波浪作用下矩形沉箱墩群受力規(guī)律試驗(yàn)研究*

張亞敬，劉海源，劉鳴洋，陳漢寶

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

隨著港口工程大型化以及深水岸線資源的缺乏，離岸深水碼頭建設(shè)越來越多。重力式碼頭要求地基基礎(chǔ)好，同時(shí)深水海域浪大、流急導(dǎo)致施工困難，結(jié)構(gòu)斷面龐大且造價(jià)高，因此墩柱式透空結(jié)構(gòu)或樁基結(jié)構(gòu)碼頭成為相對(duì)較好的結(jié)構(gòu)形式。由于墩柱式透空結(jié)構(gòu)碼頭的沉箱墩并不是孤立存在，波浪傳播至墩群中時(shí)存在墩間反射、繞射，使得群墩之間的波高分布呈現(xiàn)出不同于單墩周圍的波高分布規(guī)律，從而影響碼頭面高程設(shè)計(jì)以及沉箱墩受力計(jì)算。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)透空式碼頭面高程的設(shè)計(jì)并未考慮群墩效應(yīng)，定義群墩中波浪力衰減程度的群墩系數(shù)也僅適用于圓柱形墩，并不能反映矩形墩群中的波浪力變化規(guī)律。

關(guān)于群墩波浪力分布規(guī)律，已有許多研究者開展了相關(guān)研究。季新然[1]通過物理模型試驗(yàn)分析多向不規(guī)則波與群墩作用時(shí)波浪在大尺度圓形墩柱上的正向力、橫向力和爬高，同時(shí)建立多向不規(guī)則波浪與大尺度墩柱及群墩結(jié)構(gòu)作用的計(jì)算方法，給出不同布置形式的群墩系數(shù)，發(fā)現(xiàn)了不規(guī)則波作用下的波浪俘獲現(xiàn)象；許佳[2]建立數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)多向不規(guī)則波與大尺度群墩結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同布置形式群墩受橫向力和正向力的變化規(guī)律；任效忠等[3]通過物理模型試驗(yàn)研究不規(guī)則波對(duì)準(zhǔn)橢圓沉箱群墩結(jié)構(gòu)的作用力，分析入射波向、周期、相對(duì)間距等因素與沉箱所受波浪力之間的關(guān)系，之后又進(jìn)一步開展模型試驗(yàn)[4]研究規(guī)則波對(duì)準(zhǔn)橢圓沉箱群墩結(jié)構(gòu)的波浪力，發(fā)現(xiàn)與正向波浪力相比，群墩效應(yīng)對(duì)橫向波浪力的影響更大，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)橢圓沉箱，波浪非線性的影響不容忽視；王永學(xué)[5]提出求解任意截面群墩結(jié)構(gòu)波浪荷載的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)2個(gè)方形等截面群墩的系數(shù)進(jìn)行研究，探討群墩截面幾何形狀不同與群墩間相互影響的關(guān)系；周枝榮等[6]通過物理模型試驗(yàn)，研究矩形重力墩及墩間面板在斜向波浪作用下的波浪力大小及其群墩折減情況，提出矩形重力墩結(jié)構(gòu)上最大總水平波浪力簡(jiǎn)化計(jì)算公式?？梢钥闯?，已有研究絕大多數(shù)揭示的是圓柱形群墩受力規(guī)律，針對(duì)矩形群墩的受力規(guī)律研究則遠(yuǎn)不及對(duì)圓柱形墩的研究豐富。因此，需要開展模型試驗(yàn)研究，觀察和揭示矩形群墩式碼頭的墩間波高分布規(guī)律以及波浪力在墩間的衰減規(guī)律。

本文以茂名某墩式散貨碼頭工程為例，通過開展三維物理模型試驗(yàn)，研究波浪作用下矩形沉箱墩群周圍的波高分布及沿程衰減規(guī)律，研究代表性沉箱墩所受水平、側(cè)向和浮托總力以及傾覆力矩，研究波浪力沿碼頭軸線方向的衰減規(guī)律。

