新型板樁承臺(tái)式直立堤波壓強(qiáng)試驗(yàn)研究

徐宇航，陳國(guó)平，嚴(yán)士常，許 凡，王 聰

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與筑港技術(shù)的發(fā)展，受限于地質(zhì)條件及已有建筑物的制約，越來越多的新型結(jié)構(gòu)形式被利用到深水防波堤以及人工島圍墾護(hù)岸工程建設(shè)中。板樁承臺(tái)式直立堤是一種新型的深水駁岸結(jié)構(gòu)，直立堤后部使用板樁墻作為墻后回填土擋土結(jié)構(gòu)，板樁前設(shè)斜樁，通過上部混凝土承臺(tái)連接與板樁墻形成整體，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)所受豎向力及水平力。同時(shí)為減少越浪量以及節(jié)約工程造價(jià)，承臺(tái)上向海側(cè)設(shè)置擋浪墻，必要時(shí)擋浪墻頂部設(shè)置一向前突出的“檐”(以下稱之為挑檐)，使得波浪水體和水花受到“檐”的壓制和反射，水體被挑回堤前[1]。類似挑檐的設(shè)計(jì)易于施工且效果甚好，已常見于斜坡堤上擋浪墻設(shè)計(jì)中，更進(jìn)一步衍化出了各種類型的反弧形擋浪墻[2-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)直立堤和各種類型的反弧形擋浪墻前波浪力做了系列相關(guān)研究[4-9]并取得了一定的研究成果，但對(duì)于直立式建筑物頂部設(shè)置挑檐狀況下波浪力的作用機(jī)理研究相對(duì)不足，對(duì)于板樁承臺(tái)式直立堤這一結(jié)構(gòu)研究則更為少見。

挑檐的設(shè)置能夠有效的減少越浪量，但是擋浪墻前設(shè)置挑檐是否會(huì)增大局部波壓強(qiáng)值而對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成較大的不利影響是研究與設(shè)計(jì)者所共同關(guān)注的問題，本文針對(duì)這一問題結(jié)合實(shí)際工程斷面進(jìn)行波浪模型試驗(yàn)，對(duì)波浪作用產(chǎn)生的波壓強(qiáng)分布和規(guī)律做進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)80 m，寬1 m，高1.5 m。水槽工作段在縱向被分隔成0.5 m的兩個(gè)部分，試驗(yàn)時(shí)模型放在外側(cè)部分進(jìn)行試驗(yàn)，另一部分用以擴(kuò)散二次反射波能。水槽兩端均鋪設(shè)消浪緩坡，以減少波浪的反射。波浪水槽一端采用南京水利科學(xué)研究院研制的電機(jī)式推板造波機(jī)，可產(chǎn)生試驗(yàn)所需要的不規(guī)則波，試驗(yàn)時(shí)靶譜采用標(biāo)準(zhǔn)JONSWAP譜，譜峰升高因子γ=3.3。

試驗(yàn)斷面模型依托于實(shí)際板樁直立堤護(hù)岸工程，模型使用有機(jī)玻璃材料制作，采用1∶28的比尺，模型前模擬實(shí)際地形為1∶45的緩坡。試驗(yàn)時(shí)采用北京水科院生產(chǎn)的波壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采樣頻率為100 Hz，波壓力采集探頭從擋浪墻挑檐下端開始沿?cái)嗝嫦蚝?cè)方向布置，試驗(yàn)斷面模型布置及波浪壓力測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

1-a 試驗(yàn)斷面波浪水槽布置圖1-b 試驗(yàn)斷面模型及波浪壓力測(cè)點(diǎn)布置圖1 斷面模型布置及波浪壓力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 The test section model and wave pressure measuring point arrangement

