某海港碼頭直立式沉箱過渡段受力特性物理模型試驗研究

曹 昌 志

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210019)

隨著水運(yùn)工程的迅猛發(fā)展，我國沿海碼頭吞吐量逐年提升，船舶尺度發(fā)展呈大型化趨勢，因此海港工程不斷向深水海域延伸。由于深水海域風(fēng)浪大，自然條件惡劣，需要在設(shè)計階段對碼頭結(jié)構(gòu)的波浪特性及受力特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，確保碼頭在極端工況下的穩(wěn)定性[1]。

由于直立式沉箱結(jié)構(gòu)還未廣泛應(yīng)用，對于直立式沉箱過渡段受力特性研究較少，目前只有若干學(xué)者、專家采用物理模型試驗研究對其進(jìn)行相關(guān)研究[2-6]。重慶交通大學(xué)的鐘亮教授[7]采用正態(tài)物理模型試驗的方法，分析了廣西某直立式沉箱擋墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和擋墻受力特性。天津大學(xué)的劉慶生教授[8]采用波浪試驗，分析了渤海灣某直立式沉箱結(jié)構(gòu)段的特征水文、波浪參數(shù)，并分析了各特征工況下的碼頭泊穩(wěn)情況。

廣東某海港碼頭位于廣東省湛江市西南沿海部分，碼頭共設(shè)置一個重件泊位和一個煤炭泊位，兩個泊位之間通過造價較為經(jīng)濟(jì)的直立式沉箱結(jié)構(gòu)作為過渡段。根據(jù)2000年—2015年工程海域的波浪要素統(tǒng)計資料，工程處風(fēng)浪大、建設(shè)條件惡劣。因此，借助物理模型試驗，從結(jié)構(gòu)所受波浪力、直立式沉箱堤頂越浪量、堤前護(hù)頂塊石穩(wěn)定性等方面對直立式沉箱過渡段受力特性進(jìn)行驗證，為斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程方案設(shè)計

工程采用“L”型單堤掩護(hù)布置形式，利用碼頭、引堤將本海域SSE—WNW主浪向予以掩護(hù)，工程平面布置圖見圖1。煤炭泊位與重件泊位采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)型式，重件碼頭與陸域連接段為斜坡堤結(jié)構(gòu)型式，煤炭泊位與重件泊位之間采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)。

直立式沉箱結(jié)構(gòu)采用拋石基床，基床底寬42.55 m，基床兩側(cè)采用拋填塊石護(hù)坡，護(hù)坡開挖坡線為1∶1.5，塊石重量在10 kg～100 kg范圍內(nèi)。邊坡采用150 kg～200 kg的大型塊石作為保護(hù)?；采喜繛槌料浣Y(jié)構(gòu)，沉箱底部高程為-17.80 m，頂部高程為1.20 m，沉箱尺寸為30.5 m×15.3 m×19 m(長×寬×高)。胸墻混凝土等級為C40，回填砂粒徑為10 mm～100 mm。沉箱頂部為C40現(xiàn)澆擋浪墻。

1.2 工程波浪、水位特征

工程海域潮汐周期為12 h，且漲潮與落潮過程流速呈鏡像分布。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，工程海域特征水位及對應(yīng)的波浪要素見表1。表1中，H1%、H13%分別為1%頻率和13%頻率的波高。

表1 工程海域水位、波浪特征值

1.3 風(fēng)況特征

根據(jù)工程海域近二十年風(fēng)況統(tǒng)計資料，工程海域最主要風(fēng)向為SE(東南方向，頻率為8.75%)，其他主要風(fēng)向有ESE(東南偏東方向，8.22%)及NE(東北方向，7.91%)。工程海域最大風(fēng)速可達(dá)22.5 m/s(2003年，風(fēng)向為SE)，平均風(fēng)速為7.76 m/s。

2 物理模型試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

為驗證實例工程的受力特征與泊穩(wěn)情況，本次物理模型試驗需研究以下內(nèi)容：

(1) 在各特征工況下，沉箱、胸墻以及碼頭頂面的受力情況。

(2) 在各特征工況下，堤頂每延米在單位時間內(nèi)的越浪量。

(3) 在各特征工況下，基床兩側(cè)邊坡壓護(hù)塊石的位移量及穩(wěn)定性。

2.2 試驗設(shè)計與布置

采用風(fēng)浪試驗水槽完成本項目的物理試驗工作。風(fēng)浪試驗水槽采用1∶40的正態(tài)模型。根據(jù)水工模型試驗要求以及本次物理模型試驗特征，經(jīng)計算可知時間比尺為6.35，流量比尺為252.98，力比尺為64 000，糙率比尺為7.92[9-12]。