1 工程概況

本工程位于茂名港博賀新港區(qū)大宗干散貨作業(yè)區(qū)中突堤?hào)|側(cè)岸線，中突堤西側(cè)岸線為已建的粵電項(xiàng)目配套碼頭工程。從南向北連續(xù)建設(shè)1個(gè)20萬噸級(jí)(M7)、1個(gè)10萬噸級(jí)(M8)和1個(gè)5萬噸級(jí)散貨泊位(M9)，水工結(jié)構(gòu)分別按照30萬、20萬和10萬噸級(jí)預(yù)留。擬建工程碼頭結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度960 m，其中20萬噸級(jí)泊位長(zhǎng)度447 m，10萬噸級(jí)泊位長(zhǎng)度276 m，5萬噸級(jí)泊位長(zhǎng)度237 m，棧橋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度401.7 m，均采用透空式墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)之間采用大跨度預(yù)應(yīng)力梁連接。距離碼頭前沿線102.4 m處為已建的粵電防波堤。工程位置如圖1所示，工程區(qū)域平面布置見圖2。

圖1 工程位置

圖2 工程平面布置(單位：m)

圖3 沉箱墩布置及波高傳感器分布

圖4 代表性沉箱墩(M7泊位)結(jié)構(gòu)斷面(單位：m)

表1 率定點(diǎn)波要素

2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)工況

2.1 模型制作

模型試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)廳中完成。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)、定床模型。試驗(yàn)場(chǎng)地為55 m×42.5 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)的矩形水池(試驗(yàn)水池邊界見圖2)，采用幾何比尺λL為55。模型中粵電防波堤、東西防波堤和本工程沉箱墩的護(hù)底以及沉箱墩與粵電防波堤之間的護(hù)坡結(jié)構(gòu)中的各種塊石按重力比尺挑選，粒徑級(jí)配符合《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]以及《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[9]的要求。本工程港池內(nèi)的水底地形包括航道、碼頭前沿以及天然地形，按照試驗(yàn)規(guī)程采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程控制，偏差控制在±1 mm以內(nèi)；工程區(qū)域所有結(jié)構(gòu)的平面尺寸及位置偏差控制在±1 cm以內(nèi)。矩形沉箱墩、預(yù)應(yīng)力箱梁和碼頭面板等根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙采用木板組裝制作，并根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程和設(shè)計(jì)水位在沉箱墩的側(cè)立面和底板預(yù)留安裝壓強(qiáng)傳感器的孔位。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

造波采用可移動(dòng)搖板式造波機(jī)及其控制系統(tǒng)。模型造波時(shí)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的造波參數(shù)計(jì)算出目標(biāo)波浪的板前波浪信號(hào)，并按一定算法將其轉(zhuǎn)換成相當(dāng)于造波板運(yùn)動(dòng)速度和位置的數(shù)據(jù)，由伺服驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而造出期望的波浪。本模型試驗(yàn)研究采用不規(guī)則波進(jìn)行，不規(guī)則波根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[10]采用JONSWAP譜進(jìn)行頻譜模擬，其解析式為：

Sη(f)=

(1)

(1.094-0.019 15lnγ)

(2)

Tp=Ts/[1-0.132(γ+0.2)-0.559]或

(3)

(4)

本試驗(yàn)水位采用表1的設(shè)計(jì)水位。根據(jù)試驗(yàn)要求，各個(gè)試驗(yàn)水位依據(jù)給定的波浪要素進(jìn)行率定，率定誤差控制在0%～5%范圍內(nèi)，產(chǎn)生嚴(yán)格控制的正向偏差以保證實(shí)際造波波要素偏差的一致性。每組波要素的波列都保持波個(gè)數(shù)在100以上，將最后得到的造波參數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。正式試驗(yàn)前，均應(yīng)用小波持續(xù)作用一段時(shí)間。模型試驗(yàn)采用TK-2008型動(dòng)態(tài)水位測(cè)量系統(tǒng)(儀器精度為1.0 mm)對(duì)波高進(jìn)行采集分析。波高傳感器布置在每個(gè)沉箱的前沿、后沿以及之間(圖3)，以記錄波浪在沉箱之間的分布情況和沿程衰減規(guī)律。