試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)水深波浪要素，經(jīng)過比尺換算，采用的水深分別為d=11.6、12.9、20.9和26.4 cm，實(shí)際率定有效波高Hs= 7.9、11.4、12、12.7、14.0 cm，波周期Tm= 1.3、1.6、1.9 s。試驗(yàn)時(shí)每組試驗(yàn)工況造波時(shí)間為300 s，每組波系列共有約150～230個(gè)波，每次造波待水面平靜后對(duì)壓力傳感器進(jìn)行清零后繼續(xù)造波，每組工況重復(fù)3遍。試驗(yàn)處理時(shí)每組工況取每遍采集到的波壓強(qiáng)的前1/3個(gè)大值的平均值作為波壓強(qiáng)特征值進(jìn)行分析，并以Pc表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)通過安裝在試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娴牟▔毫鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，水深足夠時(shí)，模型前波浪形態(tài)主要以立波為主，僅在大波時(shí)發(fā)生破碎。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，采集到的波壓強(qiáng)時(shí)間過程具有明顯的周期性特征，波浪作用在結(jié)構(gòu)物上的波壓強(qiáng)值主要由一個(gè)在波浪作用瞬間產(chǎn)生的沖擊壓強(qiáng)和一個(gè)隨波峰面高度變化產(chǎn)生的緩變壓強(qiáng)兩個(gè)部分組成[10-11]。

2.1 波壓強(qiáng)沿模型表面分布規(guī)律分析

本次試驗(yàn)實(shí)測(cè)波壓強(qiáng)沿模型表面的分布主要分為兩個(gè)部分，一部分是波壓強(qiáng)沿模型迎浪面高程方向的分布，對(duì)應(yīng)于壓力測(cè)點(diǎn)布置圖中的1#～8#和15#～19#測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距靜水位的距離用z表示，定義靜水位以上方向z為正。另一部分是波壓強(qiáng)沿模型承臺(tái)底部水平方向的分布，對(duì)應(yīng)于壓力測(cè)點(diǎn)布置圖中的9#～14#測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距承臺(tái)到板樁墻連接處的距離用x表示，定義測(cè)點(diǎn)位置向造波機(jī)方向?yàn)檎?。圖2給出了試驗(yàn)水深d=26.4 cm時(shí)，相對(duì)波長(zhǎng)L/d=7.06的波壓強(qiáng)統(tǒng)計(jì)值Pc的分布，其中Hs/d表示相對(duì)波高，Pc/(γHs)表示相對(duì)壓強(qiáng)，z/d表示以靜水位為坐標(biāo)原點(diǎn)測(cè)點(diǎn)距離靜水位的相對(duì)高度，x/B表示測(cè)點(diǎn)距承臺(tái)與板樁墻連接處的相對(duì)距離。

2-a 波壓強(qiáng)高程方向分布2-b 波壓強(qiáng)水平方向分布圖2 不同波高下波壓強(qiáng)分布Fig.2 Wave pressure distribution under different wave heights

由圖2-a可知，在試驗(yàn)水深d=26.4 cm時(shí)，波壓強(qiáng)沿高程方向上的分布主要分為四個(gè)部分，且相對(duì)壓強(qiáng)值隨相對(duì)波高的增大而增大。第I部分為在靜水位以下的板樁墻部分，其上的波壓強(qiáng)值沿高度方向的分布幾乎不變，可能的原因是由于前置擋浪墻和承臺(tái)的庇護(hù)，直接作用在板樁墻上的波浪較小，波壓強(qiáng)主要由擋浪墻前波峰面升高而產(chǎn)生的緩變壓強(qiáng)所致。第II部分至第III部體現(xiàn)為波壓強(qiáng)隨著相對(duì)高度z/d的增加而先增大后減小，在靜水位處為波壓強(qiáng)最大值，其波壓強(qiáng)分布趨勢(shì)同各家直立堤波壓強(qiáng)計(jì)算理論分布基本吻合。第IV部分由于挑檐的存在，使得本應(yīng)隨著z/d的增加而減小的波壓強(qiáng)值反而逐步增大。這是因?yàn)橛捎谔糸艿淖钃酰沟帽緫?yīng)隨著波浪水體升高而造成的波浪動(dòng)能向勢(shì)能轉(zhuǎn)化這一過程受到阻礙，波浪撞擊能量較大，從而導(dǎo)致距離挑檐越近的部位波壓強(qiáng)值反而增大。而且受挑檐的影響，波壓強(qiáng)值增大的部分范圍隨著波高的增大而增大，當(dāng)波高Hs/d=0.530時(shí)，第III部分幾乎消失，靜水位以上波壓強(qiáng)隨著z/d的增加而增大。由圖2-b可知，各相對(duì)波高下模型承臺(tái)底部波壓強(qiáng)沿水平方向的分布變化幅度較小，波壓強(qiáng)沿水平方向分布幾乎不變，因此實(shí)際工程中當(dāng)水深超過直立堤承臺(tái)底部一定高度時(shí)，承臺(tái)底部波壓強(qiáng)均可視為均勻分布進(jìn)行計(jì)算。

