近岸矩形重力墩式碼頭結(jié)構(gòu)與順向波浪相互作用研究

李 穎，楊文斌，林子淳，劉鳴洋

(1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300222；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

以往有掩護(hù)港區(qū)的碼頭工程中，巖基為主區(qū)域多采用連片重力式結(jié)構(gòu)形成碼頭前沿直立岸壁，后方通過(guò)回填形成碼頭作業(yè)面。近年來(lái)國(guó)家政策嚴(yán)格控制用海，不僅限制填海造陸，還要求在港口工程中選用透空性結(jié)構(gòu)型式，保證海洋水體交換。連片重力式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到限制，為適應(yīng)巖基地區(qū)的地質(zhì)條件和實(shí)現(xiàn)水體交換功能，傳統(tǒng)的重力墩式透空結(jié)構(gòu)成為了較好的替代方案。

由于船舶作業(yè)和連片重力式碼頭結(jié)構(gòu)對(duì)順浪適應(yīng)性較強(qiáng)，港區(qū)防波堤主要以掩護(hù)橫浪為主。重力墩式結(jié)構(gòu)呈空間受力特性，較大順向波浪對(duì)重力墩式碼頭結(jié)構(gòu)有較大影響。在順浪作用下墩式結(jié)構(gòu)周邊的波流分布情況和結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，而有掩護(hù)的港區(qū)規(guī)劃岸線一般為近岸結(jié)構(gòu)，碼頭周邊構(gòu)筑物環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，尤其距離后方陸域護(hù)岸較近，因此臨近構(gòu)筑物等周邊環(huán)境對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)周邊波要素及波浪力的影響不容忽視，這使得重力墩式碼頭結(jié)構(gòu)與波浪之間的相互作用更為復(fù)雜。

重力墩式結(jié)構(gòu)作為一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，一般多用于外海深水碼頭工程。現(xiàn)行規(guī)范[1]分別給出了基于小振幅波理論的小尺度結(jié)構(gòu)物(墩尺寸/波長(zhǎng)<0.2)波浪力解析解和基于繞射理論的大尺寸結(jié)構(gòu)物(墩尺寸/波長(zhǎng)≥0.2)波浪力解析解。小尺度柱解析解適用于圓形墩柱和長(zhǎng)寬比小于1.5的方型墩柱，規(guī)范中給出了沿墩柱高度分布的單延米波浪力和波浪總力計(jì)算公式。大尺度結(jié)構(gòu)物解析解只適用于圓形墩柱，規(guī)范中給了墩柱上波壓強(qiáng)和波浪總力的計(jì)算公式。規(guī)范中的計(jì)算公式為單墩結(jié)構(gòu)的解析解，只能通過(guò)群樁系數(shù)修正和群樁系數(shù)或群墩系數(shù)來(lái)考慮墩柱之間的相互影響，而且波浪方向或群墩柱排布方式較為規(guī)則，無(wú)法考慮周邊構(gòu)筑物等復(fù)雜環(huán)境的影響?，F(xiàn)行規(guī)范提供的計(jì)算方法適用條件有限，大多數(shù)工程的實(shí)際情況都超出規(guī)范計(jì)算方法的適用范圍，所以工程中一般都借助物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段來(lái)獲得波浪要素和結(jié)構(gòu)所受波浪力。周枝榮等[2]通過(guò)波浪物理模型試驗(yàn)對(duì)斜向波作用下矩形重力墩式碼頭波浪力進(jìn)行研究，提出斜向波作用在矩形重力墩結(jié)構(gòu)上最大總水平波浪力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。白景濤等[3]基于某大型礦石碼頭工程設(shè)計(jì)，通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)準(zhǔn)橢圓形沉箱的波浪力展開(kāi)研究，總結(jié)了準(zhǔn)橢圓形墩式沉箱的受力特點(diǎn)。張胡等[4]基于線性繞射理論采用數(shù)值模擬手段對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)所受波浪力進(jìn)行研究，并通過(guò)物理模型試驗(yàn)得到了較好驗(yàn)證。任效忠等[5-6]應(yīng)用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方式，對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的準(zhǔn)橢圓沉箱波浪力展開(kāi)系統(tǒng)研究，并對(duì)開(kāi)孔和非開(kāi)孔兩種形式的準(zhǔn)橢圓沉箱的波浪力進(jìn)行對(duì)比，分析了群墩系數(shù)和波浪力不對(duì)稱系數(shù)的變化規(guī)律，研究了波浪力與波浪要素和墩臺(tái)尺度等因素之間的關(guān)系。季新然等[7-9]應(yīng)用物理模型試驗(yàn)、理論計(jì)算方法和數(shù)值模擬等多種手段對(duì)多向不規(guī)則波作用下的大尺度圓形墩柱和群墩結(jié)構(gòu)波浪力展開(kāi)系統(tǒng)研究，分析總結(jié)了不同波浪方向分布和不同墩臺(tái)布置方式等對(duì)波浪爬高、波浪力、波高值等的變化規(guī)律。以上研究成果均針對(duì)波浪作用下碼頭圓形或橢圓形墩臺(tái)之間的相互影響展開(kāi)研究，并未考慮波浪在矩形群墩間的傳播規(guī)律及波浪力變化規(guī)律，也未考慮近岸臨近構(gòu)筑物等周邊環(huán)境的影響。此外，張志等[10]針對(duì)拋石堤的穩(wěn)定性、透射特征以及施工情況進(jìn)行了深入研究，對(duì)拋石斜坡堤的性能和穩(wěn)定性得到了規(guī)律性的認(rèn)識(shí)；另有研究者[11-13]對(duì)大型港區(qū)的波浪傳播特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究和機(jī)理分析。

