埋深對墩式沉箱底面波浪浮托力影響分析

李江文

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院深圳有限公司，廣東 深圳 518054)

墩式沉箱結(jié)構(gòu)是廣泛應(yīng)用于海洋工程建筑物的結(jié)構(gòu)形式之一，作用于沉箱底面的波浪浮托力是影響結(jié)構(gòu)抗傾、抗滑穩(wěn)定的主要外荷載之一。墩柱底面的浮托力是基床內(nèi)滲流在結(jié)構(gòu)底面上的上揚(yáng)壓力，其精確解答是一定范圍內(nèi)的滲流問題[1]。國內(nèi)外學(xué)者針對此問題做過系列的研究：邱大洪等[2-3]給出圓柱墩在波浪作用下底部浮托力的解析解，但由于墩柱底面波浪浮托力的影響因素較多，所以其實(shí)際工程應(yīng)用尚有一定難度。因此，JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中墩柱底面上周邊的浮托力強(qiáng)度近似地采用相應(yīng)點(diǎn)的環(huán)向波浪壓力強(qiáng)度[4]，并假定墩柱底周邊壓強(qiáng)在波向上按線性分布，計(jì)算最大浮托力和同步浮托力[5]。

規(guī)范雖然給出圓柱底面波浪浮托力的計(jì)算方法，但其對于有一定埋深情況下的沉箱底面波浪浮托力如何計(jì)算未做說明。埋深的存在導(dǎo)致滲流中的水頭損失，進(jìn)而實(shí)際傳遞到墩柱底面的浮托力有所折減。但至于如何折減，因?yàn)槔碚摰牟怀墒煲约皩?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)較少，有待進(jìn)一步研究。

本文結(jié)合具體工程，通過規(guī)范計(jì)算與物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，探討埋深對于墩式沉箱底面波浪浮托力的影響。

1 工程概況

1.1 水文波浪條件

設(shè)計(jì)水位如下(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?：

極端高水位：3.12 m；

設(shè)計(jì)高水位：1.87 m；

設(shè)計(jì)低水位：0.30 m；

極端低水位：-0.16 m。

本工程水深浪大，波周期較長。極端高水位時(shí)，前沿水深為24.12 m，H1%波高為11.38 m，周期為11.1s。設(shè)計(jì)波要素見表1。

表1 50 a一遇設(shè)計(jì)波要素

1.2 轉(zhuǎn)換平臺結(jié)構(gòu)方案

工程預(yù)留轉(zhuǎn)換平臺擬采用墩式方沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱尺寸為24.2 m×24.2 m(長×寬)(含趾寬1.7 m)，縱橫向各5個(gè)倉隔。沉箱底高程為-24.0 m，為改善沉箱基底應(yīng)力、保護(hù)沉箱基床防止沖刷等，沉箱周邊拋填3 m厚、20 m寬護(hù)底塊石，沉箱前沿底高程為-21.0 m，基本與原泥面齊平。沉箱上部蓋板頂高程3.8 m，蓋板通過立柱與上部墩臺連接(圖1)。

圖1 預(yù)留轉(zhuǎn)換平臺結(jié)構(gòu)斷面(單位：m)

2 波浪整體物理模型試驗(yàn)結(jié)果

針對預(yù)留轉(zhuǎn)換平臺，波浪作用主要有直接作用在結(jié)構(gòu)上的水平波浪力和沉箱底面的波浪浮托力。對于水平波浪力，規(guī)范中有較為可靠實(shí)用的計(jì)算方法；但對于一定埋深情況下沉箱底面波浪浮托力如何計(jì)算，尚缺乏依據(jù)。

為保障結(jié)構(gòu)安全可靠，對預(yù)留轉(zhuǎn)換平臺進(jìn)行了波浪整體物理模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用1:52正態(tài)物理模型，觀測沉箱水平波壓力和底面浮托力的大小及分布情況。沉箱水平波壓力觀測結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)。本文主要介紹沉箱底面浮托力觀測結(jié)果。

為測量沉箱底面浮托力，在沉箱底板上布置6個(gè)傳感器(圖2)。

圖2 沉箱底板浮托力測點(diǎn)布置

2.1 沉箱底部不同位置最大浮托力分布

圖3a)、b)分別為極端高水位時(shí)E向和SSE向50 a一遇波浪作用下(2個(gè)方向波浪大小相同，均為設(shè)計(jì)波要素，見表1)、沉箱底板不同位置最大波浪浮托力分布情況。從圖3可知，平行于波浪前進(jìn)方向的沉箱底面最大波浪浮托力從迎浪面到背浪面遞減。

圖3 沉箱底最大波浪浮托力分布(單位：kPa)

另外，如果將矩形沉箱等效為圓沉箱，以沉箱中心為圓心，E向波浪作用時(shí)，沉箱底部不同位置的浮托力中的最大值出現(xiàn)的位置，即圖3a)中27#點(diǎn)與波浪前進(jìn)方向存在一定的夾角，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中圓沉箱底部波浪浮托力分布有類似之處。