2.2 入射波相對(duì)波長(zhǎng)對(duì)波壓強(qiáng)的影響

波浪的波長(zhǎng)作為設(shè)計(jì)波要素的重要參數(shù)之一，其對(duì)描述波浪的形態(tài)以及分析波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用具有重要意義。當(dāng)入射波波高一定時(shí)，波長(zhǎng)的變化不僅影響到波浪波峰面作用到建筑物的角度，從而導(dǎo)致作用在結(jié)構(gòu)物上波壓力的不同。而且當(dāng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)周期波具有將挑檐下部空間填滿的趨向，導(dǎo)致后面的波浪直接越過堤頂，挑檐并未起到挑浪的作用，從而使得挑檐端部附近的波壓強(qiáng)反而有所減小。圖3給出了試驗(yàn)水深d=26.4 cm，相對(duì)波高Hs/d=0.530時(shí)，模型各測(cè)點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)與相對(duì)波長(zhǎng)之間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，各測(cè)點(diǎn)處在相對(duì)波長(zhǎng)L/d=9.04時(shí)的波壓強(qiáng)值明顯大于相對(duì)波長(zhǎng)L/d=7.06時(shí)，表明波壓強(qiáng)隨相對(duì)波長(zhǎng)的增大而增大。但當(dāng)相對(duì)波長(zhǎng)L/d=10.97時(shí)，各測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)卻并沒有增大，同時(shí)挑檐附近的測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)值反而有所減小。圖4分別給出了入射波周期不同下挑檐與擋浪墻連接處的波壓強(qiáng)值及越浪量的變化關(guān)系，可以看出對(duì)應(yīng)于越浪量的明顯增大，挑檐與擋浪墻連接處的波壓強(qiáng)值出現(xiàn)顯著性的減小。

圖3 不同波長(zhǎng)下波壓強(qiáng)分布Fig.3 Wave pressure distribution under different wavelengths圖4 波壓強(qiáng)與越浪量關(guān)系(1#測(cè)點(diǎn))Fig.4 Relationship between wave pressure and overtopping volume (1 # point)

2.3 水深對(duì)波壓強(qiáng)的影響

海港水文規(guī)范[12]曾根據(jù)直立堤基床形式、堤前水深、波高、周期等條件將堤前波浪分為立波、近破波、遠(yuǎn)破波三種形態(tài)，其中堤前水深對(duì)決定直立式建筑物的波態(tài)最為重要。本次試驗(yàn)在波高Hs=7.9 cm時(shí)分別對(duì)不同的水深d= 11.6、12.9、20.9和26.4 cm進(jìn)行試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)中各水深條件下堤前波浪形態(tài)可知，當(dāng)水深d= 11.6、12.9 cm時(shí)，此時(shí)靜水位在承臺(tái)以下，堤前波浪大多出現(xiàn)遠(yuǎn)破波形態(tài)，而當(dāng)水深d= 20.9、26.4 cm時(shí)，堤前波浪形態(tài)以立波為主，試驗(yàn)所得各測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)分布見圖5。由圖可知，當(dāng)試驗(yàn)水深較小時(shí)，波浪以遠(yuǎn)破波的形態(tài)直接作用在板樁墻上，此時(shí)板樁墻上波壓強(qiáng)值遠(yuǎn)大于水深較大時(shí)波浪形態(tài)為立波時(shí)的波壓強(qiáng)值。板樁墻上波壓強(qiáng)值隨著相對(duì)高度z/d(此時(shí)的z以實(shí)際地面為原點(diǎn))的增加而顯著增大，在承臺(tái)與板樁墻連接處為最大值，同時(shí)，板樁墻上波壓力值隨著承臺(tái)底部的超高△h(△h為承臺(tái)底部距靜水位的距離)的減小而增大。圖5-b給出了不同承臺(tái)超高 △h/Hs下承臺(tái)底部上托壓強(qiáng)分布圖，可以看出，當(dāng)水深較大，承臺(tái)底部超高△h為負(fù)時(shí)，波壓強(qiáng)沿程分布幾乎不變，可以視為均布?jí)簭?qiáng)進(jìn)行處理。而水深較小，承臺(tái)底部超高h(yuǎn)為正時(shí)，波浪對(duì)承臺(tái)底部的作用夾雜著空氣顯得十分復(fù)雜紊亂，波壓強(qiáng)沿承臺(tái)底部分布也變化較大，波壓強(qiáng)在承臺(tái)與板樁墻連接處的承臺(tái)底部測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)最大值，且隨著x/B的增加而減小?？梢缘贸?，當(dāng)波浪在堤前發(fā)生遠(yuǎn)破波形態(tài)時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用遠(yuǎn)比發(fā)生立波形態(tài)時(shí)大的多，因此對(duì)板樁墻和承臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別關(guān)心低水位時(shí)的工況，并以此為設(shè)計(jì)時(shí)的控制工況。