本文以某大型散貨碼頭為依托，對(duì)順浪作用下的近岸矩形重力墩式碼頭結(jié)構(gòu)開(kāi)展波浪物理模型試驗(yàn)研究[14]，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果、總結(jié)規(guī)律，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[15]中的關(guān)鍵點(diǎn)，為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概述

工程位于有掩護(hù)的港池內(nèi)，主要受由外海衍射入港池的順向波浪作用，碼頭由南向北包含M7(20萬(wàn)t)、M8(10萬(wàn)t)和M9(5萬(wàn)t)共3個(gè)泊位，水工結(jié)構(gòu)分別按照30萬(wàn)、20萬(wàn)和10萬(wàn)t級(jí)預(yù)留，總長(zhǎng)度為960 m，寬度為33 m，碼頭頂高程9.0 m。碼頭采用重力沉箱墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，沉箱寬度為27.55 m，沉箱長(zhǎng)度為15.4 m，墩臺(tái)之間采用大跨度預(yù)應(yīng)力梁連接，墩臺(tái)中心距45～47 m。港池總寬772 m，碼頭前沿線距離東防波堤軸線約975 m，距離碼頭后方已建護(hù)岸軸線約102 m，已建防波堤和護(hù)岸均采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，護(hù)面為人工扭王字塊。圖1和圖2為本工程位置和平面布置，圖3和圖4分別為碼頭結(jié)構(gòu)立面圖和斷面圖,由南向北沉箱編號(hào)依次為1#～22#。

圖1 工程位置圖

圖3 碼頭結(jié)構(gòu)立面圖(單位：m)

圖4 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：m)

2 模型試驗(yàn)方法

本次模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)、定床模型，試驗(yàn)幾何比尺為1:55。試驗(yàn)?zāi)M范圍包括整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)、碼頭后方已建護(hù)岸、外側(cè)已建掩護(hù)建筑物即東防波堤，以及港區(qū)內(nèi)先期建設(shè)泊位，如圖2所示?？紤]到地形對(duì)波浪影響，試驗(yàn)?zāi)M了整個(gè)區(qū)域范圍地形的變化。碼頭沉箱和上部結(jié)構(gòu)梁板均采用木材和有機(jī)玻璃進(jìn)行加工，斜坡堤結(jié)構(gòu)采用人工塊體護(hù)面。

整體物理模型港池尺寸為42.5 m×55 m×1.0 m，水池邊界如圖2所示。造波設(shè)備為可移動(dòng)搖板式造波機(jī)。波高采用波高傳感器測(cè)量，各個(gè)墩臺(tái)和預(yù)應(yīng)力梁所受總力采用總力傳感器測(cè)量，沉箱墩受到的波浪壓強(qiáng)采用SG2008型點(diǎn)壓強(qiáng)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

模型試驗(yàn)中沉箱的總力方向和壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。其中規(guī)定由沉箱前沿指向后沿為X正方向，對(duì)應(yīng)水平總力Fx為正；垂直于X方向且由沉箱南側(cè)指向北側(cè)為Y正方向，對(duì)應(yīng)側(cè)向總力Fy為正；豎直向上為Z正方向，對(duì)應(yīng)浮托力Fz為正。那么，側(cè)向傾覆力矩為Mx，前后傾覆力矩為My。

