【技术实现步骤摘要】
一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤及其设计方法、冲淤方法
本专利技术涉及海港防波堤
，尤其涉及一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤及其设计方法、冲淤方法。技术背景泥沙淤积一直是影响海港运营的最主要问题，以中国舟山海域为例，舟山海域水体泥沙含量较高，同时由于舟山码头众多，为了维持港内的波况稳定，修建了大量的重力式防波堤，由此也带来了一系列的问题。由于防波堤的阻隔作用，防波堤内外水体交换被堵塞，仅有口门能够使得内外水体交换，同时由于港内波浪条件较好，内侧水体流速较低，泥沙易沉降，在防波堤内侧更是如此，泥沙大量淤积，但一般船舶的停泊区域就在防波堤内测，由此一旦发生淤积，港内水深条件将满足不了船舶的靠泊要求，进而影响码头的运营。目前，解决港口淤积问题的方式主要定期疏浚的方式，但是该方式始终是治标不治本，泥沙淤积之后需要清淤，清完之后继续淤积，如此循环往复，如果港口水动力条件不改变的话，清淤就是一个永远存在的问题，无法解决；同时清淤费用花费巨大，少则百万，多则千万甚至上亿，如长江深水航道，每年花费更是用亿来计，用清淤来解决泥沙淤积问题并不经济，同时还有污染环境的副作用。根据以上问题，可知寻找一种低成本、效果显著且技术上容易实现的解决方案具有极大的意义。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提供了一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的设计思路，可应用于各类港口，解决防波堤内侧港池容易淤积的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案...
【技术保护点】
1.一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，包括防波堤主体、涵洞、涡轮发电机、数控阀门、高压水管、土工织布和潮位计；/n所述的涵洞(3)为贯穿整个防波堤主体的矩形通道，通道高度与设计低水位时的水深比值为0.1-0.2，通道长度与设计低水位时的水深比值为2-4；涵洞(3)在防波堤主体上排布为上下两层，每层包含多个通道，上层涵洞的迎浪侧和下层涵洞的背浪侧为进水口，上层涵洞的背浪侧和下层涵洞的迎浪侧为出水口，每一个涵洞的进、出水口处安装有所述的数控阀门(2)；/n所述的涡轮发电机(4)安装于涵洞内靠近进水口的位置，且涵洞进水口与涡轮发电机(4)之间安装有用于冲洗通道内泥沙的高压水管(7)；所述的土工织布设置在防波堤主体(1)堤脚处，防止防波堤底部冲刷；所述的潮位计(5)设置在防波堤主体的迎浪侧，涨潮时仅开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，迎浪侧水体经上层涵洞流入背浪侧，落潮时仅开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，背浪侧水体经下层涵洞流入迎浪侧。/n
【技术特征摘要】
1.一种适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，包括防波堤主体、涵洞、涡轮发电机、数控阀门、高压水管、土工织布和潮位计；
所述的涵洞(3)为贯穿整个防波堤主体的矩形通道，通道高度与设计低水位时的水深比值为0.1-0.2，通道长度与设计低水位时的水深比值为2-4；涵洞(3)在防波堤主体上排布为上下两层，每层包含多个通道，上层涵洞的迎浪侧和下层涵洞的背浪侧为进水口，上层涵洞的背浪侧和下层涵洞的迎浪侧为出水口，每一个涵洞的进、出水口处安装有所述的数控阀门(2)；
所述的涡轮发电机(4)安装于涵洞内靠近进水口的位置，且涵洞进水口与涡轮发电机(4)之间安装有用于冲洗通道内泥沙的高压水管(7)；所述的土工织布设置在防波堤主体(1)堤脚处，防止防波堤底部冲刷；所述的潮位计(5)设置在防波堤主体的迎浪侧，涨潮时仅开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，迎浪侧水体经上层涵洞流入背浪侧，落潮时仅开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，背浪侧水体经下层涵洞流入迎浪侧。
2.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，上层涵洞和下层涵洞的矩形通道之间交错排布。
3.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，上层涵洞的布置高度低于设计低水位，下层涵洞高于海底。
4.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，涵洞通道的宽度与高度相等。
5.根据权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤，其特征在于，上层涵洞内部的高压水管进水口处位于设计低水位，下层涵洞内部的高压水管进水口处位于海底，所述的高压水管(7)流量可调节。
6.一种基于权利要求1所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的冲淤方法，其特征在于：