風(fēng)浪試驗水槽幾何尺寸為68.0 m×1.0 m×1.5 m(長×寬×高)，水槽頂部采用半圓形結(jié)構(gòu)封頂，為保證更好地觀察各工況下風(fēng)浪情況，頂部及兩側(cè)擋墻材質(zhì)均選擇有機(jī)玻璃。造波機(jī)布置在水槽右端，根據(jù)工程海域波浪特性，本次試驗采用波浪特性為不規(guī)則波；在造波機(jī)處設(shè)置波高測量儀，在水槽左端設(shè)置風(fēng)機(jī)，模擬工程實際風(fēng)況。在水槽兩段均設(shè)置消波裝置，減小波浪對水槽內(nèi)水位的影響，提高試驗精度。風(fēng)浪試驗水槽布置圖見圖2。

2.3 波浪設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)[13-15]的研究結(jié)論，根據(jù)工程海域波浪特性，本次試驗采用波譜為JONSWAP譜的不規(guī)則波，其表達(dá)式為：

(1)

其中：

式中：f為波浪頻率；fp為峰值波浪頻率；H1/3為平均波高等效值；TH1/3為等效平均波高對應(yīng)的波浪周期；S(f)為JONSWAP譜函數(shù)；γ為JONSWAP譜波特征因子，根據(jù)文獻(xiàn)[14]取2.75；σ為無維普參數(shù)。

2.4 試驗方法

為滿足試驗要求，試驗方法須滿足以下條件：

(1) 在沉箱、胸墻以及碼頭頂面布置SG2008型壓力傳感器，試驗中對每個特征工況均連續(xù)布置100次波浪作用過程，對每次過程進(jìn)行壓力采集，并取各次測點的均值。

(2) 在港池側(cè)胸墻上方設(shè)置接水裝置，進(jìn)行模型越浪量測量，除以接水寬度及時間及得到模型單寬越浪量，然后再換算成原型堤頂每延米在單位時間內(nèi)越浪量。

(3) 觀察各工況下基床兩側(cè)邊坡壓護(hù)塊石是否穩(wěn)定、護(hù)面表面是否變形[16]，并選擇幾個典型塊石進(jìn)行特征點標(biāo)記，記錄位移量，從而綜合判斷壓護(hù)塊石的位移量及穩(wěn)定性。

3 試驗成果與分析

3.1 受力試驗成果與分析

對表1各工況下胸墻迎浪面、頂面進(jìn)行受力測量。受力試驗結(jié)果見表2。分析表2可知：

(1) 碼頭頂面所受水平?jīng)_擊力與水位高低成正比；最大沖擊力為384.7 kN/m，最小沖擊力為128.9 kN/m。

(2) 沉箱和胸墻所受最大水平力、浮托力均在工況2(設(shè)計高水位)下，其中，沉箱最大水平力為1 522.9 kN/m，浮托力為577.3 kN/m，胸墻所受最大水平力為945.6 kN/m。

沉箱和胸墻所受最大水平力、浮托力沒有出現(xiàn)在極端高水位下的原因是因為該工況下越浪量較大，減少了對沉箱和胸墻的沖擊作用。

(3) 根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTS 167—2018)中式(7.3.2-4)等號左邊部分定義為綜合滑移荷載，等號右邊部分定義為綜合抗滑荷載。

分析可知，各工況下綜合抗滑荷載均遠(yuǎn)大于綜合滑移荷載，滿足規(guī)范要求。

表2 各工況下受力試驗結(jié)果

將工況1和工況2下沉箱和胸墻所受壓力分布繪于圖3。分析圖3可知：

(1) 在各工況下，最大波浪壓強(qiáng)出現(xiàn)在迎水面沉箱頂面附近。

(2) 工況1下最大波浪壓強(qiáng)為104.32 kPa，工況2下最大波浪壓強(qiáng)為103.84 kPa。各工況下波浪壓強(qiáng)分布差異較小。最大/最小波浪壓強(qiáng)比在2.0左右。

