波浪與高樁承臺(tái)式結(jié)構(gòu)作用的試驗(yàn)研究*

張慈珩， 郭 泉， 楊會(huì)利， 耿寶磊

(1. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院， 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 天津300456；2. 天津大學(xué)， 天津300072； 3. 河海大學(xué)， 江蘇 南京210098)

嵊泗縣位于杭州灣以東、 長(zhǎng)江口東南， 北緯30°24′～31°04′、 東經(jīng)121°30′～123°25′， 是浙江省最東部、 舟山群島最北部的海島縣， 歷來(lái)是軍事要塞， 又是國(guó)際海輪進(jìn)出長(zhǎng)江口的必經(jīng)之道， 與長(zhǎng)江三角洲各地區(qū)特別是上海市有著密切的聯(lián)系，特殊的區(qū)位優(yōu)勢(shì)是嵊泗縣經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要條件。 而擬建的泗礁島車(chē)客渡碼頭工程位于嵊泗主島西北側(cè)， 是區(qū)域重要的客運(yùn)交通樞紐， 其具體位置及周邊態(tài)勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 工程位置及周邊態(tài)勢(shì)

關(guān)于高樁承臺(tái)式結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用問(wèn)題，徐博等[1]基于RANS 模型建立波浪與高樁承臺(tái)相互作用的三維數(shù)值模型， 研究了承臺(tái)受到的水平及豎向波浪力時(shí)程特性、 承臺(tái)周?chē)鲌?chǎng)以及凈空對(duì)波浪荷載的影響規(guī)律； 張忠中[2]則針對(duì)福建目前海上風(fēng)電發(fā)展情況及工程海域特點(diǎn)， 結(jié)合工程實(shí)例， 研究高樁承臺(tái)在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的應(yīng)用；而黃津等[3]以工程實(shí)例為研究對(duì)象， 依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立高樁碼頭的有限元模型， 探討波浪力對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)的影響； 劉逸敏等[4]則以深海橋梁建設(shè)中廣泛采用的群樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象， 發(fā)展了淹沒(méi)承臺(tái)下樁柱波浪作用力的工程計(jì)算方法；另外周靜姝等[5]、 周子明[6]則研究了承臺(tái)結(jié)構(gòu)在波浪作用下的水動(dòng)力特性問(wèn)題。

本文依據(jù)前人的研究成果并依托相關(guān)工程實(shí)例， 進(jìn)行一定比尺的物理模型試驗(yàn)， 測(cè)量高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的堤前后波高、 上水越浪情況及結(jié)構(gòu)受力，分析波浪透射率， 并對(duì)堤前擋浪板夾縫處的流速進(jìn)行測(cè)量。 通過(guò)分析波浪對(duì)不同形式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用效果， 進(jìn)而為該類(lèi)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供建議與依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)水位

試驗(yàn)水位條件為: 50 a 一遇的極端高水位3.01 m， 設(shè)計(jì)高水位2.06 m， 設(shè)計(jì)低水位-1.89 m。

1.2 波浪條件

試驗(yàn)波要素參考已有的研究成果[7]， 碼頭處測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2[8]， 并選取2#點(diǎn)位置的波浪作為試驗(yàn)波浪條件； 試驗(yàn)主要針對(duì)重現(xiàn)期為50 a 一遇的波浪情況， 具體波要素見(jiàn)表1。

圖2 計(jì)算點(diǎn)布置

表1 試驗(yàn)波要素

1.3 工程結(jié)構(gòu)方案

工程設(shè)計(jì)方案遵照《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]要求， 其中原設(shè)計(jì)直樁方案平面與斷面見(jiàn)圖3， 結(jié)構(gòu)形式為常規(guī)高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)， 共布置4排樁。 其中迎浪側(cè)第3 排為消浪排樁結(jié)構(gòu)， 采用φ2 000 mm直樁， 樁間有插入式肋板， 肋板插入底高程至泥面， 肋板間距50 mm； 胸墻高度為1. 5 m， 頂高程為7. 5 m； 后3 排均采用φ2 000 mm直樁。

