浮动式防波堤结构的制作方法

1.本发明总体上涉及海上浮动式平台，并且更具体地，涉及稳定在海上建造/组装以保护海岸线的浮动式防波堤(breakwater)结构。


背景技术：

2.防波堤是在某些沿海区域附近在海上构造的用于减少传入的波浪能以保护港口、锚地、码头盆地和/或海滩免受水波浪袭击的影响的人工海上结构。防波堤还可以保护海岸线免受侵蚀和沿岸漂移。通过消散和/或反射全部或部分波浪能而减少波浪能来实现保护。
3.存在许多不同类型的防波堤。总体上，防波堤结构分为两组，诸如“固定式”防波堤和“浮动式”防波堤。
4.世界上著名的并且广泛用于固定式海防结构的堆石防波堤是固定式防波堤的示例。这些永久性防波堤结构利用天然岩石和混凝土或混凝土装甲单元建造在海床上。这种防波堤可以被构造为一端与岸边相连，也可以建造在距原海岸线100米至600米的海上。
5.在许多地方，浮动式防波堤表示永久性防波堤的一种经济高效的另选方案。与建造在海床上的永久性结构相比，浮动式防波堤结构通常也更容易获得许可。浮动式防波堤越来越多地用于旨在保护小型船舶港口或码头。浮动式防波堤通常用链条、沉降片和锚来系泊。
6.在与固定式防波堤相比时，存在浮动式防波堤是有利的多种状况。具体地，在地基较差的可能性禁止底部支承防波堤的应用的情况下，浮动式防波堤可能是合适的解决方案。在深水中，底部连接的防波堤通常比浮动式防波堤更昂贵。浮动式防波堤对水循环和鱼类洄游的干扰最小。如果结冰是个问题，则可以移除浮动式防波堤并将其拖到保护区。浮动式防波堤可能适用于需要锚泊或系泊的区域。浮动式防波堤通常具有低的轮廓，并且对地平线的侵入最小，特别是对于满潮范围的区域。通常可以以最小的努力将浮动式防波堤重新布置成新的布局。


技术实现要素：

7.传统的浮动式防波堤通常是“被动”结构，其被设计用于通过破坏波浪并降低波浪高度来抵御传入波浪的攻击。在本领域中仍然需要提供一种可以包括用于“主动”工作以破坏强波浪的机构的新颖的浮动式防波堤结构。
8.根据本发明的实施方式，所述浮动式防波堤结构包括浮动式平台，所述浮动式平台设置在水表面处，并被构造为安装在距海岸线预定距离的海上。当安装用于工作时，浮力平台具有面向海岸的一个长边和面向海平面的另一长边。
9.所述浮动式防波堤结构还包括系泊系统和阻尼系统。
10.根据本发明的一些实施方式，所述系泊系统包括位于所述浮力平台的一个长边处的海床上的一对或更多对侧锚以及位于所述浮力平台的另一长边处的海床上的一个或更多个其它对侧锚。
11.所述系泊系统还包括连接至所述浮动式平台的两对或更多对交叉系泊弹簧索。各对交叉系泊弹簧索连接至所述浮动式平台的对应长边，并且连接至对应一对侧锚，从而将所述浮动式防波堤结构锚定至海床。
12.根据本发明的一些实施方式，所述阻尼系统布置在所述浮动式平台的前长边处(即，面向地平线/深水的长边处)并且被构造用于破坏水浪，以便稳定所述浮动式防波堤结构在水上的水平位置并吸收波浪能和由水波浪运动给予的应力。
13.根据本发明的一个实施方式，所述浮动式平台包括浮力船，所述浮力船漂浮在水上并且具有足以为所述浮动式防波堤结构提供浮力的尺寸和重量。
14.根据本发明的另一实施方式，所述浮动式结构包括设置在所述水表面上方的甲板。所述甲板具有用于工业活动和城市生活的期望有效载荷(例如，长廊、游乐场、食品屋/酒吧、商店等)。所述浮动式结构还包括浮动式基座，所述浮动式基座设置在所述水表面的下面，并被构造用于将所述甲板保持在所述水平面的上面。所述浮动式结构还包括支柱元件，所述支柱元件从所述浮动式基座延伸，并被构造用于在所述水表面的下面支承所述甲板。
