開孔雙壁圓形鋼吊箱圍堰消波效果影響因素分析

黃 雯，王巍巍，加攀星，姜天華

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081)

墩柱、承臺作為跨海大橋的基礎(chǔ)組成是保證跨海大橋平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。在跨海大橋基礎(chǔ)施工過程中，圍堰結(jié)構(gòu)無時(shí)無刻不受著風(fēng)、海流、波浪等荷載作用，其中波浪力是最主要的外力[1]。近年為了耗散波浪蘊(yùn)含的能量，減小波浪荷載對圍堰結(jié)構(gòu)的沖擊作用，確保圍堰結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性和可靠性，實(shí)踐中開始嘗試一種新型的外壁開孔雙壁鋼吊箱圍堰(見圖1)。波浪流入開孔圍堰后會產(chǎn)生反射、繞射、破碎等過程，圍堰所受荷載很復(fù)雜。因此，開展波浪作用下開孔雙壁鋼吊箱圍堰的受力特性研究具有重要意義。很多學(xué)者的研究表明，海洋環(huán)境中的開孔結(jié)構(gòu)物具有一定削減波浪力的作用[2-5]。Liu等[6]通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了沉箱結(jié)構(gòu)在開孔條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。陳雪峰等[7]、行天強(qiáng)等[8]用水槽試驗(yàn)?zāi)M海洋中波浪對開孔沉箱的作用，通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了新型防波堤結(jié)構(gòu)的開孔深度、數(shù)量及其吃水深度等因數(shù)改變時(shí)，防波堤所受到的波浪力及波浪反射系數(shù)的變化，并得出相關(guān)的計(jì)算公式。蔡郁等[9]對不同開孔率的開孔沉箱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討了波浪反射系數(shù)與開孔率之間的關(guān)系。Chen等[10]根據(jù)研究開孔沉箱的波浪反射系數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(如開孔率α等)在波浪作用下發(fā)生的變化擬合出了相應(yīng)的計(jì)算表達(dá)式。

圖1 外壁開孔雙壁鋼圍堰Fig.1 Trepanning of double wall steel cofferdam

針對外壁開孔雙壁鋼吊箱圍堰的研究可以借鑒開孔防波堤，但兩者又有明顯的不同之處。防波堤一般分為沉箱式(底部埋置于海床平面以下)和浮式(通過錨泊系統(tǒng)固定漂浮在海面上)兩類；而鋼吊箱圍堰則可視為固定在樁頂端的結(jié)構(gòu)物(圖2)，其處于海水中但底部又不直接與海床接觸，其在波浪荷載作用下的運(yùn)動狀態(tài)及受力特性顯然與防波堤有所不同。為此，文中將采用數(shù)值方法針對外壁開孔雙壁鋼吊箱圍堰在波浪作用下的受力特性開展研究，著重分析波浪參數(shù)和圍堰自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對消波效果的影響規(guī)律，為開孔鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of steel hanging box cofferdam structure

1 雙壁鋼圍堰數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

福建某跨海大橋No.3#墩基礎(chǔ)施工采用雙壁圓形鋼吊箱鋼圍堰，平面直徑D=36 m，高度為24 m，圍堰底部距海床12 m，內(nèi)外壁之間用橫隔板作為支撐。圍堰所處海域的氣候條件以及波浪參數(shù)為波高H1%=3.24 m，海水密度為1 030 kg/m3，平均水深d=30 m，周期T=6.3 s、波長L=61.6 m，由于d/L=0.49>0.25，屬于深水波，根據(jù)竺艷蓉[11]提出的波浪理論適用范圍，可采用二階Stokes波。

