防波堤设计问题

浮式防波堤设计应考虑的问题引言：以下讲述的海洋波浪的知识对于“浮式防波堤”的设计具有重大意义。考虑到文中专业性较强，故对于大多数设计者而言，我只做尽量通俗的讲解，不做推导。

1. 浮式防波堤的建造必须考虑存在的巨大风险

在海洋工程中，防波堤在海港的各类水工建筑物中有其特殊地位。它们直接承受巨大的波浪力的作用，大多位于水深浪大之处。相比之下难以建造，造价偏高，占港口工程总投资的很大部分。

浮式防波堤的设计与建造存在的风险巨大的原因是：

1.1 设计标准如何选择？

防波堤是用来保护港内船舶及其它海洋工程的，首先要保护自己。设计波高如何选择，是个大问题。选小了，如按“常规”的风浪气象条件，设定设计波高，例如，取波高H1/3=7.5m（或8m），对应为8.3级大风（对应海面风速22.0m/s），这正是许多船舶应当回港避风的风级。这种设定显然是不够的。如果按罗源县（1983-2003年）实测统计的最大强台风风速为40m/s（1966年9月3日），对应为13级风力，此时在深海里产生的波高（H1/3）约为18m左右，在浅海一定范围有可能更大（下文说明）。从近几年台湾海峡的风级发展趋势看，恶劣气候是越来越频繁，风力越来越大。今年的“苏迪罗”台风，在福州市内已达到13级，海面至少为14级，浪高可达到20m以上。这种风级对于水深为30m左右的浅海而言，大风伴随大浪，再加暴潮，

具有很大的破坏性。对于这样的“异常”天气（从现在来看，这样的天气已非“异常”，有可能成为“常态”），采用浮式防波堤是否可行，就必须认真考虑。

1.2 如何选址？

在海洋中，尤其是超过12级的特大风暴来临时，即使在同一海域，由于各类波浪的相互干扰，完全有可能在局部地方浪高出奇的大，如果在此设置防波堤，必然会遭遇“灭顶之灾”。

1.3 浮式防波堤存在先天性的缺陷

浮式防波堤是“受约束的运动浮体”，与固定式防波堤不同的是，存在先天性缺陷。表现为：如果“浮涵”排水量不够大（相对于设计波而言），则对波浪过于敏感，就像一叶小舟，随波逐流，不能起到“消波”的作用；但如果排水量比较大，则在特大风暴条件下，“浮涵”波动产生的惯性力（包括附连水质量）很大，很容易造成锚泊及连接件，甚至“浮涵”主体的损坏，将会引起巨大的灾难。

在浪高H1/3特别大（例如达到20m以上），且波长处于“不利”范围，例如λ≈L（船长），将会对船体结构本身及“浮涵”的连接装置造成严重的破坏。以现在所选的“浮涵”（趸船）为例，长100m，宽16m，型深 4.3m，假定吃水为3m，则其在海水中的排水量约为1.025 100 16 3=4920吨，又假设波浪的周期是9秒（常见），试想如果某特大台风持续5个小时，一个近5000吨的物体，在9秒的时间内从波峰运动到波谷，然后再从波谷又运动到波峰。反复运动5小時（2000次），不仅船体结构本身很难承受（尤其对于承受拉应力

能力较弱的水泥结构），而且堤头链及两“浮涵”之间的连接装置，及作为系泊的钢索或钢链也不能承受。在这些环节中，任何一处破坏都必将产生灾难性的后果。朱元康的“防波堤”在不太大的风浪时会不起作用，在较大的风浪时会失败；而我们的“防波堤”，只是抗风等级高一些而已，与此并没有本质的区别，很可能会重蹈覆辙。

以上说明，在选择基本方案前一定要把当地的海浪情况弄清楚，准确的资料要在手里，且不可盲目行事。否则，一旦建好，有可能平时平安无事，一个特大台风就会全军覆没。这对于重要的海洋工程是非常重要的。