各個(gè)矩形沉箱墩所受前后向、側(cè)向和浮托總力采用兩種測(cè)力方式取得，其一為利用2010型總力儀直接測(cè)量總力；其二為利用布置在沉箱側(cè)立面和底板的若干壓強(qiáng)傳感器，測(cè)得壓強(qiáng)值與其代表面積進(jìn)行積分得到各個(gè)方向的總力?？偭x測(cè)力原理為：在兩個(gè)平整的剛性矩形面板之間的4個(gè)角上分別布置4個(gè)三維測(cè)力天平，其中一個(gè)矩形面板與所測(cè)結(jié)構(gòu)剛性固接，另一個(gè)矩形面板與剛性足夠大的固定支架固接，所測(cè)結(jié)構(gòu)形心在平面上的投影與傳感器矩形面板的形心重合；結(jié)構(gòu)所受的力傳遞到與其固接的總力儀時(shí)，每個(gè)測(cè)力天平可測(cè)得其所受的3個(gè)分力Fxn、Fyn和Fzn；根據(jù)六分力原理，由所有測(cè)力天平上的共計(jì)12個(gè)分力可計(jì)算得出結(jié)構(gòu)整體所受的6個(gè)分力，即水平總力Fx、側(cè)向總力Fy、浮托總力Fz、x軸力矩Mx、y軸力矩My和z軸力矩Mz。各個(gè)力的關(guān)系見式(5)，力的分布見圖5。

圖5 總力儀原理

(5)

式中：Lx和Ly分別為每個(gè)力傳感器之間在x和y方向上的距離。

對(duì)于由壓強(qiáng)值積分得到總力的方式，依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》和試驗(yàn)技術(shù)要求，在沉箱結(jié)構(gòu)的底面和側(cè)面布置相應(yīng)數(shù)量的壓強(qiáng)傳感器，其中沉箱上部靜水面附近布置的傳感器密度比下部大，綜合考慮不同設(shè)計(jì)水位，并保證能夠準(zhǔn)確捕捉到波峰波谷變化導(dǎo)致的沉箱壁面所受波壓強(qiáng)的變化。波壓力數(shù)據(jù)通過SG2008型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集分析，試驗(yàn)中連續(xù)采集至少100個(gè)波作用的波壓力過程，模型采樣的時(shí)間間隔均為0.01 s。試驗(yàn)時(shí)在靜水條件下，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)標(biāo)零，在靜水面以下的測(cè)點(diǎn)以此時(shí)的靜水壓強(qiáng)作為對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的零點(diǎn)，在靜水面以上的測(cè)點(diǎn)以此時(shí)的大氣壓強(qiáng)作為零點(diǎn)。試驗(yàn)采集到的壓強(qiáng)值為測(cè)點(diǎn)實(shí)際壓強(qiáng)與標(biāo)零時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)的差值。將沉箱置于x、y、z坐標(biāo)軸所構(gòu)成的三維直角坐標(biāo)系內(nèi)，然后將各測(cè)點(diǎn)所代表的壓強(qiáng)和面積在該坐標(biāo)系x、y、z3個(gè)方向分別進(jìn)行投影，再由各測(cè)點(diǎn)測(cè)得壓強(qiáng)過程線，利用積分得到在x、y、z3個(gè)方向所受到的波浪力，最后統(tǒng)計(jì)其所受總的水平力Fx、側(cè)向力Fy和浮托力Fz。對(duì)于力的方向規(guī)定為：Fx與x軸正方向相同為正，反之為負(fù)，F(xiàn)y和Fz的規(guī)定與Fx相同。將沉箱沿前后和兩側(cè)方向的傾覆力矩的旋轉(zhuǎn)中心定義為沉箱底板兩個(gè)方向的中心線，則結(jié)合每個(gè)測(cè)點(diǎn)受力所對(duì)應(yīng)的力臂，可以得到沉箱在前后以及兩側(cè)的總傾覆力矩，即My和Mx。壓強(qiáng)傳感器的布置方式如圖6所示，圖中箭頭所指方向分別定義了x、y、z3個(gè)方向的總力以及沿前后和兩側(cè)傾覆力矩的正方向。同時(shí)，將總力儀得到的力和力矩與圖6所示坐標(biāo)系相統(tǒng)一。