數(shù)值模擬采用Ansys Workbench中的CFX模塊，CFX以有限體積法為基礎(chǔ)，通過對固、液、氣三相的定義，可實(shí)現(xiàn)對波浪及結(jié)構(gòu)相互作用的準(zhǔn)確模擬。研究表明，為了減少計(jì)算量且使波浪的傳播保持穩(wěn)定的形式，波浪流體域水槽的長度應(yīng)大于波長的6倍。由上述內(nèi)容可知，該海域內(nèi)波浪的波長L=61.6 m，則流體域水槽的長度A>6L。流體域水槽的寬度與位于其內(nèi)樁柱直徑的比值若小于5，會產(chǎn)生明顯的邊壁效應(yīng)，則流體域水槽的寬度B>5D。流體水槽域設(shè)置為400 m×200 m×30 m(長×寬×高)，采用ICEM六面體的網(wǎng)格劃分方式，模型統(tǒng)一采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對波面附近及圍堰四周進(jìn)行加密處理，模型共劃分網(wǎng)格1 761 587個，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.36以上。

波浪模擬采用規(guī)則波，流槽入口處采用短重力波、二階Stokes波。造波方法采用邊界數(shù)值法，通過CEL語言對靜水壓力、波面方程及波高、波長等主要參數(shù)進(jìn)行編輯，并作為初始條件輸入。壁面條件為：水槽側(cè)壁及圍堰開孔處壁面均設(shè)置為光滑壁面(free slip wall)以消除其對流體的阻力；流槽入口邊界類型為Inlet，出口邊界處采用Opening開放性條件定義Outlet及Up邊界，避免出口邊界對流體的反射作用。采用流體體積(volume of fluid，簡稱VOF)法對自由表面波動進(jìn)行追蹤，設(shè)置空氣的體積分?jǐn)?shù)為1，水的體積分?jǐn)?shù)為0。求解總時(shí)間設(shè)置為63 s(10T)，時(shí)間步長為T/126。水槽與鋼圍堰模型尺寸如圖3所示，樁基和封底混凝土對圍堰具有很好的固定作用，故數(shù)值模型中不包含樁基，并設(shè)置鋼圍堰底部為固定邊界條件。

圖3 模型尺寸與鋼圍堰開孔Fig.3 Model size and trepanning of steel cofferdam

為驗(yàn)證數(shù)值波浪水槽的造波效果，首先對無圍堰結(jié)構(gòu)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。以靜水時(shí)水槽寬度方向?qū)ΨQ面和自由水面交線的中點(diǎn)為原點(diǎn)，沿長度出口方向?yàn)閄軸正方向，豎直向上為Y軸正方向建立坐標(biāo)系，在波面上選取5個點(diǎn)，分別為A(-195，0)、B(-18，0)、C(-16，0)、D(150，0)、E(195，0)，其中A點(diǎn)位于波浪水槽的造波區(qū)，B、C點(diǎn)位于工作區(qū)，D、E點(diǎn)位于消波區(qū)。將各點(diǎn)從0～30 s的波面曲線與理論計(jì)算曲線對比，如圖4所示。A(-195，0)的時(shí)程曲線與理論值比較接近，說明造波效果較好；工作區(qū)點(diǎn)B(-18，0)、C(-16，0)的時(shí)程曲線出現(xiàn)一定程度的衰減，這是隨著傳播距離的增加，數(shù)值耗散和水體黏性產(chǎn)生的正?，F(xiàn)象；衰減一定程度后會逐漸趨于穩(wěn)定，消波區(qū)點(diǎn)D(150，0)、E(195，0)時(shí)程曲線波幅與理論值相比明顯減小，說明消波區(qū)效果良好，不會因出口反射對結(jié)果產(chǎn)生影響。為減小波高衰減對結(jié)果的影響，對初始波高進(jìn)行修正并將圍堰置于波高穩(wěn)定區(qū)域，以確保圍堰處波高的理論值和模擬值誤差在5%以內(nèi)。

圖4 0～30 s波面曲線與理論曲線對比Fig.4 Comparison of wave curves and theoretical wave between 0～30 s