1)在涨潮期间，港外水位逐渐升高，潮位计(5)监测到水位从低到高变化时，将开启上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，关闭下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，同时上层涵洞内部的高压水管(7)从水面附近取水，低含沙水体在潮流以及高压水管的协同作用下通过上层涵洞进入港内，驱动涡轮发电机转动发电，在发电的同时水体动能被消耗，港内波较小，满足船舶停泊要求；
2)在落潮期间，港外水位逐渐降低，潮位计(5)监测到水位从高到低变化时，将开启下层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，关闭上层涵洞进、出水口处的数控阀门(2)，同时下层涵洞的高压水管从海底处取水，高含沙水体在潮流以及高压水管的协同作用下被带到港外；随着潮流以及波浪输移，同时驱动涡轮发电机转动发电并起到消能作用；
3)考虑到港内外的泥沙平衡问题，定期检测港内外的泥沙淤积情况，在港内布设一定数量测点，定期记录港内泥沙深度并取平均值，若与上一次记录值相比增大，则港内以淤积为主，此时减少涨潮时上层涵洞的数控阀门(2)开启时间以及阀门开度，加大上层涵洞内高压水管(7)的流量；若与上一次记录值相比减小，则港内以冲刷为主，此时减少落潮时下层涵洞的数控阀门(2)开启时间以及阀门开度，减小下层涵洞内的高压水管(7)的流量；
所述的涡轮发电机生成的电能用于供给数控阀门、高压水管、潮位计使用，多余能量进行储存。
7.一种权利要求4所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，确定海域波浪参数以及防洪堤需满足的透射要求，所述的波浪参数包括有效波高和周期；
步骤二，确定海域设计潮位以及极端潮位；
步骤三，根据步骤一和步骤二确定的参数，对涵洞参数进行理论建模；
步骤四，确定涵洞高度的设计范围，初始化涵洞高度值S1，根据涵洞高度值确定涵洞顶高线位置ds和涵洞长度2B；
步骤五，根据步骤四得到的S1、ds和2B，采用设计高水位以及设计低水位的平均值作为计算所用的水深，并结合步骤一和步骤三，计算得到评价因子J：
式中，Kti为波浪设计透射系数，Qi为涵洞断面流量，Hoi为波高，N为所选测的波浪组成波个数，A为入射波振幅，h为水深，g为重力加速度，取9.81m/s2；
若具有实际的波浪谱，则根据对应的频率谱进行加权平均，若无，则使用步骤一得到的有效波高、周期，并根据格鲁霍夫斯基公式换算出在设计高水位以及设计低水位平均值水深条件下的1％大波波高H1％以及对应周期T1％，进而计算得到最终的评价因子J，由此可得一组涵洞结构参数cul(ds,S1,2B,J)；
步骤六，重复步骤四至步骤五，遍历涵洞高度的设计范围，迭代计算得到一系列涵洞结构参数，选取评价因子J最大值对应的涵洞结构参数作为最终的设计参数。
8.一种权利要求7所述的适用于高含沙海域的自动化多功能涵洞式防波堤的涵洞设计方法，其特征在于，所述的步骤一和步骤二具体为：
步骤一：勘测实际海域的波浪谱参数，得到在不同周期Ti(i＝1,2,..N)条件下对应的波高Hoi(i＝1,2,..,N)，并根据相关泊稳等要求确定港内允许的最大波高Hpi，其中N表示所选测的波浪组成波个数；进一步确定在不同波周期时防波堤需满足的波浪设计透射系数Kti(i＝1,2..N)：
在防波堤的设计时，实际海域中不同周期的波浪的透射系数Ktai均需小于对应的设计透射系数Kti，由此可得透射系数限制条件：
Ktai＜Ktii＝(1,2,...,N)
若无法获得具体的波浪谱参数，则根据相应海域的有效波高H13％和对应周期T13％、设计高水位条件下的1％大波波高H1％和对应周期T1％，用以进行防波堤需满足的透射要求计算，得到相应的透射系数限制条件；
步骤二：确定海域设计潮位以及极端潮位，具体如下：
高潮或低潮累积频率按下列步骤设计：
a)从潮位资料中摘取各次的高潮或低潮潮位值，统计其在不同潮位级内的出现次数，潮位级的划分采用小于或等于10cm为一级；
b)由高到低逐次进行累积出现次数的统计；
c)各潮位级的累积频率为年或者多年的高潮或低潮总潮次除以各潮位级响应的累积出现次数；
d)以纵坐标表示潮位，以横坐标表示累积频率，将各累积频率值点于响应潮位级下限处，连绘成高潮或低潮累积频率曲线，然后在曲线上摘取高潮10％或低潮90％的潮位值；
其中各设计值按照如下方式求取：
极端高水位Heh：重现期为50年的年极值高水位；
极端低水位Hel：重现期为50年的年极值低水位；
设计高水位Hdh：高潮累积频率为10％的潮位，简称高潮10％；
设计低水位Hdl：低潮累积频率为90％的潮位，简称低潮90％；
水底高程Hd：通过测量得到；
由此可得水深h变化范围为：
(Hdl-Hd)<h＜(Heh-Hd)。
9.一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵西增，吕超凡，李梦雨，徐天宇，付丁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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