不同上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱的消浪效果與波浪力研究*

張慈珩，韓麗影，胡 克，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)國家工程實驗室，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；3.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著近些年人類與海洋的關(guān)系越來越緊密，各類港口、碼頭結(jié)構(gòu)的建設(shè)維護(hù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為研究熱點。例如煙臺西港區(qū)某碼頭在建設(shè)中為減小碼頭前波浪反射，改善泊穩(wěn)條件，在沉箱外部波浪作用范圍開設(shè)一些孔洞，做成開孔沉箱來優(yōu)化原設(shè)計方案。關(guān)于波浪與開孔沉箱結(jié)構(gòu)作用問題的相關(guān)研究，邢飛等[1]利用三步有限元方法離散Navier-Stokes方程研究了規(guī)則波作用下開孔沉箱的波浪總水平力分布；張玉彬等[2]利用物理模型試驗研究了明基床上開孔沉箱在規(guī)則波作用下的受力情況；行天強(qiáng)等[3]利用物理模型試驗研究了明基床上開孔沉箱波浪的反射系數(shù)；唐蔚等[4]利用二維數(shù)值水槽，模擬不規(guī)則波與開孔沉箱的相互作用過程，得出開孔沉箱的反射系數(shù)及波浪力計算結(jié)果；周松澤等[5]通過不規(guī)則波物理模型試驗研究了透空式上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱前沿的波浪力；孫宏月等[6]進(jìn)行多組規(guī)則波物理模型試驗，研究在不同比尺模型下透空式開孔沉箱內(nèi)部受力與入射波浪的關(guān)系和差異；姜俊杰等[7]針對波浪與開孔式沉箱的相互作用開展研究，提出波浪反射率與消波室相對寬度、開孔率及相對水深等的關(guān)系，認(rèn)為有頂板開孔沉箱構(gòu)件受力較大，且頂板越低越不利于開孔沉箱的整體穩(wěn)定。

這些研究多關(guān)注波浪與開孔沉箱相互作用的波浪力和反射系數(shù)，近些年不同上部結(jié)構(gòu)成為碼頭建筑物的熱點，但是波浪對不同上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱的消浪和沖擊效果尚且缺乏研究。本文參考煙臺某港區(qū)工程所用開孔沉箱形式，通過物理模型試驗，測定波浪與不同上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱作用的上水越浪及結(jié)構(gòu)受力情況，分析波浪對不同上部開孔結(jié)構(gòu)的作用，為擬建工程提供參考。

1 試驗條件

1.1 試驗水位

試驗以煙臺港西港區(qū)理論最低潮面為基準(zhǔn)面，試驗水位：設(shè)計高水位2.46 m，設(shè)計低水位0.25 m，極端高水位3.56 m，極端低水位-0.95 m。

1.2 沉箱結(jié)構(gòu)方案

本次模型試驗考慮兩種開孔沉箱，分別借鑒該工程工作平臺和靠船墩的結(jié)構(gòu)形式(分別為A型和B型開孔沉箱)，結(jié)構(gòu)頂高程均為11.0 m，其中：

1)A型開孔沉箱方案1：基礎(chǔ)由2座方沉箱構(gòu)成，每座沉箱寬為20.35 m(包括單側(cè)外趾1.2 m)，長為30.85 m(包括雙側(cè)外趾各1.2 m)，高度為29 m，內(nèi)分為24個隔倉，單座沉箱預(yù)制質(zhì)量約為7 850 t。沉箱頂安放預(yù)制蓋板，現(xiàn)澆疊合板至設(shè)計高程后，四周分別安放雙柱消浪塊體，其上現(xiàn)澆混凝土頂板至設(shè)計高程，結(jié)構(gòu)開孔率為6.3%，方案1斷面見圖1a)。

2)A型開孔沉箱方案2：將A型開孔沉箱方案1中開孔沉箱頂高程加高至7.5 m，同時增加兩行開孔，上部胸墻結(jié)構(gòu)調(diào)整為實體鋼筋混凝土胸墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)開孔率為7.5%，方案2斷面見圖1b)。