2.2 沉箱底面同步浮托力總力

以上給出最大波浪浮托力分布，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定核算更關(guān)注水平波浪力最大時(shí)的墩柱底面浮托力，即同步浮托力。表2為典型波浪作用下，水平波浪力最大時(shí)的沉箱底板同步浮托力總力測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 50 a一遇波浪作用，水平波浪力最大時(shí)的沉箱底板同步浮托力

由于試驗(yàn)未給出沉箱底板同步浮托力的具體分布情況，筆者假設(shè)波浪正向作用時(shí)，浮托力沿沉箱長度方向均勻分布，且沉箱底部波浪浮托力在波浪前進(jìn)方向上線性分布。對E向波浪作用時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，極端高水位時(shí)，沉箱底部同步浮托力為8 077 kN，即333.76 kN/m，此時(shí)的沉箱迎浪面底部3個(gè)測點(diǎn)的最大浮托力平均值為32.7 kPa?？梢苑辞蟪龀料涞撞扛⊥辛Ψ植紝挾燃s為20.41 m，小于沉箱寬度24.2 m，即沉箱底部浮托力近似三角形分布，且浮托力為0處在沉箱底板中后部(圖4)。

圖4 基于線性分布假設(shè)的沉箱底板浮托力分布

沉箱底部浮托力分布范圍與沉箱尺度、波浪參數(shù)均有直接關(guān)系，波浪浮托力0點(diǎn)不一定出現(xiàn)在沉箱后趾，可能出現(xiàn)在沉箱中部，也可能后趾處浮托力> 0。

3 埋深對墩式沉箱底面波浪浮托力的影響分析

3.1 迎浪面位置最大浮托力強(qiáng)度對比

墩柱底面上的浮托力強(qiáng)度近似采用z=0時(shí)的的環(huán)向波壓力強(qiáng)度。根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》10.3.6條，在不考慮沉箱埋深情況下，任何相位時(shí)的圓柱體表面上環(huán)向波壓力強(qiáng)度p按下式計(jì)算：

f2sinωt-f0cosωt)

(1)

式中：H、L分別為建筑物所在處的行進(jìn)波波高(m)和波長(m)；z為計(jì)算點(diǎn)距水底的高度(m)；ω為圓頻率(s-1)；t為時(shí)間(s)；θ為計(jì)算點(diǎn)同柱體圓心的連線與波向線間的夾角(°)；f0、f1、f2、f3為與柱體直徑D與波長比值D/L相關(guān)的系數(shù)。

迎浪面位置的最大浮托力強(qiáng)度p計(jì)算值與物模試驗(yàn)結(jié)果對比見表3。

表3 迎浪面位置最大浮托力強(qiáng)度與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對比

注：1.規(guī)范計(jì)算結(jié)果未考慮埋深對浮托力影響；2.物模試驗(yàn)結(jié)果為E向浪時(shí)，迎浪面27#、30#、33#3個(gè)測點(diǎn)的平均值(圖3)。

3.2 沉箱底部同步浮托力總力對比

按照《港口與航道水文規(guī)范》附錄Q計(jì)算了沉箱底部同步浮托力總力，并與物模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比(表4)。

表4 沉箱底面同步浮托力規(guī)范計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對比

注：規(guī)范計(jì)算結(jié)果未考慮埋深對浮托力影響；物模試驗(yàn)結(jié)果，選取浮托力實(shí)測最大時(shí)的SSE向浪。

4 結(jié)語

1)規(guī)范計(jì)算與模型試驗(yàn)的波浪浮托力與水位變化趨勢一致：對于本工程而言，沉箱底面波浪浮托力在極端低水位時(shí)最大、極端高水位時(shí)最小。

2)沉箱底面不同位置的最大波浪浮托力強(qiáng)度總體上從迎浪面到背浪面遞減；極端高水位時(shí)，迎浪面位置最大浮托力強(qiáng)度物模試驗(yàn)實(shí)測值/規(guī)范計(jì)算值=0.58。

3)對于本工程而言，不同水位時(shí)，沉箱底面同步浮托力總力的物模試驗(yàn)實(shí)測值與規(guī)范計(jì)算值的比值在0.55～0.61之間，且水位越低時(shí)，此比值越大。

4)埋深對沉箱底面波浪浮托力有一定的折減作用，具體折減程度須結(jié)合埋深、土質(zhì)、沉箱尺寸、波浪參數(shù)等綜合確定。沉箱尺度較大時(shí)，波浪在墩柱底面?zhèn)鞑ミ^程中的能量耗散相對較大；波高、波長及周期較大時(shí)，非線性影響較強(qiáng)，也導(dǎo)致規(guī)范計(jì)算的浮托力偏大。

5)本文結(jié)果僅為本工程個(gè)例，類似情況建議通過模型試驗(yàn)確定沉箱底部波浪浮托力。