表2 試驗(yàn)工況

圖6 壓強(qiáng)傳感器布置方式以及本文定義坐標(biāo)系

2.3 試驗(yàn)工況

本文針對(duì)該工程實(shí)例的不同泊位的沉箱間波高分布以及代表性沉箱墩所受的波浪力變化規(guī)律進(jìn)行研究。觀察在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位，重現(xiàn)期為50和10 a的波浪條件下，沉箱間波浪傳播現(xiàn)象和波高沿程衰減規(guī)律，揭示各泊位代表性矩形沉箱墩所受波浪力的沿程變化規(guī)律。對(duì)于沉箱間波高分布，本模型試驗(yàn)的沉箱墩上均不放置預(yù)應(yīng)力箱梁，以排除預(yù)應(yīng)力箱梁與水體接觸對(duì)沉箱間波高產(chǎn)生的干擾。對(duì)于波浪力，沿碼頭軸線方向選取M7泊位的系纜墩沉箱、第1個(gè)單沉箱、第1個(gè)雙沉箱南側(cè)沉箱和第1個(gè)雙沉箱北側(cè)沉箱，選取M8泊位第1個(gè)雙沉箱南側(cè)沉箱，選取M9泊位第1個(gè)單沉箱，以進(jìn)行墩群中波浪力沿程變化規(guī)律的研究。將上述代表性沉箱按順序進(jìn)行編號(hào)1#～6#，其位置如圖3中虛線框和標(biāo)記所示，試驗(yàn)工況和組次見表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沉箱間波高分布

試驗(yàn)中對(duì)港區(qū)的波浪傳播情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)港池和航道存在挖深的情況下，加上粵電防波堤的影響，波浪經(jīng)過率定點(diǎn)后傳至本工程區(qū)域時(shí)，其傳播方向基本與碼頭軸線方向一致。通過波高傳感器所采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同水位不同重現(xiàn)期波浪條件下，該碼頭沉箱墩區(qū)域波高沿程分布呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即：受沉箱側(cè)面的阻水和反射的影響，沿碼頭軸線方向，位于M7泊位南端5個(gè)沉箱墩范圍內(nèi)波高衰減幅度最大。以最不利的極端高水位重現(xiàn)期50 a的波浪作用為例，M7泊位1#墩南側(cè)測(cè)點(diǎn)H1%=7.38 m，隨后沿碼頭軸線方向逐漸衰減，至M7泊位第6個(gè)沉箱時(shí)H1%=3.07 m，波高衰減58.4%；至M8泊位的5#墩時(shí)H1%=1.87 m，波高衰減74.7%；至M9泊位所有沉箱H1%均在1.40 m左右，波高衰減81.0%。極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件下代表性沉箱四周H1%分布沿程變化如圖7所示，其中圖7b)為歸一化的波高值，其定義為該沉箱的前沿、后沿、沉箱間前側(cè)或沉箱間后側(cè)位置的波高與M7泊位1#墩四周相應(yīng)位置波高的比值。對(duì)波高沿程衰減幅度最大的M7泊位南端5個(gè)沉箱區(qū)域的波高分布進(jìn)行觀察可知：受相鄰沉箱側(cè)壁的入射波與反射波疊加的影響，波高分布呈現(xiàn)兩沉箱間波高>沉箱前沿波高>沉箱后沿波高的規(guī)律；而隨著波高由南向北沿程衰減，其余位置各沉箱四周波高差別也逐漸減小。

圖7 極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件下代表性沉箱H1%波高沿程變化

3.2 沉箱受力

根據(jù)表2所列試驗(yàn)工況，對(duì)選取的不同泊位的沉箱進(jìn)行受力測(cè)量，結(jié)果見表3、4。其中表3為首先受到波浪作用的M7泊位系纜墩(1#墩)的受力結(jié)果，可以看出，由總力儀直接測(cè)量得到的沉箱在各個(gè)方向所受波浪力和力矩，與由壓強(qiáng)傳感器所測(cè)壓強(qiáng)值積分所得結(jié)果較為接近，且呈現(xiàn)出的隨設(shè)計(jì)水位和波浪重現(xiàn)期的變化規(guī)律是一致的，即沉箱所受的水平力Fx、側(cè)向力Fy、浮托力Fz以及側(cè)向傾覆力矩Mx和前后傾覆力矩My均與設(shè)計(jì)水位和波高呈正相關(guān)。以上結(jié)果也驗(yàn)證了本文采用的模型試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)過程。

表3 M7泊位1#墩受力結(jié)果

表4為所有選取的代表性沉箱(1#～6#墩)在極端高水位和重現(xiàn)期50 a的波浪條件下，所受波浪力的對(duì)比。極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件下代表性沉箱受力沿程變化如圖8所示，其中縱坐標(biāo)為歸一化的各沉箱受力值，其定義為該沉箱在某個(gè)方向的總力(Fx、Fy或Fz)或傾覆力矩(Mx或My)與M7泊位1#墩所受相應(yīng)的力或力矩的比值?？梢钥闯觯煌料渌懿ɡ肆Φ难爻趟p幅度，呈現(xiàn)出與沉箱周圍波高沿程衰減情況一致的規(guī)律，即：作用在M7泊位3#和4#墩的波浪力相比M7泊位1#墩所受波浪力已經(jīng)發(fā)生了很大程度的衰減；從M7泊位3#和4#墩開始沿碼頭軸線方向向北，直到M8和M9泊位，沉箱所受波浪力不再有明顯衰減。