圖1 A型開孔沉箱斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

3)B型開孔沉箱方案1：基礎(chǔ)采用平面邊長為21.55 m(包括四側(cè)外趾各1.2 m)的方沉箱，高度為29 m，內(nèi)分為16個隔倉，單座沉箱預(yù)制質(zhì)量約為5 613 t。沉箱頂安放預(yù)制蓋板，現(xiàn)澆疊合板至設(shè)計高程后，其上現(xiàn)澆胸墻，背側(cè)安放雙柱消浪塊體，其上現(xiàn)澆混凝土頂板至設(shè)計高程，結(jié)構(gòu)開孔率為4.5%，斷面見圖2a)。

4)B型開孔沉箱方案2：將B型開孔沉箱方案1中上部胸墻改為側(cè)開孔結(jié)構(gòu)，下部沉箱結(jié)構(gòu)保持不變，結(jié)構(gòu)開孔率為4.5%，斷面見圖2b)。

圖2 B型開孔沉箱斷面

1.3 波浪條件

本試驗的波浪邊界條件由相關(guān)數(shù)學(xué)模型[8]計算結(jié)果得到，試驗中選取工程位置處較強(qiáng)的NE(ENE)向作為本次試驗波浪邊界條件，波要素見表1。

表1 NE(ENE)向試驗波浪條件

2 模型設(shè)計與制作

試驗?zāi)康氖菫榱吮容^不同結(jié)構(gòu)的消浪效果差異，在試驗中截取模型水槽寬度1 m作為結(jié)構(gòu)模擬長度，迎浪側(cè)開孔按照水槽中線對稱布置，以滿足斷面試驗的假設(shè)條件。根據(jù)試驗場地、現(xiàn)有塊體質(zhì)量及試驗要求，模型選用幾何比尺為35，時間比尺為5.91，力比尺為42 875。

依據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》[9]的要求，斷面中沉箱結(jié)構(gòu)采用塑料板制作，柵欄板原子灰加鐵粉配制，質(zhì)量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規(guī)程的要求，斷面模型中各種塊石按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水的密度差影響，模型中考慮ρ海水/ρ淡水=1.025，即塊體制作中考慮了這種影響。以B型開孔沉箱方案1為例，模型制作和擺放見圖3。

圖3 模型制作與擺放

3 試驗設(shè)備與方法

3.1 試驗設(shè)備

試驗在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院波浪試驗大廳水槽中進(jìn)行，水槽長65 m、寬1 m、高1.3 m。模型高程用水準(zhǔn)儀控制，長度用鋼尺測量，水位通過測針測量，試驗過程中采用攝像機(jī)記錄波面過程和上水、越浪等試驗現(xiàn)象。波高采用三維浪高儀，并通過日本三井造船廠開發(fā)的多方向波測量系統(tǒng)對波高進(jìn)行采集，分析模型波浪力采用SG2008型微型點壓力采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動采集波浪壓強(qiáng)并有相關(guān)處理功能，對采集到的點壓力進(jìn)行處理。

3.2 試驗方法

1)波浪模擬。試驗波浪分別采用不規(guī)則波和規(guī)則波，由于本試驗?zāi)M不規(guī)則波頻譜難以適用《海港水文規(guī)范》中的波譜，故試驗采用JONSWAP譜(簡稱J譜)模擬。

2)越浪量測量。越浪量統(tǒng)計即在測量點用接水裝置接取越浪水體，通過測量質(zhì)量或體積得到模型的越浪量。不規(guī)則波截取一個完整波列的總越浪水體作為相應(yīng)歷時的總越浪量，然后計算單寬平均越浪量。按相似準(zhǔn)則，將模型越浪量換算成原體越浪量。試驗選取150個波，單寬平均越浪量按下式計算：

(1)

