筑物得以廣泛應(yīng)用。在防波堤工作過程中，主要通過波浪與防波堤結(jié)構(gòu)單元相互作用，從而削減波浪作用效果，降低波浪透射系數(shù)，掩護后方港池等特定水域。在目前的實際工程中，傳統(tǒng)斜坡式防波堤和直立式防波堤由于自身的一些不足已越來越難以滿足深水海域防波堤建設(shè)的需要，而與之相對的，新型的浮式防波堤不僅可以消減波浪作用效果,而且具有造價低、結(jié)構(gòu)簡單、不破壞水域生態(tài)環(huán)境、適宜軟土海床水域、修建迅速、拆遷容易等特點，以上特點使得浮式防波堤在深海區(qū)域中得以廣泛應(yīng)用。

浮箱式浮防波堤作為主要的浮式防波堤結(jié)構(gòu)型式，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強、易于維護等特點，其中防波堤單元通過依靠浮箱體中設(shè)置中空區(qū)域為浮箱提供浮力，另為達到吃水要求，還需在中空區(qū)域下方設(shè)置一定質(zhì)量的壓載層用以維持浮箱整體的穩(wěn)定。在實際應(yīng)用中浮箱斷面往往較大，導致存在著建設(shè)材料成本較高的問題。

而在浮式結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，早已有采用壓縮空氣構(gòu)建的封閉氣室為浮體結(jié)構(gòu)提供浮力支持的先例，已投入工業(yè)化使用的就有氣墊船、浮式平臺等結(jié)構(gòu)，但在海岸工程領(lǐng)域，少有關(guān)注采用壓縮空氣構(gòu)成封閉氣室與大氣壓強差作為浮式防波堤提供主要浮力支持的技術(shù)方案。因此，有必要探索設(shè)計上述提及的利用壓強差為浮式防波堤提供主要浮力支持的技術(shù)方案，在確保防波堤原有擋浪消波功能的基礎(chǔ)上，提高浮式防波堤整體穩(wěn)定性，減小浮式防波堤斷面尺寸，降低工程造價。

在浮式防波堤物理模型試驗領(lǐng)域，同樣缺乏對氣浮式防波堤的研究技術(shù)方案和試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計，現(xiàn)有的模型試驗技術(shù)方案往往存在模型本身靈活調(diào)節(jié)性較低、試驗過程中人力成本較高、部分現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)記錄準確率較低等問題，因此在探索設(shè)計利用新型浮式防波堤技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，也應(yīng)對氣浮式防波堤物理模型試驗裝置進行探索設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種新型氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)，其浮體呈倒凹字形，利用浮體內(nèi)部與水體接觸的長方體空間中空氣壓縮至指定壓強形成封閉氣室，依靠封閉氣室內(nèi)壓強與大氣壓強之間的壓力差使封閉氣室內(nèi)氣體對浮體產(chǎn)生向上的作用力，從而對防波堤結(jié)構(gòu)單元起到主要的浮力支撐作用；浮體兩側(cè)設(shè)置有錨鏈，所述浮體通過錨鏈連接至布置于海底的沉塊。本設(shè)計可顯著降低浮體斷面尺寸從而降低防波堤結(jié)構(gòu)材料成本，即從降低工程成本的角度出發(fā)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式，提出利用氣室內(nèi)壓強與大氣壓強之間的壓力差對浮體產(chǎn)生向上的作用力的原理為防波堤浮體結(jié)構(gòu)提供主要浮力支持且適用于較深海域的新型浮式防波堤結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還依據(jù)相同的原理，提供了一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置。本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置，采用波浪模型試驗原則進行設(shè)計，為氣浮式防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗的簡潔、高效、精準進行提供了技術(shù)設(shè)計方案。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)，由浮體、氣流通道、閥門、錨鏈和沉塊構(gòu)成。所述浮體為倒凹字形，為防波堤單元的結(jié)構(gòu)主體，浮體上部設(shè)置有氣流通道，氣流通道由閥門封閉，浮體下部兩側(cè)均安裝有錨鏈；所述錨鏈上部連接至浮體，下部連接至沉塊；所述沉塊安放布置于海床中。

進一步地，所述浮體為倒凹字形，水平安放在水面上，倒凹字形浮體與水面間形成封閉氣室；進一步地，所述氣流通道位于倒凹字形浮體上部，氣流通道由閥門封閉，將氣室與外界限制性連通；所述氣流通道通過閥門與外界大氣連通，在閥門封閉時不允許浮體內(nèi)部封閉氣室與外界發(fā)生氣體交換，且可保持封閉氣室密閉性良好，閥門封閉時需調(diào)節(jié)浮體吃水時，可通過外接氣泵對封閉氣室進行充放氣以達到安裝布置要求。

所述氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的受力原理如下：pw為封閉氣室與外界的壓強差值，封閉氣室水平斷面面積為a，浮體重量為g，浮體自身所受浮力為s，則氣浮式防波堤浮體受力滿足：