15.根据本发明的实施方式，所述浮动式基座包括经由所述支柱元件连接至所述甲板的多个可移除的浮力单元。各个浮力单元包括浮筒，所述浮筒被构造为排出足够的水，以便产生远远超过所述浮力单元的重量的浮力。所述浮力单元的位置使得所述浮力单元的整个容积远低于波浪作用区域。
16.根据本发明的实施方式，所述支柱元件具有合适的长度，以在所述水表面上提供足够的间隙(例如，在2米至7米的范围内，可选地大约3米)。
17.根据本发明的实施方式，所述阻尼系统包括一组浮体，所述一组浮体被构造为在波浪作用最显著(prevalent)的深度处随着所述水表面上的波浪独立地上下浮动。所述浮体布置成行，所述行平行于所述浮动式结构的至少一个长边。所述行沿所述传入波浪的方向远离所述一个边延伸。各行包括多个浮体。在各行中，所述浮体是相对于相邻行的浮体偏移的，以提供所述一个边免受所述传入波浪的直接冲击的防护。
18.根据本发明的实施方式，所述阻尼系统包括与所述浮体相关联的杠杆和布置在所述防波堤结构上的转轴。所述浮体是通过所述杠杆连接至所述转轴的。各个杠杆具有合适的形状，以在所述杠杆的一端处连接至对应浮体并在所述杠杆的另一端处连接至所述转轴，从而提供沿所述转轴的轴线的枢转运动。
19.根据本发明的实施方式，所述浮体具有圆柱体形状，然而，也可以设想其它形状。圆柱体浮体的圆柱体截面积的大小在0.5米至50米的范围内，并且所述圆柱体的长度在1米至100米的范围内。应该提到的是，一行中的圆柱体浮体的尺寸可以与另一行中的圆柱体浮体的尺寸不同。
20.根据本发明的实施方式，所述浮体的重量在10公斤至10000吨的范围内。
21.根据本发明的实施方式，各行中的所述浮体的数量是由所述边的长度决定的，而从所述浮动式结构的所述一个边延伸的行的数量是由所述传入波浪的长度决定的。例如，行的数量可以在1至6的范围内。
22.根据本发明的实施方式，至少一个浮体是位于传入波浪的波峰上的，并且至少另一个浮体是位于所述传入波浪的波谷上的。
23.所述浮动式防波堤结构还可以包括抵抗机构(扭矩抵抗机构)，其联接至所述转轴，并被构造为对所述浮体的移动施加机械阻力。根据一个实施方式，所述扭矩抵抗机构被适配为可控地衰减高度水平等于或大于限定高度水平的波浪的波浪能，从而允许高度水平小于所述限定高度水平的波浪通过。波浪的高度水平可以被测量为波浪的最高点与最低点之间的距离。
24.根据实施方式，在一些实施方式中，所述系统包括发电机，所述发电机在工作时联接至所述转轴，并且用于根据从所述浮体传递至所述转轴的旋转移动产生电能。
25.因此，已经相当宽泛地概述了本发明的更重要的特征，以便可以更好地理解以下的详细描述。本发明的附加细节和优点将在详细说明中阐述，并且部分将从说明书中领会，或可以通过本发明的实践获知。
附图说明
26.为了更好地理解本文公开的主题并举例说明其如何在实践中执行，现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式来描述实施方式，其中：
27.图1例示了根据本发明的一个实施方式的设置在水表面处的浮动式防波堤结构的侧视图；
28.图2例示了图1所示的浮动式结构的俯视图；
29.图3例示了根据本发明另一实施方式的设置在水表面上方的浮动式防波堤结构的侧视图；
30.图4例示了根据本发明的实施方式的由浮动式防波堤结构实现的防波堤，该防波堤安装在距海岸预定距离处；以及
31.图5例示了根据本发明的实施方式的由浮动式防波堤结构实现的防波堤构造，该构造与一个或更多个固定式海上结构相连。
具体实施方式
