淺海牧場式圍欄設(shè)施中柱樁波流力計算方法比較

王 剛，孫一艷*，雷 鵬，王占行，馬玉蓮，丁 磊

(1.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141；2.天津科技大學 海洋與環(huán)境學院，天津 300457)

近年來，國家大力推進生態(tài)健康養(yǎng)殖，鼓勵發(fā)展海洋牧場[1-3]立體養(yǎng)殖和外海深水抗風浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖等生態(tài)健康養(yǎng)殖模式。淺海牧場式圍欄設(shè)施符合漁業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，是海水養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)業(yè)升級的重要新興技術(shù)，借助水運樁基的工程經(jīng)驗和銅合金網(wǎng)衣的研究應(yīng)用成果，有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。目前該模式發(fā)展迅速，尤其是在椒江大陳島海域大型牧場式淺海圍欄設(shè)施以及大黃魚生態(tài)放養(yǎng)模式的創(chuàng)新發(fā)展方面起到了很好地應(yīng)用效果。

目前，圍欄設(shè)施柱樁所處水深大、自由長度高,主要承受水平力，對抗彎要求高，故一般采用預(yù)應(yīng)力砼管樁和鋼管樁。波流力是柱樁所受的主要荷載[4]，直接影響著樁基的型式和斷面尺寸，對柱樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全具有重要的影響[5]。當波流夾角為0時，柱樁所受的波流力數(shù)值最大，因此將其作為工程波流力的設(shè)計值[6-7]。目前工程設(shè)計中常用的兩種柱樁波流力計算方法分別為：(1)根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.3條和《港口工程荷載規(guī)范》[9](JTS 144-1-2010)第13章分別計算正向波浪力和水流力，再將二者線性疊加；(2)根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.4條直接計算正向波流力，此方法考慮了波浪和水流之間的影響。然而，目前關(guān)于兩種方法計算差異的比較還鮮有報道，這就給工程設(shè)計中的方法選擇增添了困難，于是，本文將結(jié)合椒江大陳島海域大型淺海牧場式圍欄設(shè)施工程設(shè)計需求，基于以上兩種方法，比較不同波浪和水流條件下兩者結(jié)果差異，分析影響差異的主要因素，為今后淺海圍欄設(shè)施中柱樁工程設(shè)計的方法選擇和科學研究提供一定的參考依據(jù)。

1 計算方法

圍欄設(shè)施柱樁一般為D/L≤0.2(D為柱樁的直徑，L為波長)的小尺度柱樁，本文將基于此前提條件進行計算。

1.1 方法一

1.1.1 波浪力計算

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.3條，作用于整個柱體高度上的正向波浪力由速度分力和慣性分力組成，其最大速度分力PDmax和最大慣性分力Plmax的確定方法如下：

(1)當H/d≤0.2且d/L≥0.2或H/d>0.2且d/L≥0.35時，PDmax和Plmax分別按下列公式計算

(1)

(2)

(3)

(4)

PDmax和Plmax對z1斷面的力矩MDmax和Mlmax分別按下列公式計算

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：H為波高；d為水深；z1、z2為計算點在水底面以上的高度；γ為水的重度；g為重力加速度；CD為速度力系數(shù)，對圓形斷面取1.2；CM為慣性力系數(shù)，對圓形斷面取2.0；A為柱體的斷面積，m2。計算整個柱體上的PDmax及其對水底面的力矩MDmax時，取z1=0和z2=d+ηmax；而在計算整個柱體上的Plmax及其對水底面的力矩Mlmax時，取z1=0和z2=d+ηmax-H/2，其中ηmax為波峰在靜水面以上的高度。當H/d≤0.2且d/L<0.2或H/d>0.2且d/L<0.35時，可按上述方法計算作用于整個柱體上的正向波浪力，并應(yīng)對PDmax乘以系數(shù)α；對MDmax乘以系數(shù)β。α和β可分別查圖確定。當0.04≤d/L≤0.2時，尚應(yīng)對Plmax乘以系數(shù)γP，對Mlmax乘以系數(shù)γM。系數(shù)γP和γM可查圖確定。

(2)作用于整個柱體高度上的正向最大總波浪力Pmax和對水底面的最大總波浪力矩Mmax可按下述方法確定：當PDmax>0.5Plmax時，兩者分別按式(9)和式(10)進行計算

Pmax=Plmax

(9)

Mmax=Mlmax

(10)

當PDmax>0.5Plmax時，兩者分別按式(11)和式(12) 進行計算

(11)

(12)

1.1.2 水流力計算

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[9](JTS144-1-2010)第13章，作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的水流力標準值Fw應(yīng)按下式計算

(13)

其中：Fw為水流力標準值；V為水流設(shè)計流速；Cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，海水取1.025 t/m3；A為計算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積。水流力的作用方向與水流方向一致，當下部構(gòu)件頂面在水面以上時，其合力作用點位于水面以下1/3水深處。

將上述最大總波浪力和對水底面的最大總波浪力矩分別和對應(yīng)的水流力和水流力矩線性疊加，即得到最大總波流力和總波流力矩。

1.2 方法二

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.4條，作用于水底面以上高度z處單位長度柱體斷面上的正向波流力p(z,t)按下列公式計算