1.2 工況設(shè)置

波浪抵達(dá)鋼圍堰外壁時(shí)會發(fā)生折射、反射、繞射和破碎，若對圍堰外壁進(jìn)行開孔，則一部分能量會以滲透波的形式滲入孔隙內(nèi)部，在圍堰孔中反射、折射，損耗內(nèi)能；另一部分能量會以摩擦作用，發(fā)生波面破碎等非線性效應(yīng)消耗，其中波浪破碎主要與水深、入射波的波陡、障礙物空隙有關(guān)。兩種能量的消耗均可有效減小圍堰所受的水平波浪力。因此，對圍堰消波的影響因素主要包含兩類，一類是波浪的參數(shù)，包括水深d、波陡H/L等；另一類是鋼圍堰自身設(shè)計(jì)參數(shù)，如開孔率α(開孔總面積與圍堰側(cè)表面積之比)、雙壁間距s等。綜合考慮，文中設(shè)計(jì)開展4種工況的數(shù)值模擬分析。工況一：保持水深、雙壁間距不變，研究不同開孔率下波陡的影響規(guī)律；工況二：保持波陡、雙壁間距不變，研究不同開孔率下波陡的影響規(guī)律；工況三：保持水深、雙壁間距不變，研究不同波陡下開孔率的影響規(guī)律；工況四：保持水深、波陡不變，研究不同開孔率下雙壁間距的影響規(guī)律。4種工況中，前兩者針對雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)開孔率和雙壁間距，后兩者針對波浪參數(shù)。各工況參數(shù)變化取值匯總?cè)绫?所示。根據(jù)開孔沉箱防波提的相關(guān)研究表明，開孔率在15%～25%之間消波性能最優(yōu)[12]，文中模擬開孔率取0.153、0.191、0.229、0.267，對應(yīng)中間矩形開孔尺寸依次為b×l=1.41 m×1.4 m、1.76 m×1.4 m、2.11 m×1.4 m、2.47 m×1.4 m，上下層孔洞間距h依次為2.02 m、1.67 m、1.32 m、0.96 m，兩邊半圓開孔角度為6°，每層各有30個相同大小的孔，有7層，共開孔210個，圍堰開孔(以迎浪面為例)示意如圖3所示。當(dāng)波長不變時(shí)，波陡由浪高決定。根據(jù)工程所處海域，考慮3種海況等級，分別是浪高1.0 m對應(yīng)輕浪，浪高1.5 m、2.0 m、2.5 m對應(yīng)中浪，浪高3.0 m對應(yīng)大浪，波陡根據(jù)波長L=61.6 m進(jìn)行計(jì)算。正常水位時(shí)該橋墩處水深為30 m，設(shè)計(jì)圍堰結(jié)構(gòu)水位線以上6 m，水面以下30 m。另外考慮潮水位變化，設(shè)計(jì)退潮時(shí)水深26 m、28 m和漲潮時(shí)水深32 m的3種工況，4種水深對應(yīng)的相對水深d/L分別為0.422、0.455、0.487、0.519。統(tǒng)計(jì)表明，目前國內(nèi)代表性橋梁工程主墩鋼圍堰雙壁間距設(shè)計(jì)均在1 m到2 m之間[12-15]，故此次研究雙壁間距s考慮4種工況，分別為1.0 m、1.2 m、1.6 m和2.0 m。

表1 圍堰結(jié)構(gòu)和波浪參數(shù)匯總Tab.1 Parameters summary of cofferdam structure and wave

2 開孔雙壁鋼吊箱圍堰消波因素影響規(guī)律分析

為研究開孔圓形鋼吊箱圍堰的消波效果，定義波浪力折減系數(shù)Kd=F/F0(F為波浪作用下外壁開孔雙壁鋼圍堰所受到的水平波浪力；F0為相同波浪參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸下，未開孔鋼圍堰所受水平波浪力)。由前面分析可知，對圍堰消波的影響因素主要有波浪參數(shù)(波長L，波高H)，開孔率α，雙壁之間的間距s，以及相對水深d/L等，以下將基于數(shù)值模擬結(jié)果分析各因素對波浪力折減系數(shù)Kd的影響規(guī)律。

