一种宽度自适应的浮式双功能消波减流装置及其安装方法

本发明属于浮式防护装置领域，具体涉及一种宽度自适应的浮式双功能消波减流装置及其安装方法。

背景技术：

1、浮式防护装置具有受水深影响小、施工简单灵活、对地基要求小、不影响海洋生态、施工成本低和防护效果好等优点，因此在保护海上工程结构物的各种方案中具有明显竞争力。其由消能浮体和锚泊系统组成，且在浮式防波堤的功能基础上增加了消减遮蔽空间内流速的功能。截至目前，针对浮式消波装置（即浮式防波堤）的研究已经开展了数十年，传统浮箱式、浮筒式和浮筏式等浮式消波装置的消波性能（特别是消中-长周期波的性能）并不理想，为了提升浮式消波装置的消波性能，学者们主要从浮式消波装置的结构形式、数量和边界约束三个方面进行了优化设计，但仍然存在以下问题：一、浮式消波装置在波浪作用下主要做波频运动（尤其是在中-长周期波作用下），如沧海一粟般随波浪做同步运动（相对静止），装置不能有效反射波浪；二、已有浮式消波装置遮蔽空间小，不能有效阻挡水质点的运动，尤其在防护水质点沿椭圆轨道运动的浅水波时，增加装置遮蔽空间尤为关键；三、根据前人的研究可知，浮式消波装置的宽度至少为波长的三分之一才能获得较好的波衰减性能，但由于施工成本和建造难度对浮式消波装置宽度的限制，导致已有浮式消波装置对中长周期波的衰减效果尚不能满足工程需求；四、海洋环境复杂多变，不同海域或不同时间段的波浪周期存在较大范围的浮动，既浮式消波装置无法做到根据波浪周期自适应调节宽度；五、为了优化浮式消波装置的缆绳受力，通常会有意避免装置对流体的阻挡作用，即先前的浮式防护装置几乎不具备减流功能。

2、值得注意的是，在真实的海洋环境中，海上工程结构物或施工船舶往往受到复杂的波流耦合作用，而目前对浮式减流装置的研究仅在海洋水产养殖领域有所涉及——学者们在养殖网箱周围设置空网箱或其他网状减流装置，以避免洋流破坏养殖网箱、降低网箱内氧气含量、加重对养殖动物的压力。

3、现有浮式防护装置与实际需求还存在较大差距，主要有几下几点不足：

4、a. 消波机制单一：现有的浮式防护装置消减入射波主要依靠对入射波的反射和碰撞，较少结合其他消波机制耦合消波；

5、b. 消波局限性大：对短周期波的衰减效果尚可，但衰减长周期波的效果差，且不能根据不同海况自适应调节浮式防护装置宽度；

6、c. 动力响应过大：浮式防护装置通常如同无根之水一般随波做同步运动，这不仅不利于系泊缆绳的安全，也不利于对波浪的衰减；

7、d. 入水深度不足：波浪95%以上的能量聚集在水面下三倍波高范围以内，入水深度不足会导致大量波浪水质点轻易绕过浮式防护装置底部，同时会使装置不具备减流功能；

8、e. 减流特性较差：目前在设计浮式防护装置时，往往会刻意避免对流的阻挡以获得较好的缆力，这使得少有对浮式减流装置的研究，且这些研究还远不能满足实际工程需求。

9、真实的海洋环境通常同时存在波浪和洋流，且不同海域或不同时间段的波浪周期差异明显。因此，提出一种更适合在真实海洋环境（波浪和洋流同时存在）服役、能根据波浪周期自适应调节宽度、施工便捷、消能效率佳的浮式双功能消波减流防护装置意义重大。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，针对现有浮式防护装置存在的上述不足，提供一种宽度自适应的浮式双功能消波减流装置及其安装方法，该浮式双功能消波减流装置能根据波浪周期自适应调节宽度，可以在复杂海洋环境（波浪和洋流同时存在且波浪长度随时可能发生变化）下有效保护海上工程结构物或施工船舶。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

