MIKE21在碼頭樁基“群樁”效應分析中的應用

李坡

MIKE21在碼頭樁基“群樁”效應分析中的應用

李坡

河道范圍內建設樁基必然產生阻水，導致局部水位、流場發(fā)生變化，防洪影響評價中往往需要對其進行分析，目前主要是采用橋涵水文公式分析水位、流速變化，但該方法停留在一維計算層面。碼頭下部樁基數(shù)量較多，對水位、流場影響相互疊加，形成“群樁效應”，一維計算難以定量分析水位、流場變化，為此，引入MIKE21軟件進行二維水動力模型分析，可快速分析出工程前后河段水位、流場變化。

一、工程概況

某碼頭工程左岸為淮北大堤饒荊段、右岸為淮南工礦圈堤以及淮河左右汊間上、下六坊堤行洪區(qū)。工程從上游向下游依次布置1個件雜貨泊位、3個散貨泊位，泊位總長322m。碼頭為直立高樁梁板式結構，泊位順岸連片引橋式布置，前沿線位于河唇線以內，港池采用后退切灘形成。碼頭前沿設計平臺高程25.00m，前沿設計河底高程12.5m。港池開挖坡度采用1∶3。

碼頭平臺尺寸88m×25m，采用7m的排架間距，設13榀排架，排架基礎為φ100cm鉆孔灌注樁，每榀排架設5根樁。平臺后方上、下游端部設置1#和2#汽車引橋，長分別為119.4m、111.1m，寬均為9m。引橋基礎采用φ100cm鉆孔灌注樁，樁頂設1.5m厚承臺，上部接φ80cm立柱，排架間距為16m，每榀排架設有2根樁。

散貨泊位碼頭平臺尺寸234m× 15m，采用7m的排架間距，設34榀排架，排架基礎φ100cm鉆孔灌注樁，每榀排架設3根樁。裝船機支墩尺寸9m×6m，基礎為4根φ100cm鉆孔灌注樁。2#泊位與3#泊位之間的碼頭平臺后方設置配電房平臺1座，尺寸20m×12m，上部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺，基礎為6根φ100cm鉆孔灌注樁。

二、二維水動力模型分析

1.計算范圍

模型計算范圍取淮干峽山口～田家庵全長約30km的河段，涵蓋燈草窩、上六坊堤、下六坊堤行洪區(qū)。模型采用三角形網格，并對主河槽內及碼頭工程區(qū)網格進行加密。尺寸為1～35m不等，其中主河槽及規(guī)劃航道內為8～12m，工程區(qū)最小網格尺寸為 1m，邊灘河槽網格20～35m。

2.邊界條件

模型設置上下游2條開邊界，其中上游為 100年一遇流量控制邊界10000m3/s、下游為百年一遇水位控制邊界24.94m。

圖1 碼頭總平面布置圖

圖2 碼頭樁基平面分布圖

圖3 工程河段計算網格圖

圖4 碼頭網格局部加密圖

3.樁柱工程概化

計算區(qū)域中有大量墩柱，因此須考慮樁群阻力，在數(shù)學模型中對于樁群的模擬按照實際工程尺度進行模擬通常存在一定困難，現(xiàn)有的處理方法主要有加密網格法和附加糙率法。加密網格法對于含墩柱較多、尺度較小且形狀較為復雜的情況，其適用性就會受到影響；附加糙率法是認為在河床底部布置眾多豎向條桿加糙后的水流狀況與繞過墩柱群的水流流態(tài)具有一定的相似之處，因此，可以考慮通過加大墩柱群區(qū)域河底糙率的方法來模擬工程實施后對水流的影響。此次在數(shù)模計算過程中，采用網格加密法與加糙法相結合的方法，碼頭引橋下方樁柱較為稀疏，按樁柱實際尺寸對附近網格進行加密，對碼頭承臺下方樁柱較為密集，采用加糙的方法來模擬樁基群的阻水效應。

圖5 工程前碼頭位置地形圖

圖6 工程后碼頭位置地形圖

圖8 工程后碼頭處流場圖

圖9 工程前水位分布圖

圖10 工程后水位分布圖

4.參數(shù)選取

根據(jù)淮河的河道特征并綜合以往淮河數(shù)學模型的糙率取值，此次n0= 0.015，n1=0.04。河槽的糙率約在0.015～0.025之間，邊灘和近岸糙率在0.03～0.04之間。時間步長120s。干水深0.005m，淹沒水深0.05m，濕水深度0.1m。

5.計算工況

分別按照工程前、工程后進行分析。計算工況分現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況兩種工況：其中現(xiàn)狀工況為下六坊堤不鏟除，規(guī)劃工況為下六坊堤全鏟除。

6.計算結果

（1）現(xiàn)狀工況

現(xiàn)狀100年一遇洪水條件下，工程前原河道主槽流速在0.8～1.05m/s之間，邊灘流速在0.1～0.4m/s之間，工程后受碼頭引橋樁基群的阻水效應以及碼頭港池的開挖影響，碼頭附近流速有所減小，河道主槽流速在0.7～0.9m/s之間，邊灘流速在0.1～0.3m/s。此外受樁柱的束水作用，樁柱間流速呈增加趨勢，相比工程前約增加0.01～0.03m/s；樁柱（下游）背水面約10m范圍內流速呈減小趨勢，減小幅度約為0.05m/s。

由于碼頭引橋下方存在大量樁基，形成群樁阻水效應，碼頭附近河段水位工程后較工程前有所增加，平均增加幅度在0.03m，其中引橋樁基上下游5m范圍內水位增幅較大，局部達到了0.05m。

（2）規(guī)劃工況

規(guī)劃100年一遇洪水條件下，工程前原河道主槽流速在0.8～1.0m/s之間，邊灘流速在0.1～0.4m/s之間，工程后受碼頭引橋樁基群的阻水效應以及碼頭港池的開挖影響，碼頭附近流速有所減小，河道主槽流速在0.7～0.85m/s之間，邊灘流速在0.1～0.3m/s。此外受樁柱的束水作用，樁柱間流速呈增加趨勢，相比工程前約增加0.01～0.03m/s；單個樁柱（下游）背水面約10m范圍內流速呈減小趨勢，減小幅度約為0.05m/s。

碼頭附近河段水位工程后較工程前有所增加，平均增加幅度在0.05m，其中樁基上下游5m范圍內水位增幅較大，局部達到了0.07m。

三、結語

根據(jù)以上分析，100年一遇洪水條件下，水利規(guī)劃實施前后，受碼頭引橋樁基群的阻水效應以及碼頭港池的開挖影響，碼頭附近流速均有所減小。受樁柱的束水作用，樁柱間流速呈增加趨勢；樁柱下游一定范圍內流速呈減小趨勢。碼頭附近河段水位工程后較工程前后均有所增加。

碼頭平臺下方樁基數(shù)量較多，對水位、流場影響相互疊加。MIKE21可快速有效對流場、水位變化進行定量分析，為主體設計提供技術支撐，在設計中值得推廣

（作者單位：安徽省水利水電勘測設計院 230000）