受力平衡g＝s+pwa

其它未說明部分采用已有浮式防波堤設(shè)計施工技術(shù)予以解決。

一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置，在與實體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有相同的浮體、氣流通道、閥門、錨鏈的基礎(chǔ)上，還包含有氣泵、氣壓傳感器、導線、電動絞纜機和控制箱等部件。所述浮體為倒凹字形，四周留有系泊錨鏈的系泊點，浮體內(nèi)部凹形區(qū)域處設(shè)置有用于測量氣壓的氣壓傳感器；浮體上部設(shè)置有氣流通道，氣流通道內(nèi)橫向并列設(shè)置有閥門和氣泵，浮體下部兩側(cè)均安裝有錨鏈；所述錨鏈上部連接至浮體，下部連接至電動絞纜機，所述電動絞纜機牢固安放在試驗水槽中。所述氣壓傳感器和氣泵均通過導線連接至控制箱。

進一步的，所述控制箱安放于試驗水槽外側(cè)，通過導線與氣壓傳感器和氣泵連接。進一步的，所述氣泵位于氣流通道內(nèi)，通過導線與控制箱相連，接收控制箱指令從而進行抽、排氣工作，在不工作時保持氣密性良好。所述氣壓傳感器位于氣流通道一側(cè)，用于實時測量封閉氣室內(nèi)的壓強值，通過導線與控制箱連接，將測量值實時反饋至控制箱。

進一步的，試驗中采用不銹鋼鏈作為錨鏈，錨鏈下部直接與電動絞纜機相連；所述電動絞纜機用于根據(jù)試驗需求調(diào)節(jié)錨鏈長度，在每次試驗開始前可根據(jù)浮體吃水情況啟動電動絞纜機調(diào)節(jié)錨鏈長度至所需定長并予以鎖死固定，使試驗過程中錨鏈長度保持恒定。從而滿足不同組次試驗中對不同錨鏈長度的需求。

本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置操作流程如下：

1.設(shè)備安裝過程：

將電動絞纜機安放于指定位置，將防波堤模型平穩(wěn)放置并連接錨鏈，將氣壓傳感器和氣泵的外接導線連接至控制箱。

2.試驗調(diào)節(jié)過程：

將試驗用波浪水槽放水至特定水位，將浮體放置于水槽中，待浮體浸入一定水深后封閉閥門。啟動電動絞纜機調(diào)節(jié)錨鏈長度直至錨鏈長度滿足該水位下試驗要求，并予以鎖死固定，試驗過程中錨鏈長度保持恒定。

3.工作過程：

通過氣泵充、放氣來調(diào)整浮體吃水深度至設(shè)計值，即可開始試驗，試驗過程中水槽水深、浮體吃水恒定，試驗中實現(xiàn)浮體與波浪相互作用過程并完成相關(guān)參數(shù)和物理量的測量。當工況需改變時，水位改變可通過重復過程2實現(xiàn)水槽中水深的變化調(diào)節(jié)，另需再次啟動電動絞纜機調(diào)節(jié)錨鏈長度至特定長度以繼續(xù)試驗；浮體吃水的變化調(diào)節(jié)需通過氣泵對封閉氣室里加氣、放氣進而改變浮體吃水深度。以上即可實現(xiàn)多工況下浮體與波浪相互作用過程并完成相關(guān)參數(shù)的測量。

4.試驗結(jié)束：待試驗結(jié)束后，斷開控制，依次拆下各構(gòu)件，試驗結(jié)束。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)，采用倒凹形結(jié)構(gòu)體設(shè)計，利用封閉氣室與外界的壓強差與浮體所受浮力共同作為浮體的浮力支撐，其中封閉氣室與外界的壓強差值pw為主要浮力支持，本方案與傳統(tǒng)浮箱式防波堤相比可顯著減少斷面材料用量；另采用倒凹字形結(jié)構(gòu)作為防波堤主體結(jié)構(gòu)，在相同材料用量的前提下省去傳統(tǒng)浮式防波堤所需的壓載層設(shè)置，簡化防波堤結(jié)構(gòu)單元的制造過程。通過采用封閉氣室設(shè)計可顯著降低浮式防波堤單元的材料成本。

2、本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)，在投入使用時可直接浮吊至預(yù)定區(qū)域，待浮體浸入水深到達指定深度時封閉閥門形成封閉氣室，可通過外接氣泵充、放氣來調(diào)整吃水深度至設(shè)計值，適用于不同工況下尤其是需臨時改變防波堤安放位置的浮式防波堤工程。通過采用可控閥門設(shè)計極大地提高了防波堤結(jié)構(gòu)的適用工況和適用范圍。另防波堤需更換位置安放布置時，因本設(shè)計浮體質(zhì)量較傳統(tǒng)浮式結(jié)構(gòu)顯著降低，可打開閥門解除氣室封閉狀態(tài)，使氣室內(nèi)外空氣貫通，將殼體結(jié)構(gòu)直接吊起用以安放至預(yù)定位置，安放布置過程對吊裝機械要求低，安放施工難度小，施工成本低，經(jīng)濟性顯著。

