透空式進海路波浪力計算方法的試驗研究*

何舒玥，李華軍，廖紹華，劉 勇

(1.中國海洋大學 山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100；2.中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

中國黃河三角洲等灘海地區(qū)蘊藏著豐富的石油資源，經(jīng)常采用“海油陸采”的石油開發(fā)模式，即修建海上人工島，在人工島上設(shè)置采油平臺，并通過進海路將人工島與岸線相連。傳統(tǒng)進海路采用堆砌式結(jié)構(gòu)，透水性差，嚴重影響近岸環(huán)境。新型樁基支撐透空式進海路結(jié)構(gòu)具有水體交換性能優(yōu)良、對近岸環(huán)境影響小的優(yōu)點，已經(jīng)在勝利油田實際工程中應用，取得了很好的工程效果。但是，透空式進海路的波浪作用機理比較復雜，進海路上部結(jié)構(gòu)的波浪荷載計算方法缺乏，給工程設(shè)計造成較大困難。

針對各類透空式建筑物上部結(jié)構(gòu)的波浪荷載作用特性和計算方法，已經(jīng)有許多學者開展了研究工作。合田良實[1]對棧橋面板所受波浪力進行了試驗研究，認為棧橋面板受到的波浪壓強均勻分布，作用長度為四分之一波長，并給出了浮托力的計算公式。谷本勝利等[2]認為水平板受到的波浪作用由靜水壓強和沖擊壓強組成，利用勢流理論，在考慮水平板底面存在空氣層的情況下，對水平板底部波浪力進行了理論分析和試驗驗證。過達和蔡保華[3]試驗測量了透空式碼頭面板的波浪作用力，給出了破碎波與非破碎波作用下不同型式碼頭面板的浮托力計算公式。周益人等[4-5]開展了透空式水平板波浪浮托力的系列物理模型試驗，發(fā)現(xiàn)透空式水平板總浮托力的最大值與沖擊壓強的最大值通常不同步出現(xiàn)，它們所對應的壓強分布形式通常也不一致，并給出了水平板最大沖擊壓強和最大波浪浮托力的計算方法。任冰等[6]應用改進的SPH方法，研究了透空式結(jié)構(gòu)底面受波浪沖擊過程中的流場和壓力場的變化特性。

以上研究工作主要考慮波浪對透空式薄板結(jié)構(gòu)的浮托力作用，很少考慮結(jié)構(gòu)承受的水平波浪力。透空式進海路橋面內(nèi)部需埋設(shè)輸油管線和電纜溝等，其上部橋面結(jié)構(gòu)的厚度較大，在進行波浪力分析時，不能將其等同于水平薄板式結(jié)構(gòu)，需要同時考慮浮托力和水平波浪力的作用。本文將通過物理模型試驗，分析透空式進海路上部結(jié)構(gòu)的浮托力和水平波浪力，研究結(jié)構(gòu)的波浪力計算方法，為透空式進海路的工程設(shè)計提供指導。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設(shè)備和方法

物理模型試驗在中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室的波流水槽內(nèi)進行，水槽長60 m 、寬3 m、深 1.5 m。水槽一端安裝推板式造波機，另一端設(shè)置斜坡式多孔消波裝置，可以有效降低水槽末端波浪反射的影響。

參照東營勝利油田某全直樁透空式進海路工程，按照1∶25的比尺制作試驗模型。試驗模型主要由樁基礎(chǔ)、抱箍(橫梁)、橋面三部分組成，透空式進海路模型設(shè)置在距離造波機38 m遠處，圖1給出進海路模型在水槽中的布置圖。沿水槽寬度方向共布置七跨整橋面，每跨橋面長0.4 m(沿水槽寬度方向)，高0.079 m，寬度為0.24和0.4 m兩種。橋面固定在抱箍上，每個抱箍的寬度為7.2 cm，抱箍由外徑為4.8 cm的空心鋼管樁支撐，鋼管樁焊接固定在水槽底部的預埋鋼板上。對于0.24 m寬的窄橋面(單車道橋面)，每個抱箍下面等間距設(shè)置三根管樁，對于0.4 m寬的寬橋面(雙車道橋面)，每個抱箍下面等間距設(shè)置四根管樁。橋面和抱箍均采用木板制作，結(jié)構(gòu)的斷面尺寸見圖2。