32.参考附图和所附说明可以更好地理解根据本发明的浮动式防波堤结构的原理和工作，应当理解，这些附图和说明书中的示例仅针对例示性目的给出，并不意味着限制。应当理解，不一定按比例绘制的这些附图仅针对例示性目的给出，并不旨在限制本发明的范围。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大，以帮助提高对各种实施方式的理解。在本发明的整个描述中，将利用相同的附图标记和字母字符来标识在附图所示出的浮动式结构及其部件中常见的那些部件。
33.一起参考图1和图2，图1和图2例示了根据本发明的实施方式的设置在水体(诸如海洋、大海或湖泊)14的水表面13处的浮动式防波堤结构10的侧视图和俯视图。浮动式防波堤结构10包括浮动式平台11和系泊系统170。浮动式平台11设置在水表面并被构造为安装在距海岸线(图1和图2中未示出)预定距离的海上。
34.根据图1和图2所示的实施方式，浮动式平台11包括浮在水上的浮力船102。浮力船102具有足以为浮动式防波堤结构10提供浮力的尺寸和重量。
35.例如，浮力船102可以由轻质预应力和后张混凝土构造。浮力船102也可以由玻璃纤维或任何其它合适的材料设计和构造。
36.当需要时，浮力船102可以被构造为具有中空体并且包括填充有填充材料的腔室。填充材料可以包括混凝土、聚合材料/泡沫、鹅卵石、玻璃、陶瓷、沙子、水等。当需要时，浮力船102的中空体可以适配于容纳空气或任何合适的气态材料。
37.根据图1和图2所示的实施方式，浮动式平台11的浮力船102是单个单元。然而，当需要时，浮动式平台11可以包括一系列相互连接的多个浮力船102。这种连接在两个连续的浮力船或/和浮动式平台之间可以是刚性的或柔性的。
38.根据图1和图2所示的实施方式，浮动式平台11的轮廓是矩形的，然而，也可以设想其它轮廓形状。矩形浮动式平台11的长度可以是宽度的数倍。例如，长度在50米至2000米的范围内，并且宽度在10米至500米的范围内，然而，也考虑其它轮廓尺寸。
39.在工作中，当浮动式平台11是矩形的时，具有两个长边和两个短边。下文中，浮动式平台11的沿海岸线安装且面向海岸的长边110a称为后长边，而面向海平面的另一长边110b称为长前边。
40.系泊系统170包括位于浮动式平台11的后侧的至少一对侧锚18a和位于浮动式平台11的前侧的至少另一对侧锚18b。侧锚18a被称为后侧锚，而侧锚18b被称为前侧锚。侧锚18a和18b位于海床19上。
41.系泊系统170还包括对应于后侧锚18a的至少一对系泊弹簧索17a和对应于前侧锚18b的至少另一对系泊弹簧索17b。对应地，第一对系泊弹簧索17a和第二对系泊弹簧索17b对角地延伸并且以应该足以限制浮动式防波堤结构10的前后移动的角度彼此交叉。
42.交叉系泊弹簧索17a和17b经由布置在矩形浮力平台11上的对应导缆器(未示出)连接至浮力平台11的浮力船102。交叉系泊弹簧索17a和17b被构造用于对应地通过侧锚18a和18b将浮动式防波堤结构10锚定至海床19。
43.如图2所示，一对交叉的系泊弹簧索17b将前长边110b连接至对应前侧锚18b，而另一对交叉的系泊弹簧索17a将后长边110a连接至对应后侧锚18a。在该示例中，系泊弹簧索17a和17b连接至矩形浮力平台11的短边，然而，也可以设想其它连接点。
44.在工作中，浮动式防波堤结构10可以以相对于海岸线(图1和图2中未示出)的选定取向系泊，从而可以减少浮动式防波堤结构所表现出的六个自由度运动(浪涌、摇摆、升沉、横滚、俯仰和偏航)以及减轻由于波浪反射引起的稳定漂移的力，同时为防波堤结构提供所需的自由度，以响应于水位、水流、波浪和/或风的变化而进行浪涌、摇摆和/或升沉运动。