3.2 斷面越浪量統(tǒng)計

采用直立堤各小范圍斷面模型、大范圍整體模型兩類模型，對各工況下直立堤堤頂?shù)脑嚼肆窟M(jìn)行統(tǒng)計。各工況下斷面模型試驗效果見圖4，并選擇工況1為代表，工況1下大范圍整體模型試驗效果見圖5。各工況下越浪量統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 工況1下整體模型堤頂越浪試驗效果

分析圖4、圖5可知，

(1) 在工況1和工況2，碼頭前沿波浪沖擊能量較大，可以越過堤頂?shù)渲恋毯蟆?/p>

(2) 在工況3和工況4下，碼頭前沿波浪基本不能越過直接越過碼頭堤頂，僅有少量上揚(yáng)浪尖水體越過，大部分上升水體都以反射形式回到海域。

(3) 通過上述兩組物理模型試驗測量得到的越浪量對比結(jié)果可知，波浪斷面試驗所測的越浪結(jié)果明顯大于整體物理模型試驗。分析兩者存在差別的主要原因為：

① 斷面試驗時，波浪僅能正向作用，考慮不了波浪方向性，而波浪整體物理模型試驗可真是模擬波浪傳播方向。

② 波浪越浪時，在斷面試驗中，波浪整體越上沉箱堤頂；而在波浪整體試驗中，考慮到傳播波浪之間的相位差，在整個過渡段長度上直立式結(jié)構(gòu)上可能僅某局部存在越浪，但最后兩者均取平均越浪量的結(jié)果，從而使兩者存在顯著差別。

③ 通過兩組物理模型試驗對比，認(rèn)為整體模型試驗結(jié)果更接近于實際情況，并采用該工況下越浪結(jié)果作為分析值。

(4) 各工況下，堤頂越浪量最大的為工況1，達(dá)到0.291 m3/(m·s)，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求值0.75 m3/(m·s)?？梢姳竟こ滩捎弥绷⑹匠料浣Y(jié)構(gòu)在各工況下堤頂越浪量均較小，滿足泊穩(wěn)要求。

3.3 護(hù)底穩(wěn)定性分析

選擇5個典型塊石，在各工況下，5個典型塊石位移情況見表4。分析可知，由于實例工程選擇護(hù)底塊石質(zhì)量較大(150 kg～200 kg)，且在各工況下，塊石上方淹沒水深較深，最小值達(dá)到16.2 m，因此連續(xù)波浪作用對塊石穩(wěn)定性影響較小，在各工況下，5個典型塊石整體穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)翻越、旋轉(zhuǎn)、傾覆等情況，護(hù)面未發(fā)生變形，最大位移僅為2.2 mm，平均位移為分別為1.8 mm、1.4 mm、1.4 mm、0.3 mm、0.2 mm，護(hù)底塊石保持穩(wěn)定。

表4 各工況下5個典型塊石位移情況

4 結(jié) 論

以廣東某海港碼頭過渡段為研究實例工程，通過建立物理模型試驗，從受力特性、堤頂越浪量、護(hù)底穩(wěn)定性3個方面對過渡段穩(wěn)定性進(jìn)行了驗證，研究結(jié)果顯示：

(1) 在各工況下，沉箱最大水平力為1 522.9 kN/m，浮托力為577.3 kN/m，胸墻所受最大水平力為945.6 kN/m，各工況下綜合抗滑荷載均遠(yuǎn)大于綜合滑移荷載，滿足規(guī)范要求。

(2) 在各工況下，最大堤頂越浪量為0.291 m3/(m·s)，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求值0.75 m3/(m·s)。本工程采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)在各工況下堤頂越浪量均較小，滿足泊穩(wěn)要求。

(3) 實例工程護(hù)底塊石質(zhì)量較大(150 kg～200 kg)，且在各工況下，塊石上方淹沒水深較深，在各工況下，護(hù)底塊石保持穩(wěn)定，位移量趨近于0。

(4) 根據(jù)物理模型試驗研究，實例工程碼頭過渡段采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)受力和泊穩(wěn)要求，結(jié)構(gòu)方案合理可行。