圖1 透空式進海路物理模型試驗布置圖Fig.1 Sketch of experimental test for pile-supported sea access road

圖2 透空式進海路上部結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：mm)Fig.2 Section of upper structure for pile-supported sea access road (unit:mm)

采用規(guī)則波進行透空式進海路波浪力試驗，參照東營透空式進海路的工程設(shè)計波況，試驗波浪周期T= 1.6 s(原型波浪周期為8.0 s)，試驗波高取極限破碎波高，即水深的0.6倍。試驗水深d取10種不同的值(d=0.23～0.40 m)，進海路橋底面與海床之間的間距h取8種不同的值(h=0.26～0.42 m)，橋底與靜水面之間的凈空高度Δh=h-d=-0.04～0.09 m，其中：當進海路橋底面在靜水面以下時，橋面凈空高度Δh為負值。表1列出各物理模型試驗參數(shù)的具體值，圖3則給出各試驗參數(shù)的定義。需要說明的是，如果每排樁基礎(chǔ)中的樁數(shù)目增加或橋面跨度減小，樁基礎(chǔ)對波浪的反射作用會增加，進海路上部結(jié)構(gòu)的波浪作用力有可能增加。對于該問題，有必要在今后開展進一步的研究工作。

表1 透空式進海路物理模型試驗參數(shù)Table 1 Experimental Parameters for pile-supported sea access road

圖3 透空式進海路模型參數(shù)定義圖Fig.3 Parameter definition of pile-supported sea access road model

1.2 試驗數(shù)據(jù)采集和分析

試驗中，在中間一跨橋面的迎浪面、底面及抱箍上安裝點壓力傳感器，測量波浪作用下橋面上的動水壓強分布。由于試驗模型沿水槽中軸線對稱布置，只在中間半跨橋面上布置了點壓力傳感器，認為未布置傳感器的半跨橋面的壓強分布與另一側(cè)對稱位置相同。點壓力傳感器的采樣頻率為50 Hz，每次試驗重復2次，取平均值。

將各點壓力傳感器的動水壓強測量值沿結(jié)構(gòu)表面進行積分，得到透空式進海路單位長度上部結(jié)構(gòu)的浮托力和總水平波浪力時間歷程線。圖4給出典型工況下，透空式進海路單位長度上部結(jié)構(gòu)浮托力Fu和總水平波浪力Fh時間歷程線的試驗結(jié)果。分析總波浪力的時間歷程線，得到透空式進海路上部結(jié)構(gòu)浮托力和總水平波浪力的峰值，通過分析總波浪力峰值的試驗結(jié)果，給出透空式進海路上部結(jié)構(gòu)的波浪力計算方法。

(d = 0.40 m，h = 0.38 m，H = 0.24 m，B = 0.4 m)圖4 總波浪力時間歷程線Fig.4 Time histories of total wave forces

2 浮托力計算方法

2.1 已有典型計算方法

目前，有許多學者提出了不同的透空式結(jié)構(gòu)浮托力計算方法，但是由于透空式結(jié)構(gòu)浮托力的影響因素比較復雜，不同計算方法所考慮的具體結(jié)構(gòu)型式和試驗條件不同，因此不同方法的計算結(jié)果存在較大差異。

我國海港工程設(shè)計手冊[7]給出碼頭上部結(jié)構(gòu)底面平均波壓力計算方法：

(1)

(2)