圖3 原設(shè)計(jì)直樁方案(高程: m； 尺寸: mm。 下同)

原設(shè)計(jì)斜樁(斜度5∶1)方案平面與斷面見(jiàn)圖4， 其在原設(shè)計(jì)直樁方案基礎(chǔ)上， 將第1 排消浪直樁改為斜度5∶1 的消浪斜樁， 其他因素與原設(shè)計(jì)直樁方案相同。

圖4 原設(shè)計(jì)斜樁(斜度5：1)方案

修改方案的斷面結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖5， 將原設(shè)計(jì)直樁方案的4 排直樁更改為4 排斜度為6∶1 的斜樁；胸墻高度為1.2 m， 頂高程為5.7 m； 第1 排為消浪樁， 同樣在樁間布置了和原方案相同的肋板結(jié)構(gòu)。

圖5 修改方案斷面

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 相似準(zhǔn)則與模型比尺

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)， 結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿(mǎn)足幾何相似； 另外根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地、 現(xiàn)有塊體質(zhì)量及試驗(yàn)要求， 選用的模型幾何比尺為31.75， 時(shí)間比尺為5.63， 力比尺為32 006。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院波浪試驗(yàn)大廳水槽中進(jìn)行， 水槽長(zhǎng)65 m、 寬1 m、高1.3 m。 造波機(jī)為電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)推板吸收式造波機(jī)， 可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波。

另外模型的高程用水準(zhǔn)儀控制， 長(zhǎng)度用鋼尺測(cè)量， 水位通過(guò)測(cè)針進(jìn)行測(cè)量， 波高采用三維浪高儀， 并通過(guò)日本三井造船廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的多方向波測(cè)量系統(tǒng)對(duì)波高進(jìn)行采集分析， 模型波浪力采用SG2008 型微型點(diǎn)壓力采集系統(tǒng)對(duì)采集到的點(diǎn)壓力進(jìn)行處理， 試驗(yàn)過(guò)程中使用攝像機(jī)記錄波面過(guò)程和上水、 越浪等試驗(yàn)現(xiàn)象。

2.3 試驗(yàn)方法

1)波浪模擬。 試驗(yàn)采用頻譜不規(guī)則波， 頻譜考慮《港口與航道水文規(guī)范》[10]中規(guī)定的波譜， 選用JONSWAP 譜。

2)越浪量測(cè)量。 越浪量統(tǒng)計(jì)即在測(cè)量點(diǎn)用接水裝置接取越浪水體， 通過(guò)測(cè)量質(zhì)量或體積從而得到模型的越浪量。 不規(guī)則波截取一個(gè)完整波列的總越浪水體作為相應(yīng)歷時(shí)的總越浪量， 然后計(jì)算單寬平均越浪量， 并按照相似準(zhǔn)則， 將模型越浪量換算成原體越浪量。

3)堤后次生波測(cè)量。 為驗(yàn)證掩護(hù)效果， 在堤后布置波高傳感器測(cè)量因透射和越浪產(chǎn)生的堤后次生波， 堤后共布置了10 個(gè)波高傳感器， 距防波堤后 沿 距 離 分 別 為3.18、 19.05、 34.93、 50.80、66.68、 82.55、 98.43、 114.30、 130.18、 146.05 m，傳感器布置見(jiàn)圖6。

圖6 堤后次生波傳感器布置

4) 波壓力測(cè)量。 依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[11]和試驗(yàn)要求， 在迎浪側(cè)消浪樁、 擋板、 碼頭面頂部布置波壓力傳感器； 各傳感器高程見(jiàn)圖7。試驗(yàn)在兩種水位重現(xiàn)期為50 a 的波浪作用下， 按照迎浪面2.7 m(即一樁與兩側(cè)消浪板寬度之和)計(jì)算單位寬度的總力。