45.应当理解，后侧锚18a和前侧锚18b可以以不同方式实现，这取决于锚点位置处的状况，诸如风、溪流、海底结构等。后侧锚18a和前侧锚18b的类型取决于浮动式防波堤结构10的类型、其重量、尺寸等。侧锚18a和18b可以例如包括锚本身的重量可以将其固定到合适位置的重力锚、拖曳型锚、吸斗锚和/或打桩锚。
46.根据图1和图2所示的实施方式，浮动式防波堤结构10包括阻尼系统12，该阻尼系统12布置在浮动式平台11的一侧。阻尼系统12布置在浮动式平台11的前长边110b。阻尼系统12被构造用于破坏波浪以便稳定浮动式防波堤结构10的水平(和/或地理)位置，并吸收波浪能和由波浪运动给予的应力。
47.根据本发明的实施方式，阻尼系统12包括一组浮体121，该浮体121被构造为在波浪作用最显著的深度处随着水表面上的波浪独立地上下浮动。
48.浮体121布置成行，所述行平行于前长边110b。所述行在垂直方向上远离前长边
110b延伸。各行包括多个浮体121。在各行中，浮体121是相对于相邻行的浮体121偏移的，以提供前长边110b免受传入波浪的直接冲击的防护。浮体121通过使用杠杆123连接至布置在浮动式平台11上的转轴122。各个杠杆123具有合适的形状，以便在杠杆123的一端连接至对应浮体121，并在其另一端连接至转轴122，以提供沿转轴122的轴线的枢转运动。
49.根据本发明的实施方式，枢转杠杆123在工作时联接至抵抗机构111(例如，扭矩抵抗机构)，该抵抗机构111被构造为对浮体121的向上和/或向下运动施加限定的阻力，从而限定防波堤平台10的阻尼特性和/或波高(例如，用于允许浅波浪不受阻尼地通过)。抵抗机构111可以通过例如利用一种带束带扳手机构(其可以可控地拧紧或释放其在转轴122上的抓握)在转轴122上施加摩擦力来实现。
50.根据本发明的实施方式，各个浮体121彼此独立并且包括浮筒，该浮筒被构造为排出足够的水以便产生浮力。如果这些浮体121中的任何浮体损坏或变得有缺陷，则可以容易地修复或更换有缺陷的浮体。例如，这种构造可以通过用预应力和后张混凝土构造浮力体来实现；然而，它也可以用钢设计和构造，或者对于较小规模的结构，用玻璃纤维或任何其它合适的材料设计和构造。当需要时，浮体121的浮筒可以被构造为具有中空体，以提供其足够的浮力。
51.浮体121的大小、形状和重量由吸收冲击波浪的最大能量的状况决定。例如，浮体121可以具有圆柱体形状，圆柱体截面的直径在1米至20米的范围内，圆柱体的长度在1米至10米的范围内。
52.浮体121的重量应该足以吸收强波浪的能量，其中，通过在浮体121被提升时将强波浪的能量转移到该浮体121的势能中来吸收强波浪的能量。例如，浮体121的重量可以在10公斤至100吨的范围内。
53.各行中浮体121的数量是由浮动式平台的长边110b的长度决定的。反过来，从侧110b延伸的行的数量是由传入波浪的长度和形式决定的。该数量应该足以提供浮动式防波堤结构10的所需的防护和稳定。例如，行的数量可以在1至6的范围内，而行中的浮体121的数量可以在1至1000的范围内。
54.此外，为了在暴风雨和恶劣天气状况期间实现阻尼系统12的最大工作效率，至少一行或更多行的浮体121应该位于传入波浪的波峰上，并且至少一行或更多行的浮体121应该位于传入波浪的波谷上。例如，针对波长在10米至20米范围内的波浪，当行的数量在1至6的范围内时，可以实现该规定。
55.参考图3，例示了根据本发明的另一实施方式的设置在水体(诸如海洋、大海或湖泊)14的水表面13处的浮动式防波堤结构100的侧视图。根据该实施方式，浮动式平台11是半潜式平台，其包括设置在水表面13下的浮动式基座101和由支柱元件103支承的甲板1020。
56.浮动式基座101主要设置在水表面13下并且被构造为保持甲板1020和安装在甲板1020上以用于工业活动和/或城市生活的期望有效载荷(例如，设备和基础设施)15。
