本文是一篇土木工程论文，本文针对某大型海上浮式人工岛外围方波消浪系统，提出了一种海上浮岛周围环形布置的多体浮式防波堤系统。采用数值模拟方法研究了防波堤系统的消浪性能，优化了多体防波堤的平面布置方案，从而为海上浮式人工岛外围防波堤设计提供支持。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
在当前全球经济面临诸多挑战的大背景下，区域合作已经成为促进世界稳定发展的源动力之一，我国与“一带一路”沿线国家通过合作实现政治、经济、文化交流，帮助他们进行基础建设与互联互通，比如铁路、桥梁、港口、的建造，既有利于我国的转型升级也推动了沿线国家的发展水平与社会进步，这也体现了“一带一路”基础建设中“共商、共建、共享”的基本原则[1]。
图 1-1 “一带一路”沿线国家
“一带一路”沿线许多国家沿海城市土地资源短缺，需要扩充陆地面积，一些沿海城市砂石建筑材料匮乏，环礁内外水深较大，人工岛的开发建设具有极大的需求以及战略意义[2]。
人工浮岛分为填筑式人工岛和浮式人工岛，由于这些沿海城市砂石建筑材料匮乏，拟建区地形复杂，水深较大，采用传统的填筑式建岛其技术难度和环境污染控制难度都很大，因此需要建造浮式人工岛。
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1.2 国内外浮式防波堤研究现状
1.2.1 浮式防波堤结构形式
随着浮式防波堤作为海岸和港口保护的可行替代方案，越来越多的人们提出、设计和建造了各种形式的浮式防波堤。迄今为止，不同国家的学者已经提出、试验和建造了更多具有独特形状和波浪衰减机制的浮动防波堤。现代设计往往进行多重削减机制，以实现较低的波浪透射系数。
在 20 世纪 70 年代，Jones[14]、Richey 和 Nece[15]等人确认了 60 多种不同的浮动防波堤结构。
1981 年 Hales[16]根据其几何和功能的相似性，根据其基本特征将这些浮动防波堤分为 11 类。1985 年 McCartney 等人[17]根据形状将它们分为 4 类分别是箱形、浮筒形、垫形和系泊浮体并回顾了它们在降低浪高方面的表现，评估了它们的建造成本。
1995 年 Sawaragi[18]针对浮式防波堤作了大量研究，总结出防波堤与波浪相互作用机理，并将其划分为反射型、波浪破碎型和摩擦型这三种结构形式。
师艳景、王永学等[19]依据不同形式防波堤变形特点，将其分类为以下三种形式，刚性防波堤、柔性防波堤、同时具有两者特性的混合式波堤。
目前，专家学者研究较多的防波堤结构形式主要为浮箱式、浮筒式、浮阀式这三种类型。
浮箱式浮式防波堤是如今工程中应用最广泛的形式，也是浮式防波堤中最简单的类型，并在上个世纪已被广泛研究。这种防波堤主要通过反射入射波来衰减海浪。有学者提出浮箱式防波堤的消浪效果与多种因素有关包括浮箱的相对宽度、截水面积、还有吃水深度，浮堤的入水深度越大，浮体对波浪的反射作用越大，消浪效果越好，浮堤的相对宽度越大，干扰其附近水体的波动也就越大，消浪效果越好。不少国内外学者都在单浮箱防波堤[20]的基础上进行改进，比如双浮箱带翼板的双浮箱防波堤[21-22]、双排式[23]、双浮箱-双水平板式[24]、梳式防波堤[25]、π形防波堤[26-27]（见图 1-3a 至 1-3e）以及浮箱与其他耗能结构的组合，旨在于增加波浪反射以提升消浪作用。
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第 2 章 浮式防波堤数值模型与结构选型
2.1 概述
本课题以“一带一路”沿线某海上浮式人工岛建设项目为依托，利用 ANSYS-AQWA 浮体分析软件建立人工岛周围环形浮式防波堤的三维数值模型。对于环绕浮岛布置的多体浮式防波堤系统，在研究其平面布置之前需要针对单体防波堤结构进行模型验证与结构选型。
本章利用双排防波堤和柔性浮筒式防波堤的实验数据进行数值模型的验证。然后利用数值模型对三种不同断面形式包括浮箱式、浮筒式、多浮筒式防波堤进行结构选型。
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2.2 ANSYS-AQWA 简介