圖7 波壓力傳感器布置

5) 堤前波生流流速測(cè)量。 消浪樁間縫隙較小， 為50 mm， 在波浪作用下消浪樁前后產(chǎn)生較大的水位差， 進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生較大的流速， 易造成樁局部沖刷， 故需要對(duì)消浪樁間的流速進(jìn)行測(cè)量。流速測(cè)量在原設(shè)計(jì)方案直樁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行， 測(cè)量點(diǎn)底高程為-13.71 m(模型上距底5 cm)， 測(cè)點(diǎn)正對(duì)消浪樁間縫隙， 測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖8。

圖8 底流速傳感器布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 堤后次生波

在重現(xiàn)期為50 a 的波浪作用下， 極端高水位作用時(shí)堤后次生波波高結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9a)、 b)，設(shè)計(jì)高水位作用時(shí)堤后次生波波高結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9c)、 d)； 極端高水位作用時(shí)堤后次生波透射率(堤后與堤前波高之比)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10a)、 b)，設(shè)計(jì)高水位作用時(shí)堤后次生波透射率結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10c)、 d)。

圖9 堤后次生波波高對(duì)比

圖10 堤后次生波透射率對(duì)比

可以看出， 原設(shè)計(jì)直樁方案在極端高水位重現(xiàn)期為50 a 的波浪條件下， 堤后次生波波高較大，兩種不同波浪累計(jì)頻率下的平均透射率為22.7%，在設(shè)計(jì)高水位、 重現(xiàn)期為50 a 的波浪條件下， 兩種不同波浪累計(jì)頻率下的平均透射率為17.2%；另外隨著與堤距離的增加， 次生波的波高和透射率逐漸衰減， 且在堤后附近位置處衰減較快， 之后衰減速度放緩； 針對(duì)整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果而言， 堤后最大波高值可達(dá)2.0 m。

原設(shè)計(jì)斜樁(斜度5∶1)方案在極端高水位、 重現(xiàn)期為50 a 的波浪作用下， 兩種不同波浪累計(jì)頻率下的平均透射率為26.45%， 在設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期為50 a 條件下， 兩種不同波浪累計(jì)頻率下的平均透射率為20.7%， 堤后最大波高值可達(dá)2.16 m，可見(jiàn)原設(shè)計(jì)斜樁(斜度5∶1)方案堤后最大波高和平均透射率均大于原設(shè)計(jì)直樁方案。 此斜樁方案對(duì)比原設(shè)計(jì)的直樁方案， 前排的消浪直樁換成斜樁， 分析可知斜消浪樁與直消浪樁相比， 斜消浪樁的堤后次生波透射率會(huì)增大， 并導(dǎo)致堤后的最大波高也增大； 另外斜消浪樁后的波高及其透射率也會(huì)隨著與堤距離的增加而衰減， 對(duì)于直消浪樁和斜消浪樁兩種設(shè)計(jì)方案， 波高的衰減幅值在兩種水位和兩種波浪累計(jì)頻率下基本一致， 但直消浪樁后的次生波透射率衰減更快， 且衰減幅值更大， 這種現(xiàn)象在設(shè)計(jì)高水位時(shí)表現(xiàn)得更加明顯，分析后認(rèn)為是設(shè)計(jì)高水位時(shí)堤后次生波受越浪量的影響比極端高水位時(shí)小造成的。