2.1 波陡影響

取相對水深1、雙壁間距s=1.6 m進(jìn)行代表性分析，各開孔率α下波浪力折減系數(shù)Kd隨波陡H/L的變化曲線如圖5所示。

圖5 Kd隨波陡H/L變化曲線Fig.5 Curves of Kd with wave steepness H/L

從圖5可看出，不同開孔率下，波浪力折減系數(shù)隨波陡的變化規(guī)律總體上較為一致，即波陡越大、波高越高，折減系數(shù)越大，消波效果越不明顯。同時(shí)，波浪力折減系數(shù)的增大速率并非恒定，而是隨著波陡的增大呈先快后緩的變化規(guī)律，即在波陡較小時(shí)，折減系數(shù)增長較快，而當(dāng)波陡增加一定數(shù)值后，折減系數(shù)的大小基本保持恒定。在波陡小于0.032時(shí)，折減系數(shù)較小，并隨波陡增長較快，即圍堰外壁開孔對于浪高不超過2.0 m的輕浪和中浪的消波效果較好，而對于超過2.0 m的中浪和大浪，波浪力折減系數(shù)較大，但趨于恒定，消波效果相對較差。此外，在研究的浪高范圍內(nèi)，不同開孔率下，最大和最小波陡對應(yīng)的折減系數(shù)差值均在0.016～0.020范圍內(nèi)，較為接近，即波陡對波浪力折減系數(shù)的影響在2%左右。

2.2 相對水深影響

取浪高1.5 m(對應(yīng)波陡0.024)、雙壁間距為1.6 m進(jìn)行代表性分析，各開孔率α下波浪力折減系數(shù)Kd隨相對水深d/L的變化規(guī)律如圖6所示。

從圖6可看出，規(guī)則線性波作用時(shí)，不同開孔率下波浪力折減系數(shù)Kd隨相對水深的變化存在相似性，即呈現(xiàn)出先減小后增大并趨緩的規(guī)律，曲線具有下凹特征，波浪力折減系數(shù)存在最小值。不同開孔率下，曲線下凹特征的顯著性差異較大，開孔率越小，下凹特性越明顯，如α=0.153時(shí)，Kd最小值較最大值小約0.035。隨著開孔率的增大，其顯著性降低，說明開孔率越大，Kd受相對水深的影響越小，如α=0.267時(shí)，Kd最小值和最大值間差異縮小至約0.015。另外，對于任一開孔率，均存在一個相對水深值，其對應(yīng)的鋼圍堰所受水平波浪力達(dá)到最小值；且不同開孔率下，這一相對水深具有一致性。對于這里所研究的工況，不同開孔率下，波浪力折減系數(shù)Kd均在d/L=0.455，即在水深為28 m附近時(shí)取得最小值。由此可見工程實(shí)踐中充分掌握現(xiàn)場的水文資料是十分必要的，可結(jié)合水文變化規(guī)律預(yù)測最小波浪力出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而指導(dǎo)調(diào)整鋼圍堰的施工順序。

圖6 Kd隨相對水深d/L變化曲線Fig.6 Curves of Kd with d/L (the relative depth of water)

2.3 開孔率影響

取相對水深1、雙壁間距為1.6 m進(jìn)行代表性分析，各波陡H/L下波浪力折減系數(shù)Kd隨開孔率α的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 Kd隨開孔率α變化曲線Fig.7 Curves of Kd with trepanning ratio α

從圖7可看出，不同波陡情況下，波浪力折減系數(shù)Kd隨開孔率的增大而減小，且在此次所研究的開孔率范圍內(nèi)，這一變化規(guī)律具有較好的線性特征。這說明開孔率的增大對于減小鋼圍堰所受波浪力的作用是明顯的，且這一效果具有持續(xù)性，即開孔率越大，消波效果越好，波浪力越小。開孔率α=0.267時(shí)的波浪力折減系數(shù)最大要比α=0.153時(shí)減小4%以上。此外，開孔率相同情況下，波陡值越高，波浪力折減系數(shù)越大，說明消波作用減弱，且當(dāng)波陡大于0.024后，各波浪力折減系數(shù)曲線幾乎重合，說明此時(shí)波陡對波浪力折減系數(shù)曲線已幾乎沒有影響，這與圖5中的分析是一致的。剔除波陡因素后，此時(shí)開孔率對波浪力折減系數(shù)的影響在3%左右。綜合表明：文中所研究的開孔率范圍對波浪力折減系數(shù)的影響在3%到4%之間。