5-a 波壓強(qiáng)高程方向分布5-b 波壓強(qiáng)水平方向分布圖5 不同試驗(yàn)水深下波壓強(qiáng)分布Fig.5 Wave pressure distribution under different water depths

3 試驗(yàn)值與各家公式比較及經(jīng)驗(yàn)公式

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷?shí)際因地制宜而設(shè)計(jì)的新型防波堤結(jié)構(gòu)形式，在國(guó)內(nèi)規(guī)范中尚未對(duì)該種結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)，為進(jìn)一步對(duì)該板樁承臺(tái)式直立堤波壓強(qiáng)進(jìn)行分析與描述，擬結(jié)合類似現(xiàn)有研究較為成熟的直立墻前波壓力理論公式與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，得出概括性的結(jié)論，為類似工程提供參考依據(jù)。

6-a 海港水文規(guī)范公式與試驗(yàn)值比較6-b 森弗羅公式與試驗(yàn)值比較圖6 試驗(yàn)值與公式計(jì)算值比較Fig.6 Comparison of test values and formula calculation value

3.1 試驗(yàn)值與公式比較

由上述分析可知，當(dāng)靜水位低于承臺(tái)時(shí)，波浪作用在承臺(tái)上的浮托力明顯增大，故為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)一般使得承臺(tái)底部淹沒在設(shè)計(jì)水位下一定距離。本次試驗(yàn)研究分別選用《海港水文規(guī)范2013》波壓力立波計(jì)算公式[12](d≥1.8Hs且d/L=0.05～0.12)和森弗羅公式計(jì)算波壓強(qiáng)值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果詳見圖6。比較可知，對(duì)于靜水位以下的第I、第II部分，森弗羅公式在第II部分與本次試驗(yàn)值相比明顯偏小，而規(guī)范公式則均將試驗(yàn)值包含在內(nèi)，波壓強(qiáng)豎向分布規(guī)律與試驗(yàn)值相吻合。但這兩類公式波壓強(qiáng)計(jì)算值隨相對(duì)波高的變化規(guī)律均與試驗(yàn)值相悖，原因在于這兩類波壓強(qiáng)計(jì)算公式均是以波浪在堤前成立波形態(tài)得出的，而本次試驗(yàn)雖以有效波高作為特征波高進(jìn)行處理時(shí)滿足立波條件，但當(dāng)不規(guī)則波序列中的波高大于有效波高時(shí)，其波浪在堤前呈破碎形態(tài)，從而造成波浪相對(duì)壓強(qiáng)值隨相對(duì)波高的增大而增大。由圖2-a中亦可以看出，試驗(yàn)相對(duì)壓強(qiáng)值在相對(duì)波高Hs/d= 0.455到H/d= 0.481之間出現(xiàn)了較大的變化幅度，可以認(rèn)為隨著波高逐步變大，波序列中出現(xiàn)了較多的破碎波浪，從而使得相對(duì)波壓強(qiáng)值明顯變大。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式修正與擬合