3、一种宽度自适应的浮式双功能消波减流装置，包括消能浮体、波浪监测浮标和锚泊系统；

4、所述消能浮体包括预制多孔钢帽、海洋浮体结构、伸缩控制模块和下部多孔钢结构，所述预制多孔钢帽由两片多孔箱形截面钢板通过合页轴承结构连接而成，所述两片多孔箱形截面钢板外侧均匀设置若干凸条，且两片多孔箱形截面钢板上开设有多个钢帽孔；所述伸缩控制模块至少包括第一伸缩控制单元，所述第一伸缩控制单元采用空箱截面钢结构，包括两组空腔相对较高的第一高钢腔结构和一组空腔相对较低的第一低钢腔结构，两组第一高钢腔结构的一端分别通过合页结构连接在所述预制多孔钢帽内部偏中下高度处的两侧多孔箱形截面钢板上，所述第一高钢腔结构内设置有第一无线信号处理器、第一波浪摩擦纳米发电机和第一伸缩控制电机，第一低钢腔结构的两端分别可活动的套设在两组第一高钢腔结构内；所述海洋浮体结构包括两组、分别固定在所述两组第一高钢腔结构下方；所述下部多孔钢结构刚性连接在所述第一低钢腔结构的正下方，所述下部多孔钢结构与第一低钢腔结构构成t型钢结构，所述下部多孔钢结构由刚性连接的两块多孔纵向腹板构成，两块多孔纵向腹板上均开设多个腹板孔；

5、所述波浪监测浮标通过锚链安装在距离浮式双功能消波减流装置20-40m范围内，测得的波浪有义波高和谱峰周期数据通过4g无线传输方式实时回传至无线信号处理器，所述波浪监测浮标和所述伸缩控制模块构成宽度自适应调节系统；

6、所述锚泊系统包括双张力式钢缆索与动力锚，所述消能浮体通过双张力式钢缆索与动力锚连接。

7、按上述方案，所述伸缩控制模块还包括第二伸缩控制单元，所述第二伸缩控制单元采用空箱截面钢结构，包括一组空腔相对较高的第二高钢腔结构和一组空腔相对较低的第二低钢腔结构，第二高钢腔结构和第二低钢腔结构分别通过合页结构连接在所述预制多孔钢帽内部偏中上高度处的两侧多孔箱形截面钢板上，第二高钢腔结构内设置有第二无线信号处理器、第二波浪摩擦纳米发电机和第二伸缩控制电机，第二低钢腔结构可活动的套设在第二高钢腔结构内。