2.4 雙壁間距影響

取相對水深1，浪高1.5 m(對應(yīng)波陡0.024)進(jìn)行代表性分析。各開孔率下波浪力折減系數(shù)Kd隨雙壁間距s的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 Kd隨雙壁間距s變化曲線Fig.8 Curves of Kd with spacing s

從圖8可看出，各開孔率下，隨著雙壁間距s的增大，波浪力折減系數(shù)Kd總體上呈減小趨勢，且減小速率先快后慢。當(dāng)s介于1.0 m到1.6 m間時(shí)，Kd的減小速率變化較大，幾乎隨著兩壁間距的增大線性下降；但當(dāng)間距s大于1.6 m后，Kd的減小速率明顯變緩，且開孔率越小，這一變化特征愈明顯。上述規(guī)律造成不同開孔率下，當(dāng)間距s從1.0 m增大到2.0 m 時(shí)，Kd的減小量具有明顯差異，α=0.153時(shí)，Kd的變化量約為0.025，而當(dāng)α=0.267時(shí)，Kd的變化量則增大一倍，達(dá)到約0.05。此外，雙壁間距越小，不同開孔率下Kd的差異也越小。當(dāng)s=1.0 m時(shí)，各開孔率對應(yīng)的Kd幾乎一致，這說明在雙壁間距較小的情況下，開孔率所起的作用并不明顯。隨著雙壁間距的增大，各開孔率相應(yīng)Kd值的差異也趨于明顯；當(dāng)s=2.0 m時(shí)，開孔率0.267所對應(yīng)的Kd值要比開孔率0.153時(shí)減小0.02以上。上述規(guī)律說明，開孔率和間距兩種因素對Kd的影響存在耦合作用，兩者越大，其耦合作用也越強(qiáng)，波浪力折減系數(shù)Kd越小，消波效果越顯著。

3 結(jié) 語

雙壁鋼圍堰可通過在外壁上開孔達(dá)到降低波浪作用效應(yīng)的效果，從而為優(yōu)化鋼圍堰設(shè)計(jì)指標(biāo)、降低工程造價(jià)提供可能。引入波浪力折減系數(shù)對開孔雙壁鋼吊箱圍堰的消波效果進(jìn)行評價(jià)，基于數(shù)值仿真結(jié)果，探討了波浪參數(shù)和圍堰自身結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對折減系數(shù)的影響規(guī)律，主要獲得以下可供工程參考的結(jié)論：

1) 波浪力折減系數(shù)Kd隨波陡增大呈先快后緩的增大趨勢，波陡超過一定值后，消波效果將幾乎不再受其影響，此次研究工況中這一波陡值為0.032，對應(yīng)浪高不超過2.0 m的輕浪和中浪。

2) 波浪力折減系數(shù)Kd隨相對水深增大呈先減小后增大并趨緩的規(guī)律，Kd存在最小值，且對應(yīng)的相對水深具有一致性，此次研究工況中Kd均在約d/L=0.455取得最小值。

3) 波浪力折減系數(shù)Kd隨開孔率的增大而減小，具有較好的線性特征，開孔率越大，消波效果越好，此次所研究的開孔率范圍對波浪力折減系數(shù)的影響在3%到4%之間。

4) 隨著雙壁間距s的增大，波浪力折減系數(shù)Kd總體上呈減小趨勢，且減小速率先快后慢，但在雙壁間距較小的情況下，開孔的消波作用較弱。開孔率和間距兩種因素對Kd的影響存在耦合作用，兩者越大，其耦合作用也越強(qiáng)。