3、本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置，通過設(shè)置電動絞纜機連接錨鏈，電動絞纜機可根據(jù)試驗需求調(diào)節(jié)錨鏈長度，在每次試驗開始前根據(jù)浮體吃水情況啟動電動絞纜機調(diào)節(jié)錨鏈長度至所需定長并予以鎖死固定，使試驗過程中錨鏈長度保持恒定。從而滿足不同組次試驗中對不同錨鏈長度的需求，本設(shè)計避免了試驗中涉及的繁瑣的錨鏈安裝及長度需調(diào)節(jié)時的錨鏈長度調(diào)節(jié)過程，試驗效率得以提升。

4、本發(fā)明的氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置，采用外接控制箱輸入輸出指令用以調(diào)節(jié)氣泵工作和獲取壓強值，避免了人工接觸干擾，簡化試驗操作，試驗自動化能力得到顯著提升，試驗過程更為高效，為試驗研究過程的順利推進提供了保障。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)選地利用封閉氣室與大氣壓強差作為浮體主要的浮力支撐，在同等情況下可顯著降低防波堤斷面尺寸從而降低工程成本，并可靈活轉(zhuǎn)移場地安裝利用。本發(fā)明提供的一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置，操作簡單、測量精準、自動化程度高，可顯著提高相應(yīng)的波浪模型試驗效率和精確性，為浮式防波堤模型試驗提供一種新的解決思路和解決方案。

附圖說明

圖1是一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置斷面示意圖。

圖3是一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗電動絞纜機示意圖。

1.浮體，2.氣流通道，3.錨鏈，4.沉塊，5.閥門，6.氣泵，7.導線，8.控制箱，9.氣壓傳感器，10.電動絞纜機

具體實施方式

下面對本發(fā)明的技術(shù)方案進行進一步說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施實例。

一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由浮體1、氣流通道2、閥門5、錨鏈3和沉塊4構(gòu)成。浮體1為防波堤結(jié)構(gòu)主體，浮體1上部設(shè)置有氣流通道2，氣流通道2中由閥門5封閉，浮體1下部兩側(cè)均安裝有錨鏈3；錨鏈3上部連接至浮體1，下部連接至沉塊4；沉塊4牢固安放布置于海床中。在投入使用時直接浮吊浮體1至預(yù)定海域，待錨鏈3、浮體1，沉塊4連接成整體后，浮體浸入水深到達指定深度時封閉閥門5形成封閉氣室，通過外接氣泵對封閉氣室充、放氣來調(diào)整浮體吃水深度至設(shè)計值，斷開外接氣泵連接使氣室封閉，防波堤結(jié)構(gòu)安放完畢投入使用。另防波堤需更換位置安放布置時，打開閥門5使封閉氣室與大氣連通，將浮體1直接吊起用以安放至新位置或回收。

一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物理模型試驗裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，斷面示意如圖2、3所示，由浮體1、氣流通道2、錨鏈3、氣泵6、氣壓傳感器9、導線7、電動絞纜機10和控制箱8組成。浮體1為倒凹字形，四周留有系泊錨鏈3的系泊點。氣泵6、氣壓傳感器9通過導線7與控制箱8連接。如圖3所示，錨鏈3上部連接至浮體，下部連接至電動絞纜機10。

一種氣浮式浮防波堤結(jié)構(gòu)的物模型試驗過程如下：

1.設(shè)備安裝過程：

將電動絞纜機安放于指定位置，將防波堤模型平穩(wěn)放置并連接錨鏈，將氣壓傳感器和氣泵的外接導線連接至控制箱。

2.試驗調(diào)節(jié)過程：

將試驗用波浪水槽放水至特定水位，將浮體放置于水槽中，待浮體浸入一定水深后封閉閥門。啟動電動絞纜機調(diào)節(jié)錨鏈長度直至錨鏈長度滿足該水位下試驗要求，并予以鎖死固定，試驗過程中錨鏈長度保持恒定。

3.工作過程：

通過氣泵充、放氣來調(diào)整浮體吃水深度至設(shè)計值，即可開始試驗，試驗過程中水槽水深、浮體吃水恒定，試驗中實現(xiàn)浮體與波浪相互作用過程并完成相關(guān)參數(shù)和物理量的測量。當工況需改變時，水位改變可通過重復過程2實現(xiàn)水槽中水深的變化調(diào)節(jié)，另需再次啟動電動絞纜機調(diào)節(jié)錨鏈長度至特定長度以繼續(xù)試驗；浮體吃水的變化調(diào)節(jié)需通過氣泵對封閉氣室里加氣、放氣進而改變浮體吃水深度。以上即可實現(xiàn)多工況下浮體與波浪相互作用過程并完成相關(guān)參數(shù)的測量。

4.試驗結(jié)束：待試驗結(jié)束后，斷開控制，依次拆下各構(gòu)件，試驗結(jié)束。