式中：p為平均動水壓強；γ為水的重度；β為壓強反應系數(shù)，當上部結(jié)構(gòu)的寬度B≤ 10 m時，β= 1.5，當上部結(jié)構(gòu)的寬度較大時，取β= 2.0；η為波峰面在靜水面以上的高度；波數(shù)k= 2π /L。將平均動水壓強乘結(jié)構(gòu)底面的受力面積，便可以得到碼頭面板承受的波浪浮托力。

過達和蔡保華[3]通過透空式碼頭面板的上托力試驗，提出了波壓強修正法，根據(jù)波浪理論及有關(guān)試驗資料的分析，將面板上的波浪浮托力壓強值表示為面板相對靜空高度Δh/H的指數(shù)函數(shù)：

(3)

式中:α1為壓強系數(shù)[3]；α2為波面修正系數(shù)[3]；a為最大壓強值位置的超高系數(shù)，對非破碎波取a=0.2，對破碎波取a=0.3；n為指數(shù)曲線修正系數(shù)，當(Δh/H-a)> 0時，n=-3.5，當(Δh/H-a) <0時，n=3.5，對于高樁碼頭面板，n=2.5。將浮托力壓強與受力面積相乘，得到結(jié)構(gòu)承受的浮托力。

周益人等[5]對透空式水平板進行了系列試驗研究，給出單位長度透空式水平板上最大波浪浮托力Fu的計算公式：

(4)

(5)

(6)

其中：K為沖擊角度影響系數(shù)；K0為相對板寬影響系數(shù)，當L/B>10時取1.7，當L/B≤10時取1.4；K1為板寬和水深影響系數(shù)，如果B/H<1.68，取B/H=1.68。

我國海港水文規(guī)范[8]給出離岸式高樁碼頭單位長度面板承受最大浮托力Fu的計算方法：

(7)

(8)

(9)

式中：λ1為面板寬度影響系數(shù)；x為面板底部的波浪作用寬度(沿波浪傳播方向)，當x>B時，取x=B。

2.2 本文浮托力計算方法

通過已有透空式結(jié)構(gòu)的浮托力計算方法可以看出，相對凈空高度Δh/H是浮托力的主要影響因素。圖5給出透空式進海路單位長度橋面上受到的無因次浮托力Fu/γHB與相對凈空高度Δh/H之間的關(guān)系，可以看出：浮托力在Δh/H接近0時達到最大值，且隨著Δh/H絕對值的增大而減??；窄橋面(B= 0.24 m)和寬橋面(B= 0.4 cm)的無因次浮托力變化規(guī)律基本一致，且在相同波況下無因次浮托力的值比較接近。

(a．橋面寬度(B)=0.24 m；b．橋面寬度(B)=0.4 m。a．Deck width(B)=0.24 m；b．Deck width(B)= 0.4 m.)
圖5 浮托力Fu與相對凈空高度Δh/H之間的關(guān)系
Fig.5 Relationship between the uplift forceFuand the relative clearance height Δh/H

圖5中觀察到的浮托力變化規(guī)律與過達和蔡保華[3]的研究結(jié)果比較一致，因此將過達和蔡保華[3]公式中的系數(shù)進行調(diào)整，得到透空式進海路上部結(jié)構(gòu)的浮托力計算公式。將過達和蔡保華[3]公式進行改進的主要原因包括：(1)過達和蔡保華[3]公式中，壓強系數(shù)和波面修正系數(shù)與透空式結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，本文透空式進海路結(jié)構(gòu)與過達和蔡保華[3]所研究結(jié)構(gòu)存在很大差異；(2)透空式進海路上部結(jié)構(gòu)受到的最大浮托力出現(xiàn)在相對凈空高度接近0的位置(見圖5)，與過達和蔡保華[3]公式中超高系數(shù)取0.2不同。

參照公式(3)，并通過分析本文試驗數(shù)據(jù)，給出以下透空式進海路單位長度橋面上浮托力Fu的計算公式：

(10)