1.4 “浮式防波堤”课题是当今的世界性难题

应当指出：“浮动式海洋建筑物在波浪中运动的估算”（注意：只是“估算”）的课题，到现在为止，仍然是世界难题，不仅没有完全攻克，而且离准确计算还有很大距离。浮动式海洋建筑的特点，一般大都在海洋的某个特定位置上系泊，它很容易受到波浪、风（其中含有大量的水气）、流等环境外力的袭击。准确地把握海洋建筑物在波浪中的摇荡，无论是为满足使用目的的性能设计（例如对“客船”而言的耐波性设计），还是为确保工程本身安全的结构强度设计（例如对我们的浮式防波堤），都是极为重要的。特别是作为浮动式海洋结构物“浮式防波堤”，在异常海况下，不能像船舶那样容易躲开风、浪的袭击。

（1）“浮式防波堤”问题的困难首先在于外力的确定，包括风、浪、流等。正由于这些外在环境因素带有随机的特征，因而必须掌握

所选海区的统计资料，尤其是极端异常天气的资料。同时，海底的地形、地质、周围小岛的地形地质情况也要掌握。这些原始资料的准确性对确定项目的“可行”或“不可行”，具有决定性的意义。

（2）其次的困难在于目前理论研究的水平。就理论而言，目前尚处于“百家争鸣”阶段，不同学者采用不同的方法。各有不同的结果，尚不能分出高下。其原因仍然在于问题本身的复杂性；从试验范围而言，整个浮体在浅海区波浪中的试验，目前尚无完整的实例。目前考虑浅水影响的浮体在波浪上运动的估算方法，还处在发展阶段（也像“摸着石头过河”），因此我们提出的这个试验项目，很可能不仅在国内而且在世界上是第一实例。正因为本课题处于世界科学发展的前沿，所以才带有更大的风险性。这也是“浮式防波堤”在港湾设计中应用很少的原因之一。但是也带有极大的挑战性。如果成功，将是对人类“海洋工程”科学的重大贡献。

因此，即使“浮式防波堤”本身符合消波的原理，在技术上“可行”，但完全有可能在特定气候和特定的海域条件下变为“不可行”。因此，我殷切希望许总能用辩证的观点对待这一事物，不骄不躁，认真进行科学、理性的分析，才能防止灾难性的后果发生。

2. 关于海洋波浪的基本知识

下面我非常概括而且尽量通俗地介绍几点与本课题有关的海洋波浪的常识，供大家参考。

2.1 水波的“色散效应”。

在实际海面上，由于风的存在，永远存在波浪，真正的“平静如镜”是没有的。由于水波是重力产生的，故又称为重力波。水波有一个重要特性是“色散效应”(借用光学的“色散”一词)。当风暴在海面某处发生时，产生的波动可视为是含有各种波高（H ）、各种周期（T ）、不同方向、各种波长(λ)的波组成，并以不同的速度(c)传播，H 、T 、λ、c 及方向角θ等，称为波浪的“要素”。每一种波均可视为组成波浪的一个成分波(一般用正弦或余弦曲线表示，又称为“规则波”)。因此，我们所见到的实际波浪可视为是各种成分波的组合。由于色散作用，凡是波高较大、波长较长，即含有能量较大的成分波，将以较快的速度向远方传播，而短周期的波会很快消失。对波高H 远小于波长λ，如H/λ等于或小于1/50，则称为微幅波或微波，可以用线性理论很精确地预测波浪的动力特性。涌浪是最经常观察到的波。所谓“无风三尺浪”实指涌浪，它实际是远方传到无风区的长波。

线性波的波面高度、周期可表示为下式：

η＝

2

H cos(kx －ωt) T=2π[2/1]h 2th g 2）λ

π（λπ 式中：H 为波高，k ＝λπ2称为波数（在2π米的长度上波的个数）， kx －ωt 称为波的相位角或相位。

f — 频率 1／s ，ω — 圆频率，ω＝2πf

波长λ（或以Lo 表示）可写为下式：

λ＝）λ

π（πh 2th 2g 2T T — 波浪周期（s ） 对线性波而言，波的传播速度称为相速度，以c 表示：