表1 波壓強(qiáng)計(jì)算系數(shù)表Tab.1 The calculation coefficients of wave pressure

3.2.1 靜水位以下部分公式修正

由3.1節(jié)的內(nèi)容可知，海港水文規(guī)范公式(d≥1.8Hs且d/L=0.05～0.12)與試驗(yàn)值吻合度較高，但是由于破碎波的存在使得波浪相對(duì)壓強(qiáng)隨相對(duì)波高的變化規(guī)律有所不同，本節(jié)采用規(guī)范公式的波壓強(qiáng)公式計(jì)算形式，對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行重新擬合，經(jīng)多元非線性回歸分析得靜水位以下波壓強(qiáng)計(jì)算公式如下，公式計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見圖7。

板樁墻或0.5倍水深以下按pbc均勻分布計(jì)算

7-a 不同相對(duì)波高下7-b 不同相對(duì)波長(zhǎng)下圖7 試驗(yàn)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比Fig.7 Comparison of test values and modified formula values

3.2.2 靜水位以上部分公式擬合

對(duì)于靜水位以上部分，由于挑檐的阻擋作用使得這部分的水體十分紊亂，不同位置處的波壓強(qiáng)作用機(jī)理也不相同。對(duì)于挑檐與擋浪墻直立部分連接處的1#測(cè)點(diǎn)，當(dāng)波高與堤頂超高比值較大時(shí)，波浪因結(jié)構(gòu)阻擋而產(chǎn)生的向上水體直接撞擊在該處，造成該測(cè)點(diǎn)的波壓強(qiáng)值突增，因而在分析時(shí)應(yīng)對(duì)此部位與其他部位分別考慮。

圖8 靜水位以上波壓強(qiáng)公式計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.8 Comparison of test values and formula values above the still water level

基于以上分析，對(duì)于挑檐與擋浪墻直立部分連接處受到波浪水體直接撞擊的部分，宜認(rèn)為其波壓強(qiáng)值約為2～4倍靜水位處波壓強(qiáng)值。同時(shí)考慮到當(dāng)波浪波長(zhǎng)足夠大時(shí)，挑檐的作用影響甚微，但基于本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)限制，本次公式擬合將不考慮波長(zhǎng)足夠大的情況，將其視作安全儲(chǔ)備。根據(jù)靜水位以上其他部位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析規(guī)律確定函數(shù)形式并運(yùn)用回歸分析得靜水位以上波壓強(qiáng)計(jì)算公式如下

挑檐與擋浪墻直立部分連接處：pc=(2～4)poc

式中:Rc為堤頂高程至靜水位處超高；B為挑檐的寬度。

公式適用范圍：0.2≤Hs/d≤0.55，0.4≤Hs/Rc≤0.9，d/L=0.05～0.15

公式計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見圖8，試驗(yàn)值與計(jì)算值相關(guān)系數(shù)為0.90，公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

4 結(jié)論

(1)足夠水深時(shí)，板樁承臺(tái)式直立堤結(jié)構(gòu)波壓強(qiáng)在豎向分布上主要分為四個(gè)部分，靜水位以上波壓強(qiáng)值受挑檐的影響隨相對(duì)高度增大而增大，承臺(tái)底部波壓強(qiáng)分布近似均勻分布。

(2)在不同波高與周期作用下，相對(duì)波壓強(qiáng)值隨波高的增大而增大，當(dāng)波高增大到一定程度導(dǎo)致破碎波浪的出現(xiàn)時(shí)，相對(duì)波壓強(qiáng)值將出現(xiàn)突增；相對(duì)波壓強(qiáng)值隨波長(zhǎng)的增大而增大，但當(dāng)波長(zhǎng)足夠大時(shí)，由于波浪越浪形態(tài)發(fā)生變化，波浪直接越過堤頂，挑檐對(duì)波浪水體影響較小，反而出現(xiàn)挑檐附近相對(duì)波壓強(qiáng)值的減小。

(3)當(dāng)靜水位低于承臺(tái)底部時(shí)，波浪以遠(yuǎn)破波的形態(tài)直接作用于板樁墻和承臺(tái)底部，此時(shí)波壓強(qiáng)值將顯著增大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)此種工況予以特別重視。

(4)本文擬合修正公式與試驗(yàn)值吻合較好，可供類似工程參考借鑒。