表4 極端高水位下重現(xiàn)期50 a波浪的不同泊位代表性沉箱墩受力結(jié)果

圖8 極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件下代表性沉箱受力沿程變化

3.3 波浪力衰減規(guī)律

本文的矩形沉箱墩形成了串列式的墩群，波浪在矩形沉箱墩組成的墩群中的衰減導(dǎo)致的沉箱所受波浪力的衰減規(guī)律，尚未有試驗(yàn)進(jìn)行研究。本文針對(duì)M7泊位1#～3#墩的串列結(jié)構(gòu)進(jìn)行群墩系數(shù)計(jì)算。由于波浪入射方向與碼頭軸線走向非常接近，故本文研究y方向的波浪側(cè)向總力Fy的變化規(guī)律。根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》中群墩系數(shù)的定義和計(jì)算方法，對(duì)以上選取的3個(gè)沉箱墩結(jié)構(gòu)所受y方向的波浪總力Fy的沿程衰減情況進(jìn)行計(jì)算，并與模型試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?！陡劭谂c航道水文規(guī)范》定義的參數(shù)k(由譜峰周期Tp對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)Lp定義的波數(shù)，k=2π/Lp，得0.03)和D(圓柱體直徑，本文定義為矩形沉箱上垂直于碼頭軸線方向的尺度，即矩形沉箱沿碼頭前后方向的長(zhǎng)度，取27.55 m)，對(duì)于本文矩形沉箱的kD=0.83。則根據(jù)規(guī)范計(jì)算所得群墩系數(shù)為：M7泊位2#墩(距離1#墩45 m)，群墩系數(shù)為0.99；M7泊位3#墩(距離1#墩90 m)，群墩系數(shù)為0.96。然而，本文模型試驗(yàn)得到的對(duì)應(yīng)沉箱在y方向所受側(cè)向力Fy的歸一化結(jié)果分別為0.75和0.49，與規(guī)范計(jì)算所得結(jié)果相差較大。這是因?yàn)榫匦纬料涠沾嬖谳^大面積的直立壁面，一方面阻水面積較大，另一方面波浪在沉箱間多次反射，致使波能衰減的幅度相比在圓柱形墩群中明顯更大。因此，針對(duì)矩形沉箱組成結(jié)構(gòu)的群墩系數(shù)計(jì)算，《港口與航道水文規(guī)范》的圓柱形墩的群墩系數(shù)計(jì)算方法不再適用。在后續(xù)工作中應(yīng)開展系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究，以得到適用于矩形沉箱的群墩系數(shù)計(jì)算方法。

4 結(jié)論

1)受沉箱側(cè)面的阻水和反射的影響，沿碼頭軸線方向，位于M7泊位南端5個(gè)沉箱墩范圍內(nèi)波高衰減幅度最大；受相鄰沉箱側(cè)壁的入射波與反射波疊加的影響，波高分布呈現(xiàn)兩沉箱間波高>沉箱前沿波高>沉箱后沿波高的規(guī)律，隨著波高由南向北沿程衰減，其余位置各沉箱四周波高差別逐漸減小。

2)不同沉箱所受波浪力的沿程衰減幅度，呈現(xiàn)出與沉箱周圍波高沿程衰減情況一致的規(guī)律。作用在M7泊位3#和4#墩的波浪力相比M7泊位1#墩所受波浪力已經(jīng)發(fā)生了很大程度的衰減；從M7泊位3#和4#墩開始沿碼頭軸線方向向北，直到M8和M9泊位，沉箱所受波浪力不再有明顯衰減。

3)矩形沉箱墩阻水面積較大，且波浪在沉箱間多次反射，致使波能衰減的幅度相比在圓柱形墩群中明顯更大。針對(duì)矩形沉箱組成結(jié)構(gòu)的群墩系數(shù)計(jì)算，規(guī)范中的圓柱形墩的群墩系數(shù)計(jì)算方法不再適用。