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

ωr=ω-kuc

(19)

(20)

其中：T為波浪周期，不規(guī)則波時取譜峰周期TP。求作用于整個柱體高度上的總波流力Pwc(t)時，沿柱體自水底z=0到波面z=d+η對p(z,t)進行積分，即

(21)

波面在靜水面以上的高度η值按下式計算

η=ηmaxcosωt

(22)

從式(21)得到的關(guān)于Pwc的時間序列中可以確定最大總波流力Pwcmax。同理，可以通過式(23)確定對水底面的的最大總波流力矩Mwcmax：

(23)

需要說明的是，以上求解過程是借助工程上常用的MathCAD軟件編制計算程序完成的。

2 結(jié)果分析

2.1 計算工況

結(jié)合椒江大陳島海域大型淺海牧場式圍欄設(shè)施工程設(shè)計需求，確定計算工況如下，圍欄設(shè)施布置示意圖見圖1。(1)水深d：10 m；(2)柱樁直徑D：1 m；(3)波高H1%：2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m；(4)平均周期T： 5、6、7、8、9 s；(5)流速V：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。

圖1 圍欄設(shè)施平面布置Fig.1 Layout of the fence facilities

2.2 結(jié)果分析

這里首先以3.0 m波高值對應(yīng)的結(jié)果為例，表1和表2分別給出了方法一和方法二的計算結(jié)果。為了更加直觀地顯示，圖2和圖3分別給出了最大總波流力和最大總波流力矩隨流速的變化，結(jié)果表明，由方法一和方法二計算得到的最大總波流力和最大總波流力矩均隨流速的增大而增大，而且兩種方法計算結(jié)果的差別也隨之逐漸增大，采用方法二得到的最大總波流力和最大總波流力矩分別是采用方法一計算結(jié)果的1.05～1.97倍和1.00～1.67倍，說明對于柱樁的工程設(shè)計，采用方法二較方法一偏保守。圖4和圖5則分別給出了最大總波流力和最大總波流力矩隨平均周期的變化，方法一計算的兩者基本不隨平均周期變化，而方法二得到的結(jié)果盡管呈現(xiàn)出隨平均周期的增大而增大，但增加的幅度逐漸減小，不及其隨流速增加的幅度。在以上結(jié)論的基礎(chǔ)上，這里選取平均周期為9 s時的計算結(jié)果，進一步討論波高的影響效果。圖6和圖7分別給出了最大總波流力和最大總波流力矩隨波高的變化，兩者均隨波高呈增長趨勢。同時，相比于波高和平均周期，流速對兩種方法計算結(jié)果差異的影響更為顯著，隨著流速的逐漸增大，其差異也逐漸增大。

表1 圍欄設(shè)施柱樁波流力計算(方法一)Tab.1 The wave-current forces on the pile of fence facilities (Method 1)

表2 圍欄設(shè)施柱樁波流力計算(方法二)Tab.2 The wave-current forces on the pile of fence facilities (Method 2)

注:空心:方法一;實心:方法二。圖2 最大總波流力隨流速的變化Fig.2 Variation of the maximum total wave-current forces with velocity注:空心:方法一;實心:方法二。圖3 最大總波流力矩隨流速的變化Fig.3 Variation of the maximum total wave-current torques with velocity

注:空心:方法一;實心:方法二。圖4 最大總波流力隨平均周期的變化Fig.4 Variation of the maximum total wave-current forces with mean period注:空心:方法一;實心:方法二。圖5 最大總波流力矩隨平均周期的變化Fig.5 Variation of the maximum total wave-current torques with mean period

注:空心:方法一;實心:方法二。圖6 最大總波流力隨波高的變化Fig.6 Variation of the maximum total wave-current forces with wave height注:空心:方法一;實心:方法二。圖7 最大總波流力矩隨波高的變化Fig.7 Variation of the maximum total wave-current torques with wave height

3 結(jié)論

本文結(jié)合椒江大陳島海域大型淺海牧場式圍欄設(shè)施工程設(shè)計需求，基于現(xiàn)行規(guī)范中常用的兩種柱樁波流力的計算方法，對不同波浪和水流條件下最大總波流力和總波流力矩隨波高、平均周期和流速的變化趨勢進行了探討，同時比較了兩種方法計算結(jié)果的差異并分析了影響差異的主要因素，得到如下結(jié)論：(1)兩種方法得到的最大總波流力和總波流力矩均隨波高和流速的增大而增大，而受平均周期的影響較小；(2)方法二的計算結(jié)果較方法一偏保守，相比于波高和平均周期，流速對兩種方法計算結(jié)果差異的影響更為顯著，隨著流速的逐漸增大，其差異也逐漸增大，現(xiàn)階段建議在大流速條件下確定圍欄設(shè)施中柱樁波流力時需結(jié)合相應(yīng)物理模型試驗結(jié)果。后續(xù)將進行淺海牧場式圍欄整裝設(shè)施物理模型試驗，對上述兩種計算方法進行進一步比較，為淺海牧場式圍欄設(shè)施中柱樁工程設(shè)計和科學研究提供更為有效的參考。