式中：q為單寬平均越浪量[m3/(m·s)]；V為1個波列作用下的總越浪水量(m3)；b為收集越浪量的接水寬度(m)；t為1個波列作用的持續(xù)時間(s)。

3)波壓力測量。依據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》和試驗技術(shù)要求，在胸墻迎浪側(cè)、底板布置波壓強(qiáng)傳感器[10]。波壓力數(shù)據(jù)通過SG2008型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集分析，連續(xù)采集200個波作用的波壓力過程，模型采樣的時間間隔均為5 ms。在靜水條件下，對所有測點標(biāo)零，在靜水面以下的測點以此時的靜水壓強(qiáng)作為對應(yīng)測點的零點，在靜水面以上的測點以此時的大氣壓強(qiáng)作為零點。試驗采集到的壓強(qiáng)值為測點實際壓強(qiáng)與標(biāo)零時測點對應(yīng)壓強(qiáng)的差值，即為所受到的波浪動水壓強(qiáng)。針對A型開孔沉箱進(jìn)行波壓力測量，在胸墻外部布置了13個波壓強(qiáng)傳感器；B型開孔沉箱在沉箱及胸墻外部布置了12個波壓強(qiáng)傳感器用于分析結(jié)構(gòu)所受波浪總力和波壓強(qiáng)，傳感器布置見圖4。

圖4 傳感器布置

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 消浪效果比較

4.1.1A型開孔沉箱

對A型開孔沉箱方案1和2進(jìn)行測量，由于設(shè)計低水位和極端低水位沒有越浪量，所以只在極端高水位和設(shè)計高水位測量上水越浪情況。試驗結(jié)果見表2，由此觀察在各水位對應(yīng)50 a一遇波浪作用下開孔沉箱的穩(wěn)定性及受力狀況。

由表2可以看出，方案1和2在各水位50 a一遇波浪作用下結(jié)構(gòu)各部分均穩(wěn)定。但方案1在極端高水位情況下越浪量為21.9 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達(dá)碼頭前沿后10.5 m處，最大上水高度在碼頭面以上3.60 m。而方案2，在極端高水位情況下越浪量為9.7 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達(dá)碼頭前沿后4.1 m處，最大上水高度在碼頭面以上1.58 m。

表2 A型開孔沉箱方案斷面模型試驗結(jié)果

4.1.2B型開孔沉箱

對B型開孔沉箱方案1和2進(jìn)行測量，由于設(shè)計低水位和極端低水位沒有越浪量，所以只在極端高水位和設(shè)計高水位測量上水越浪情況。試驗結(jié)果見3，由此觀察在各水位對應(yīng)50 a一遇波浪作用下開孔沉箱的穩(wěn)定性及受力狀況。

續(xù)表3

由表3可看出，方案1和2在各水位50 a一遇波浪作用下結(jié)構(gòu)各部分均穩(wěn)定。但方案1在極端高水位情況下越浪量為95.8 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達(dá)碼頭前沿后12.25m處，最大上水高度在碼頭面以上4.25 m。而方案2，在極端高水位情況下越浪量為36.0 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達(dá)碼頭前沿后12.3 m處，最大上水高度在碼頭面以上0.9 m。

表3 B型開孔沉箱方案斷面模型試驗結(jié)果

A型開孔沉箱方案1的越浪量是方案2的1.3倍，最大越浪沖擊范圍是方案2的1.6倍，最大上水厚度是方案2的1.3倍；B型開孔沉箱方案1的越浪量是方案2的1.7倍，兩個方案的最大越浪沖擊范圍差不多，方案1最大上水厚度是方案2的3.7倍。由A型和B型開孔沉箱的上水越浪情況可以看出，方案1的上水越浪情況是方案2的1.5倍左右，方案2消浪效果好于方案1。所以在相同波浪條件下，開孔沉箱開孔率增加的消浪效果好于雙柱消浪塊。

4.2 波浪力比較

4.2.1A型開孔沉箱

開孔沉箱所受的波浪力是沉箱穩(wěn)定分析中的關(guān)鍵值，針對A型開孔沉箱方案1的雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱，測量不規(guī)則波和規(guī)則波下的波浪的水平力和浮托力，結(jié)果見表4。

