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有挡浪设施的桩基透空码头水动力特性研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在全球贸易持续增长和海洋资源加速开发的大背景下，港口工程正朝着深水化与离岸化的方向快速迈进。桩基透空码头凭借其结构轻便、透水性良好以及对复杂地质条件适应性强等显著优势，在现代港口建设中得到了广泛应用。这种码头结构不仅能够有效减少波浪反射，降低波浪对码头主体结构的作用力，还能促进港内外水体的交换，对维持港口水域的生态平衡和水质稳定具有重要意义。然而，为了进一步满足码头泊稳条件的严格要求，常常需要在桩基透空码头上设置各类挡浪设施，如挡浪板、挡板结构等。这些挡浪设施虽然在抵御波浪、保障码头作业安全方面发挥着关键作用，但其对局部水动力环境产生的影响却极为复杂，目前尚未得到充分且深入的研究。

在实际工程中，挡浪设施与水流、波浪之间存在着强烈的相互作用。一方面，水流和波浪在遇到挡浪设施时，其运动状态会发生急剧改变，包括流速、流向、波高、波长等参数的变化，进而导致码头周边流场的复杂性大幅增加；另一方面，挡浪设施自身也会受到水流和波浪的作用力，这种作用力不仅会影响挡浪设施的稳定性和耐久性，还可能引发共振等不利现象，对整个码头结构的安全构成潜在威胁。因此，深入探究挡浪设施与水流、波浪的相互作用机制，对于优化码头设计、改善港池泊稳条件以及减少桩基冲刷等方面都具有重要的工程价值和现实意义。

从优化码头设计的角度来看，准确掌握挡浪设施对水动力参数的影响规律，能够为码头的结构选型、布局设计以及挡浪设施的参数优化提供科学依据，从而提高码头的整体性能和安全性。在改善港池泊稳条件方面，通过研究挡浪设施对波浪传播和衰减的影响，可以合理调整挡浪设施的设置方式和参数，有效降低港池内的波浪强度，为船舶的停靠、装卸作业提供更加平稳的水域环境。减少桩基冲刷也是研究挡浪设施水动力特性的重要意义之一。水流在经过挡浪设施后，其流速和流向的变化可能会导致桩基周围产生局部冲刷，严重时甚至会危及桩基的稳定性。通过深入研究挡浪设施对水流的影响，能够采取针对性的防护措施，减轻桩基冲刷，延长码头的使用寿命。

（二）核心问题界定

本研究聚焦于不同类型挡浪设施对桩基透空码头周边水动力特性的影响，旨在揭示其内在的物理机制和规律。研究涉及的挡浪设施类型丰富多样，包括直立式挡浪板、倾斜式挡浪板、多层式挡浪结构等。这些不同形式的挡浪设施在与水流、波浪相互作用时，会展现出各自独特的水动力响应。

对于直立式挡浪板，其与水流、波浪的相互作用较为直接。当波浪冲击直立式挡浪板时，会产生强烈的反射和绕射现象，导致挡浪板前的波高显著增大，波能高度集中。这种波能的集中不仅会对挡浪板自身结构产生巨大的冲击力，还会改变周围流场的流速分布，在挡浪板附近形成复杂的漩涡结构。直立式挡浪板对水流的阻挡作用也较为明显，可能会导致水流流速在挡浪板前急剧降低，形成壅水现象，而在挡浪板后则可能出现流速恢复和紊流增强的情况。

倾斜式挡浪板的水动力特性则与直立式有所不同。由于其倾斜的结构形式，波浪在冲击倾斜式挡浪板时，一部分能量会被反射，另一部分能量则会沿着挡浪板表面向上爬升，从而实现能量的分散和衰减。倾斜式挡浪板能够引导水流沿着其表面流动，减少水流对挡浪板的直接冲击，降低挡浪板所受的作用力。然而，倾斜式挡浪板的倾斜角度、高度等参数对其水动力性能有着重要影响，需要通过深入研究来确定最优的设计参数。

多层式挡浪结构则是通过多个挡浪板或挡板的组合，实现对波浪的多级阻挡和能量衰减。这种结构能够更加有效地降低波浪的传播能量，提高挡浪效果。多层式挡浪结构内部的流场和波浪传播特性极为复杂，各层挡浪板之间的相互作用、波浪在层间的反射和透射等现象都需要进行详细的研究和分析。

本研究将着重分析不同工况下，挡浪设施对桩基透空码头周边流场、波浪传播以及湍流特性的影响。不同工况涵盖了多种因素的变化，如波浪的波高、周期、波长，水流的流速、流向，以及挡浪设施的高度、厚度、开孔率、间距等参数的改变。在分析流场特性时，将关注流速、流向的分布规律，以及流场中的漩涡结构、紊流强度等参数的变化。对于波浪传播，将研究波浪在遇到挡浪设施后的反射、透射、绕射等现象，以及波高、波长、波周期等参数的变化规律。湍流特性方面，将重点分析湍流强度、湍流尺度、雷诺应力等参数在挡浪设施作用下的变化情况，以及这些变化对码头周边水动力环境的影响。通过对这些核心问题的深入研究，力求为桩基透空码头的设计、建设和运营提供全面、准确的理论支持和技术指导。

二、桩基透空码头与挡浪设施耦合结构特性

（一）典型结构型式与构造

桩基透空码头作为一种重要的港口水工结构，其基本构造具有独特的特点。在桩基透空码头中，多排桩基犹如坚实的支柱，稳稳地支撑着上部平台。这些桩基通常采用钢筋混凝土桩或钢管桩，它们被精确地打入海底地基，以确保码头结构的稳定性和承