修改方案斜樁(斜度6∶1)試驗(yàn)中， 根據(jù)透射率結(jié)果可知: 在極端高水位、 重現(xiàn)期50 a 的波浪條件下， 兩種不同波浪累計(jì)頻率下的平均透射率為28.6%， 設(shè)計(jì)高水位、 重現(xiàn)期為50 a 條件下， 兩種不同波浪累計(jì)頻率下的平均透射率為25.0%；綜合整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果， 堤后最大波高可達(dá)2.63 m；隨著與堤距離的增加， 次生波波高與透射率也逐漸衰減， 與原方案相同； 該方案與原方案中的兩種形式相比， 其胸墻頂高程降低， 平均透射率增加， 堤后最大波高也顯著增大； 堤后次生波和透射率都比原設(shè)計(jì)的兩種方案要大， 且衰減速度和衰減幅值也更大， 在極端高水位作用時(shí)此現(xiàn)象更加明顯； 在5#傳感器(圖6)之后的水域， 該修改方案的波高以及透射率結(jié)果已經(jīng)小于原設(shè)計(jì)斜樁(斜率5∶1)方案的結(jié)果， 分析主要是修改方案的頂高程較低， 在極端高水位作用時(shí)堤頂越浪量遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)直樁和斜樁方案的越浪量， 造成1#傳感器位置處(圖6)修改方案的波高和透射率結(jié)果比原設(shè)計(jì)方案的波高和透射率結(jié)果大得多； 而修改方案的透射衰減速度更快， 這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)越浪在堤后產(chǎn)生的次生波的衰減速度要大于透過(guò)消浪樁間縫隙的波浪在堤后產(chǎn)生的次生波所導(dǎo)致。

3.2 越浪情況

極端高水位和設(shè)計(jì)高水位(重現(xiàn)期均為50 a)的波浪作用下， 各方案越浪量及越浪沖擊最遠(yuǎn)距離(距胸墻前沿)結(jié)果見(jiàn)表2(越浪率為一個(gè)波列中越浪波數(shù)量與波列中波總數(shù)量的百分比)。

表2 越浪情況結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知， 原設(shè)計(jì)直樁方案在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位(重現(xiàn)期均為50 a)波浪作用下， 越浪量分別為252.6 和18.3 L∕(m·s)， 越浪沖擊范圍分別為7.0 和3.2 m； 原設(shè)計(jì)斜樁(斜度5∶1)方案在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位(重現(xiàn)期均為50 a)波浪作用下， 越浪量分別為178.6 和13.2 L∕(m·s)，越浪沖擊范圍分別為7.6 和3.8 m； 與原直樁方案相比可知將直樁換為斜樁時(shí)， 越浪量顯著降低， 結(jié)合兩原設(shè)計(jì)方案堤后次生波波高和透射率結(jié)果分析可知， 堤前波浪更易透過(guò)原設(shè)計(jì)方案的斜樁消浪樁， 即在波浪沿斜面爬升的過(guò)程中有更多的水體透過(guò)消浪樁的縫隙進(jìn)入堤后， 從而使越過(guò)堤頂進(jìn)入堤后的水體減少， 造成所測(cè)得的越浪量減??；另外修改斜樁(斜度6∶1)方案試驗(yàn)在兩種水位(重現(xiàn)期均為50 a)的條件下， 越浪量分別為486.6 和131.1 L∕(m·s)； 越浪沖擊范圍分別為11.1 和6.4 m。 且在極端高水位(50 a 重現(xiàn)期)下， 越浪率高達(dá)63%； 該修改方案與原設(shè)計(jì)方案的兩種形式相比， 由于胸墻頂高程較低， 導(dǎo)致越浪量遠(yuǎn)大于兩種原設(shè)計(jì)方案的越浪量， 且越浪沖擊范圍也更大， 此形式下的結(jié)構(gòu)更應(yīng)注意頂面的排水問(wèn)題。

3.3 波浪力

3.3.1 原設(shè)計(jì)直樁方案

統(tǒng)計(jì)各傳感器數(shù)據(jù)， 各處測(cè)點(diǎn)的最大壓強(qiáng)均出現(xiàn)在極端高水位， 結(jié)構(gòu)頂板表面最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在6#波壓力傳感器， 可達(dá)113.43 kPa， 分析其主要是由于越浪水體沖擊造成的； 而結(jié)構(gòu)迎浪面最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在15#波壓力傳感器， 可達(dá)91.32 kPa； 水平力最大值出現(xiàn)在極端高水位， 可達(dá)4 255.22 kN∕2.7 m，見(jiàn)圖7a)。