表4 A型開孔沉箱不同水位波浪力結(jié)果

通過表4可看出，方案1最大水平力和最大浮托力均在極端高水位3.56m處產(chǎn)生。極端高水位時將產(chǎn)生最大水平力為1 849.84 kN/m，最大浮托力為794.88 kN/m。 在波浪力測試中，規(guī)則波和不規(guī)則波的試驗結(jié)果也存在差異，在極端高水位至極端低水位，不規(guī)則波的最大水平力比規(guī)則波大40%～60%，浮托力大20%～50%。上述差異現(xiàn)象一般隨水位降低而降低。

通過進(jìn)行點壓強(qiáng)測量確定雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)的波壓力沖擊部位及沖擊效果，在不規(guī)則波情況下波浪力最大時刻的點壓強(qiáng)分布如圖5所示。

圖5 A型開孔沉箱方案1的不規(guī)則波水平力最大時刻的點壓強(qiáng)分布(單位：kPa)

從試驗結(jié)果比較可看出，水平力從上到下呈增大再減小的趨勢，在開孔處以下出現(xiàn)波壓強(qiáng)最大區(qū)域，并且水位越高，區(qū)域越靠上，說明靜水位是影響波浪力作用過程的重要因素。浮托力從左到右呈減小的趨勢，基本呈三角形分布。

4.2.2B型開孔沉箱

開孔沉箱所受的波浪力是沉箱穩(wěn)定分析中的關(guān)鍵值，針對B型開孔沉箱方案2的上部結(jié)構(gòu)為側(cè)開孔的開孔沉箱結(jié)構(gòu)，測量不規(guī)則波和規(guī)則波下的波浪的水平力和浮托力，結(jié)果見表5。

表5 B型開孔沉箱方案2不同水位波浪力結(jié)果

通過表5可看出，方案2最大水平力和最大浮托力均在極端高水位3.56 m處產(chǎn)生。極端高水位是將產(chǎn)生最大水平力為1 643.44 kN/m，最大浮托力為661.49 kN/m。在波浪力測試中，規(guī)則波和不規(guī)則波的試驗結(jié)果也存在很大差異，在極端高水位至極端低水位，不規(guī)則波的最大水平力比規(guī)則波大45%～50%，浮托力大60%～70%，在極端低水位處，浮托力不規(guī)則波比規(guī)則波大136%。

通過進(jìn)行點壓強(qiáng)測量確定側(cè)開孔上部結(jié)構(gòu)的波壓力沖擊部位及沖擊效果，在不規(guī)則波情況下波浪力最大時刻的點壓強(qiáng)分布如圖6所示。

圖6 B型開孔沉箱方案2不規(guī)則波水平力最大時刻的點壓強(qiáng)分布(單位：kPa)

從試驗結(jié)果比較可看出，水平力從上到下呈增大再減小的趨勢，主要集中在4#傳感器位置，即在開孔處出現(xiàn)波壓強(qiáng)最大區(qū)域。浮托力從左到右呈減小的趨勢，基本呈三角形分布。并且多個數(shù)據(jù)顯示極端低水位的最大點壓強(qiáng)比其他水位的點壓強(qiáng)都大，說明與波面對開口的淹沒程度是影響波浪力作用過程的重要因素。

由此可見雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱所受波浪力主要受靜水位影響，最大點壓強(qiáng)區(qū)域集中在開孔下方；而側(cè)開孔上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱所受波浪力主要受波面對開孔的淹沒程度影響，最大點壓強(qiáng)區(qū)域集中在開孔處。

5 結(jié)論

1)由A和B型兩種開孔沉箱形式的上水越浪情況可以看出，方案1的上水越浪情況是方案2的1.5倍左右，方案2消浪效果好于方案1。所以在相同波浪條件下，開孔沉箱開孔率增加的消浪效果好于雙柱消浪塊。

2)波浪與雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱的波壓強(qiáng)最大處區(qū)域在開孔下方，而側(cè)開孔上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱的波壓強(qiáng)最大區(qū)域在開孔處附近。

3)雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱所受波浪力主要受靜水位影響；側(cè)開孔上部結(jié)構(gòu)開孔沉箱所受波浪力主要受波面對開孔的淹沒程度影響。