57.根据本发明的实施方式，浮动式基座101包括多个浮力浮筒105和布置在浮力浮筒105上方的多个平衡浮筒107。应该注意的是，虽然图3示出了两个浮力浮筒105和两个平衡浮筒107，但是通常，可以使用任何期望数量的浮力浮筒105和平衡浮筒107。浮力浮筒105和平衡浮筒107经由共同的支柱元件103连接至甲板102。各个浮力浮筒105被构造为排出足够
的水，以便产生远远超过浮力浮筒重量的浮力。具体地，浮力浮筒105为浮动式防波堤结构100提供50％至100％的浮力。平衡浮筒107被构造为向浮动式防波堤结构100提供稳定性和对应地0％至50％的浮力。
58.如果这些浮力浮筒105和/或平衡浮筒107中的任一者损坏或变得有缺陷，则可以容易地修复或更换有缺陷的单元。例如，这种构造可以通过用轻质预应力和后张混凝土构造浮力浮筒105和/或平衡浮筒107来实现；然而，它也可以用钢设计和构造，或者对于较小规模的结构，用玻璃纤维或任何其它合适的材料设计和构造。
59.当需要时，浮力浮筒105和平衡浮筒107可以被构造为具有填充有填充材料的中空体，以为其提供足够的重量。填充材料可以包括金属、混凝土、聚合材料/泡沫、无毒建筑废料，诸如砖、岩石、鹅卵石、玻璃、陶瓷、沙子等。
60.浮力浮筒105和平衡浮筒107的大小、形状和重量由甲板102和支承在甲板上的设备的大小、形状和重量决定。例如，浮力单元105的大小可以在1米至100米的范围内，并且重量可以在10公斤至1000吨的范围内。平衡浮筒107的大小可以在1米至50米的范围内，并且重量可以在10公斤至5000公斤的范围内。
61.浮力浮筒105和布置在浮力浮筒105上方的平衡浮筒107的数量和密集度(concentration)优选地使得浮力浮筒105的整个容积远低于波浪作用区域，例如，在水表面以下约5米至20米的深度处，而平衡浮筒107在水表面13处。
62.支柱元件103可以由合适的材料制成并且具有所需的构造和截面面积，以提供合适的强度，以便将甲板1020保持为具有期望的工业和城市基础设施。例如，支柱元件103可以由钢管、混凝土柱等形成。支柱元件的数量和密集度由甲板1020和被支承的设备的大小和重量决定。优选地，支柱元件103具有合适的长度，以在水表面13上方提供足够的间隙，以满足高度小于约5米的相对小的波浪不会到达甲板1020或至少不会有效地干扰安装在甲板上的设备和基础设施的工作的要求。当需要时，支柱元件103可以以中空管的形式实现，以向结构提供附加浮力。
63.在该实施方式中，矩形浮动式平台11的浮力浮动式基座101远低于表面波浪作用。另一方面，矩形浮动式平台11的甲板1020远高于波浪作用的能量。平台部件的承受波浪作用力的唯一部分是为甲板102提供支承的支柱元件103以及提供浮动式防波堤结构100的稳定性的平衡浮筒107的管或柱的狭窄区段。该部分相对于浮动式基座101和甲板1020的总面积而言较小。
64.如图3所示，浮动式结构100还包括系泊系统170和布置在浮动式平台11一侧的阻尼系统12。图3所示实施方式中的系泊系统170和阻尼系统12类似于上文中描述的(图1和图2)中的浮动式结构10的系泊系统170和阻尼系统12。
65.一起参考图1和图3，浮动式防波堤结构(图1中的10和图3中的100)的阻尼系统12也可以用于将冲击波浪的能量转换成船上可用的能量。根据实施方式，浮动式防波堤结构(图1中的10和图3中的100)可以包括由枢转杠杆123的位移致动并直接连接至发电机gn以产生在线使用或储存在电池中的电力的涡轮机(未示出)。