3.3.2 修改斜樁(斜度6∶1)方案試驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)各傳感器數(shù)據(jù)， 由試驗(yàn)結(jié)果可知各測(cè)點(diǎn)最大壓強(qiáng)均出現(xiàn)在極端高水位， 此時(shí)結(jié)構(gòu)頂板表面最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在5#波壓力傳感器， 可達(dá)58.48 kPa；結(jié)構(gòu)迎浪面最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在14#波壓力傳感器， 可達(dá)85.87 kPa； 水平力最大值出現(xiàn)在極端高水位，可達(dá)3 975.28 kN∕2.7 m， 見(jiàn)圖7b)。

該修改方案與原直樁方案相比， 所受的水平力最大值減小， 各處所受最大壓力也相應(yīng)減小。

3.4 堤前流速

針對(duì)原直樁方案測(cè)量堤前流速， 不同水位條件下， 消浪樁前波生流流速結(jié)果見(jiàn)表3。 可以看出， 在極端高水位(重現(xiàn)期為50 a)的波浪條件下，最大流速可達(dá)6.64 m∕s； 設(shè)計(jì)高水位(重現(xiàn)期為50 a)的波浪條件下最大瞬時(shí)流速為5.79 m∕s。 由于流速較大， 易造成樁局部沖刷， 故在工程設(shè)計(jì)中對(duì)于此類(lèi)消浪樁結(jié)構(gòu)， 應(yīng)考慮對(duì)消浪樁內(nèi)外采取一定的防護(hù)措施。

表3 消浪樁前波生流流速結(jié)果

4 結(jié)論

1)在同等條件下， 消浪直樁后的堤后次生波的波高和透射率都小于消浪斜樁， 故消浪直樁方案對(duì)于樁后水域而言具備更好的泊穩(wěn)條件； 但由于消浪斜樁有斜面存在， 波浪在斜面爬升的過(guò)程中能量會(huì)被損耗， 從而在入射波和反射波疊加后， 消浪斜樁前的波高會(huì)小于消浪直樁前的波高， 此時(shí)對(duì)于樁前水域， 消浪斜樁擁有更好的泊穩(wěn)條件。

2)本工程設(shè)計(jì)方案采用消浪樁結(jié)構(gòu)， 消浪樁間距較小， 僅為50 mm； 根據(jù)直樁試驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到的流速結(jié)果可知， 樁間縫隙處流速較大， 容易造成該處局部沖刷， 故對(duì)于該類(lèi)消浪樁， 應(yīng)采用適宜的方式對(duì)消浪樁內(nèi)外做一定的防護(hù)。

3)本工程修改方案的擋浪墻頂高程僅為5.7 m， 根據(jù)試驗(yàn)觀(guān)測(cè)結(jié)果可知， 其越浪量及對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)的沖擊均較大， 同時(shí)還會(huì)引起堤后次生波的增大， 堤后兼作碼頭時(shí)， 不利于船舶的泊穩(wěn)； 另外在極端高水位情況下， 越浪沖擊距離也較大， 故應(yīng)注意結(jié)構(gòu)上部設(shè)施的安全以及排水問(wèn)題。

4)本工程所采用的消浪結(jié)構(gòu)， 所受波浪沖擊較大， 由于物理模型縮尺效應(yīng)的影響， 其破波作用由于夾氣量的不同， 模型破波沖擊會(huì)弱于原型，而時(shí)間比尺又會(huì)造成模型的受力時(shí)間長(zhǎng)于原型從而使結(jié)構(gòu)響應(yīng)偏于保守， 故在相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意受力沖擊的取值問(wèn)題。

5)本工程位于島嶼群內(nèi)， 海域地形條件復(fù)雜，受地形折射和島嶼掩護(hù)影響， 波浪傳播也十分復(fù)雜； 而受二維斷面物理模型限制， 模型中無(wú)法反映波浪方向、 周邊地形結(jié)構(gòu)等因素的影響； 因此建議后續(xù)研究可采用整體波浪物理模型， 對(duì)波浪分布、 波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用做進(jìn)一步的模擬研究。