为了对浮式防波堤透射系数进行分析，在现有的各种海洋工程软件中选取ANSYS-AQWA 软件对浮式防波堤以及周围水流进行建模。
ANSYS-AQWA 软件是 ANSYS 软件的工程分析模块之一，可用于检验波浪、风、水流对固定和浮动海洋结构物如船舶、石油平台、半潜式结构、水上可再生能源系统的影响。使用该软可以有效地减少海上浮体包括浮式防波堤防波堤的总体结构设计和分析的时间。
AQWA 功能很多，几乎能够解决海洋工程浮体在外界环境荷载作用下分析领域的所有问题，其能够实现的功能如图 2-1 所示。
图 2-1 AQWA 主要功能
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第 3 章 多浮筒浮式防波堤的消浪性能分析........................27
3.1 概述.................................27
3.2 多浮筒浮式防波堤模型建立......................27
第 4 章 环形浮式防波堤平面布置与优化..............................45
4.1 概述...................................45
4.2 模型相似准则............45
结论与展望..................................61
第 4 章 环形浮式防波堤平面布置与优化
4.1 概述
上一章分析了单体多浮筒浮式防波堤的不同影响因素，得出了不同影响因素与透射系数的关系。但是在浮式人工岛实际工程中，仍需要充分考虑单体浮式防波堤在水面上的平面布置形式与不同因素对浮式防波堤有效掩护区域的影响。
本章的防波堤平面布置是在假设波浪入射波方向从浮式防波堤系统正前方传波，透过防波堤系统之后从防波堤正后方传出的基础上进行研究的。在平面布置与优化的过程中，需要考虑平面布置的形式、环形防波堤系统的开口大小、防波堤系统与其中心浮岛的间距、也需要考虑经济因素和防波堤系统中心浮岛的安全性、舒适与便捷性。
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结论与展望
本文针对某大型海上浮式人工岛外围方波消浪系统，提出了一种海上浮岛周围环形布置的多体浮式防波堤系统。采用数值模拟方法研究了防波堤系统的消浪性能，优化了多体防波堤的平面布置方案，从而为海上浮式人工岛外围防波堤设计提供支持。
本文创新点在于利用三维数值模型分析了多浮体的相互作用，以及对环形防波堤系统进行了环形全包围结构、半包围结构和环绕式结构的平面布置并针对防波堤开口大小、防波堤系统与中心浮岛间距进行了优化。
以下对本文所做工作内容进行总结，得出主要结论如下：
1）通过对双排浮式防波堤和柔性浮筒防波堤两组物理实验模型与 AQWA 建立的三维数值模型进行对比，两者数据结果与结论大致吻合，验证了浮式防波堤数值模型的可靠度与准确性。
2）对比分析了浮箱式防波堤、浮筒式防波堤、多浮筒式防波堤的消浪性能和在不同入射波高作用下的透射系数，得出多浮筒浮式防波堤的透射系数比浮箱式防波堤低 0.3 左右，比浮筒式防波堤低 0.1 左右，证明多浮筒式防波堤的消浪特性优于浮筒式防波堤和浮箱式防波堤。最后选取多浮筒式防波堤单体进行环浮岛平面布置。
3）多浮筒浮式防波堤消浪性能受到大小浮筒的直径、入射波波高、入射波周期、小浮筒间距等因素影响。大浮筒的直径越大，会有更少的入射波从防波堤下方绕射，使得大部分能量被防波堤消耗，使得防波堤的透射系数降低；入射波波高越大，透射系数越小；防波堤对长周期波浪的消浪效果不如短周期波浪；小浮筒的直径与间距对防波堤的消浪性能影响作用很小。
4）先后对于环形全包围结构、环形半包围结构、环抱式结构防波堤系统进行消浪特性的对比，结论显示环抱式结构消波性能最优。一定范围内，环形半包围结构防波堤系统消浪性能随着其圆心角开口大小的增大而增加；环形半包围防波堤系统的圆心角开口大小在 120°左右时消浪效果最佳；防波堤的防波堤系统的消浪性能在一定范围内随着其与中心浮岛间距的增大而增加。
参考文献（略）