66.参考图4，示出了根据本发明的一些实施方式的浮动式防波堤结构10、100，其安装在距海岸线40一定预定距离处并且基本上平行于海岸线40。在该特定且非限制性示例中，浮动式防波堤结构10、100位于海上结构的固定式防波堤/码头(诸如港口41)附近，但它不
以任何方式连接至这种海上结构，并且可以类似地远离海上结构定位，或位于水体14中的任何其它合适的位置。
67.浮动式防波堤结构10、100可以用于在面向它的海岸线40的某些部分上实施低波浪水平或基本上无波浪的状况，从而为游泳和/或任何其它水上活动创造便利的水状况。浮动式防波堤结构10/100还可以用于发电，或用作锚泊船只或其它水上船/艇的码头，和/或控制浮动式防波堤结构10、100与海岸线40之间的波浪高度，例如，以用于任何水上活动，诸如游泳、潜水、sap、冲浪等。因此可以根据各种不同的用途来选择浮动式防波堤结构10、100的长度l2。
68.参考图5，例示了利用本发明的浮动式防波堤结构10/100的防波堤系统500，其安装在水体14中，与海岸有一些连接，以允许行人和/或小型车辆(例如，自行车、摩托车等)在其上通过。例如，防波堤系统500可以被构造成形成在其一个或更多个端机械连接至其它海上结构(诸如码头44和/或港口41的固定式防波堤/码头)的长廊。
69.在该特定且非限制性示例中，防波堤系统500包括两个细长浮力船102(或甲板1020，如图3所示)，各个细长浮力船102具有可以使用本文公开的实施方式中的任何实施方式或其任何组合来实现的一个或更多个阻尼系统12、系泊系统170(图5中未示出)以及其它可能的部件。如图5所示，浮力船102形成直角结构，其在一个自由端处连接至码头44的固定式防波堤/码头，并且在其另一自由端处连接至港口41的固定式防波堤/码头。这样，由防波堤系统500包围的水体14的一部分内的波浪特性可以基本上由阻尼系统12控制，以提供游泳者所需的低波浪水平(例如，10厘米至70厘米)，或用于其它活动(诸如冲浪)的更大的波浪水平(例如，50厘米至150厘米)。
70.防波堤系统500的浮力船102(或图3中的甲板1020)中的每一者可以具有一个或更多个基础设施平台125，该基础设施平台125附接至细长浮力船102的后侧，该后侧可以被构造为容纳人类活动基础设施，诸如但不限于游乐场、食品店/酒吧、商店等。当需要时，基础设施平台125中的每一者可以具有单独的支承浮力浮筒(未示出)。如在先前描述的实施方式中，阻尼系统12可以用于从波浪能生成电力，所述电力可以直接供应至设置在各个平台125上的不同基础设施。
71.因此，本发明所属领域的技术人员可以理解，虽然已经根据优选实施方式描述了本发明，但是本公开所基于的概念可以容易地用作设计用于实现本发明的多个目的的其它结构、系统和过程的基础。
72.应当理解，本发明的特征不限于浮动式防波堤结构的任何特定应用，并且同样适用于任何大型浮动式平台。
73.此外，应当理解，本文所采用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被视为限制。
74.最后，应当注意，贯穿所附权利要求书使用的“包括”一词应被解释为“包括但不限于”。
75.因此，重要的是，本发明的范围不应被解释为受本文阐述的例示性实施方式的限制。在如所附权利要求限定的本发明的范围内，其它变型是可能的。特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合可以通过在本技术或相关申请中修改本权利要求或提出新的权利要求来要求保护。这些经修改的或新的权利要求也都被视为包括在本说明书的主题内，无论它们是针对不同的组合还是针对相同的组合，无论是与原始权利要求的范围不同、较
宽、较窄还是相同。