8、按上述方案，所述多孔箱形截面钢板的开孔率为60%-80%。

9、按上述方案，所述两块多孔纵向腹板净间距等于第一低钢腔结构的箱型截面高度，开孔率为40%-60%，所述腹板孔孔径为钢帽孔孔径的1/3~2/3。

10、按上述方案，所述凸条长度等于钢帽孔的孔净间距，所述凸条宽度和高度相等且为凸条长度的1/4~1/3。

11、按上述方案，所述海洋浮体结构通过安全带结构绑扎固定在第一高钢腔结构下方，且所述海洋浮体结构与第一高钢腔结构底部完全重合。

12、按上述方案，所述海洋浮体结构为长方体实体材料，长度和宽度均与所述第一高钢腔结构一致，高度则根据消能浮体的浮重比为1~1.2计算而得。

13、本发明还提供了一种上述宽度自适应的浮式双功能消波减流装置的安装方法，包括如下步骤：

14、s1、分别预制所需数量的多孔钢帽、伸缩控制模块和下部多孔钢结构，折叠上述预制多孔钢帽和伸缩控制模块、将下部多孔钢结构与海洋浮体结构堆叠成方便运输的状态；

15、s2、将预制多孔钢帽、伸缩控制模块和下部多孔钢结构运输至施工现场，拼装消能浮体并调试宽度自适应调节系统；

16、s3、通过动力锚将消能浮体固定在适当位置，各消能浮体两两之间通过活动铰链连接；

17、s4、将波浪监测浮标锚固到指定位置并再次确认运行状态即完成整个安装流程。

18、按上述方案，步骤s1中，运输前，分别转动第一高钢腔结构、第一低钢腔结构与所述预制多孔钢帽结构内部相连的合页结构，使得第一高钢腔结构、第一低钢腔结构紧贴预制多孔钢帽结构内部；同时分别转动两组第二高钢腔结构与所述预制多孔钢帽结构内部相连的合页结构，使得两组第二高钢腔结构紧贴预制多孔钢帽结构内部。

19、按上述方案，步骤s2中，将所述第二低钢腔结构贯入第二高钢腔结构内，将所述第一低钢腔结构的两端分别贯入两侧第一高钢腔结构内。

20、本发明的有益效果：

21、1、现有的防护装置消波手段单一，而本发明装置同时具有多种消波手段：所述浮式防护装置上部的多孔钢帽可反射入射波达到消减波浪能的作用；波浪向所述多孔钢帽斜坡爬升及滑落的过程，可视为正向波浪能转化为重力势能然后转化为反向波浪能的过程，可消减波浪能；预制多孔钢帽上的孔洞和凸条可破坏破浪完整性，破碎波浪从而达到消减波浪能的作用；所述浮式防护装置整体采用预制多孔结构，这可以减小装置动力响应从而减小装置本身的“造波”现象；下部t型钢结构的多孔纵向腹板增大了浮式防护装置的遮蔽空间，从而能更有效地干扰波浪水质点的圆周运动达到消减波浪能的作用；

22、2、现有浮式防护装置的锚泊系统易在较大波浪冲力作用下破坏，而本发明装置可以有效地抑制此情况发生：预制多孔钢帽上采用预制多孔结构，可以降低装置的受力范围，从而减少浮式防护装置因为波浪力而产生的运动，降低锚泊系统需要承受的力，保证所述装置的安全；采用的动力锚依靠自身重力势能贯入海床，具有安装过程简单高效的优点；

23、3、现有的浮式防护装置减流效果差，而本发明装置在此方面具有良好的效果：浮体下部结构的t形多孔钢结构的纵向腹板具备小间距，小孔径，多板数的特点，可以有效紊乱洋流水质点运动方向，使水流相互碰撞消能，从而减小水流流速，起到减流作用；

24、4、现有的浮式防护装置高度和宽度固定，在复杂多变的真实海洋环境中，特别存在当波长变大到一定程度时失效的情况，而本发明装置伸缩控制模块包括空箱截面钢结构和自动伸缩式结构，可以根据复杂多变的海洋环境，自适应调节整体消能浮体的宽度和高度：通过调节预制多孔钢帽间两个伸缩控制模块的长度，可以调节浮式防护装置的高度和宽度，以适应不同周期的波，尤其是长周期波；对波长相对较短的波可减小装置宽度以增大波浪反射，而浮式防护装置对波长较长的波几乎无法通过反射衰减，此时可增大装置宽度以加强装置对水质点圆周运动的干扰作用；

25、5、现有的浮式防护装置浮体结构复杂或不可拆卸，导致运输不便，而本发明装置中的主体部分包括预制多孔钢帽、海洋浮体结构、伸缩控制模块和下部多孔钢结构，所有部件均可折叠，运输方便；

26、6、现有的浮式防护装置入水深度不足，而本发明装置入水深度大，水面三倍波高范围以内包含了95%以上的波浪能量，t型多孔钢结构的下部延伸大，可以更有效地覆盖波能密集区域；同时t型钢结构的多孔纵向腹板可以有效紊乱洋流水质点运动方向，使水流相互碰撞消能，从而减小水流流速，起到减流作用。