式中：η為波峰面在靜水面以上的高度，其計算方法見公式(2)；當Δh/H> 0時，μ1= 0.65，μ2= -4；當Δh/H≤ 0時，μ1= 1 -Δh/H，μ2= 4。圖6給出公式(10)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，可以看出：計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，計算結(jié)果通常大于試驗結(jié)果，對于工程設(shè)計而言偏于安全；窄橋面計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.955，寬橋面計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.925。

圖6 透空式進海路橋面無因次浮托力計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.6 Comparison between the calculated and experimental reuslts for the dimensionless uplift force on the deck of sea access road

2.3 不同浮托力計算方法對比

將本文提出的浮托力計算公式(10)與3.1節(jié)所述文獻中的4種浮托力計算公式進行了對比，圖7給出典型的對比結(jié)果。從圖7可以看出：不同公式的計算結(jié)果差異很大，本文公式(10)的計算結(jié)果與透空式進海路上部結(jié)構(gòu)浮托力的試驗結(jié)果符合最好。本文公式的計算結(jié)果與周益人等[5]公式的計算結(jié)果比較接近，但是明顯小于海港工程設(shè)計手冊[7]、過達和蔡保華[3]以及海港水文規(guī)范[8]公式的計算結(jié)果，這說明：當透空式結(jié)構(gòu)型式不同時，結(jié)構(gòu)所承受的浮托力存在很大差異，在浮托力分析中要充分考慮結(jié)構(gòu)型式的影響。

3 水平力計算方法

在本文物理試驗中，所有試驗條件下波浪都會越過透空式進海路的上部橋面，即橋面的整個迎浪面都會承受水平波浪力的作用，因此在水平波浪力分析中，考慮單位長度橋面的整個迎浪面所受的波浪力。圖8給出無因次單位長度橋面的水平波浪力Fh/γHW與相對凈空高度Δh/H之間的關(guān)系，圖中橫坐標為Δh/H，縱坐標為Fh/γHW的對數(shù)值，可以看出：-ln (Fh/γHW)近似為Δh/H的指數(shù)函數(shù)。

(a．橋面寬度(B)= 0.24 m，橋面底高(h)= 0.42 m；b．橋面寬度(B)= 0.4 m，橋面底高(h)= 0.42 m。a．Deck width(B)= 0.24 m，Bottom height of deck(h)= 0.42；b．Deck width(B)= 0.4 m，Bottom height of deck(h)= 0.42 m.)
圖7 不同方法浮托力計算結(jié)果對比
Fig.7 Comparison of the caculation results by different methods for uplift forces

依據(jù)圖8的分析結(jié)果，對試驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，給出透空式進海路單位長度上部結(jié)構(gòu)水平波浪力的計算公式：

(11)

(12)

圖9給出公式(11)的計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，可以看出：計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近，窄橋面計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.927，寬橋面計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.955。

(a．橋面寬度(B)=0.24 m；b．橋面寬度(B)=0.4 m。a．Deck width(B)=0.24 m；b．Deck width(B)=0.4 m.)
圖8 水平波浪力Fh與相對凈空高度Δh/H之間的關(guān)系
Fig.8 Relationship betweenthe horizontal wave forceFhand the relative clearance height Δh/H

圖9 透空式進海路橋面無因次水平波浪力計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison of the calculated and experimental reuslts for the dimensionless horizontal wave forces on the deck of sea access road

4 結(jié)語

本文開展了系列物理模型試驗，測量了透空式進海路上部結(jié)構(gòu)的動水壓強分布，分析了結(jié)構(gòu)承受的浮托力和水平波浪力。研究發(fā)現(xiàn)：相對凈空高度是透空式進海路上部橋面結(jié)構(gòu)波浪力的主要影響因素，當相對凈空高度接近0時，橋面浮托力達到最大值。以模型試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，建立了透空式進海路上部橋面結(jié)構(gòu)浮托力和水平波浪力的計算公式，并與文獻中已有透空式結(jié)構(gòu)浮托力的計算公式進行了對比分析。本文浮托力和水平波浪力公式的計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，可用于透空式進海路結(jié)構(gòu)的初步工程設(shè)計。