圖5 總力方向定義及壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

本次試驗(yàn)研究采用不規(guī)則波、JONSWAP譜模擬，每組波要素的波列都保持波個(gè)數(shù)在100以上，每個(gè)水位條件下模擬原體波浪作用時(shí)間取3 h(原型值)。將前期開(kāi)展的港區(qū)整體物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為本次試驗(yàn)邊界入射波要素，邊界入射波要素率定點(diǎn)見(jiàn)圖2。波要素率定點(diǎn)波浪主方向定義為完全順向(平行于該碼頭軸線)和偏轉(zhuǎn)10°(以該碼頭軸線為基準(zhǔn)偏向后方已建護(hù)岸)，主要試驗(yàn)水位和波要素見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)波要素

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算分析

3.1 波要素分析

本次試驗(yàn)首先對(duì)工程建設(shè)前后的碼頭位置波浪要素進(jìn)行測(cè)量。工程建設(shè)前是指碼頭沉箱墩結(jié)構(gòu)未建設(shè)，但碼頭前沿及沉箱墩基槽已開(kāi)挖至設(shè)計(jì)水深，-19 m航道和相應(yīng)的回旋水域也已疏浚完成。工程建設(shè)后是指在“工程建設(shè)前”的基礎(chǔ)上，本工程沉箱安放完成。

3.1.1 波要素沿程變化情況分析

以極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件為例，工程建設(shè)前，在偏轉(zhuǎn)10°波浪作用下，由碼頭南端到北端，H1%波高值由4.20 m衰減至2.08 m，衰減幅度約為50%；在完全順向波浪作用下，由碼頭南端到北端，H1%波高值由4.65 m衰減至1.90 m，衰減幅度約為59%。工程建設(shè)后，在偏轉(zhuǎn)10°波浪作用下，M7泊位1#沉箱墩南側(cè)H1%=8.09 m，隨后逐漸衰減，至M9泊位最北端沉箱北側(cè)H1%=1.46 m，波高衰減了約82%；在完全順向波浪作用下，M7泊位1#沉箱墩南側(cè)H1%=7.67 m，至M9泊位最北端沉箱北側(cè)H1%=1.25 m，波高衰減了約84%。相比之下，考慮淺水變形后的理論推導(dǎo)波高要素，由碼頭南端到北端，H1%波高值由4.8 m衰減至4.1 m，衰減幅度僅為15%。

偏轉(zhuǎn)10°波浪和完全順向波浪相對(duì)碼頭均偏順向，波高變化規(guī)律一致：工程建設(shè)前，在無(wú)碼頭沉箱墩臺(tái)遮擋作用下，沿波浪傳播方向，波高出現(xiàn)沿程衰減趨勢(shì)，在工程建設(shè)后，即按照沉箱墩臺(tái)后，波高沿程衰減幅度進(jìn)一步加大。由此可見(jiàn)，在偏順向波浪作用下，碼頭沉箱墩臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的遮擋作用明顯，這一規(guī)律與已有研究成果一致。但除了結(jié)構(gòu)自身遮擋原因外，沿程地形變化和碼頭后方已建斜坡堤護(hù)岸等均對(duì)波浪的沿程變化起到一定作用。

3.1.2 沉箱墩周邊波高分布分析

以工程建設(shè)后(安裝梁板前)在完全順向波浪作用下，極端高水位重現(xiàn)期50 a碼頭結(jié)構(gòu)四周H1%波高分布為例，如圖6所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，沿波浪傳播方向，波高的沿程衰減不是線性變化，靠近碼頭南端的5個(gè)沉箱受波浪作用相對(duì)較大，1#沉箱墩迎浪側(cè)波高值最大。此外，在完全順向波浪作用下，沉箱墩臺(tái)四周波高分布存在差別，靠近南側(cè)3個(gè)沉箱側(cè)墻之間的波高明顯比沉箱前后沿波高值偏大，墩臺(tái)前后沿波高分布無(wú)明顯規(guī)律，其余沉箱墩臺(tái)碼頭前沿波高均較后沿波高偏大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沿著波浪傳播方向，在靠近南端區(qū)域相鄰沉箱墩側(cè)墻之間存在明顯的反射疊加現(xiàn)象，碼頭后方斜坡堤護(hù)岸沿程對(duì)波浪起到一定消能和反射作用。

圖6 完全順向波浪碼頭沿程H1%波高分布結(jié)果(單位：m)

3.2 沉箱波浪力分析

3.2.1 沉箱波浪力沿程變化分析

基于波浪要素試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)論，試驗(yàn)進(jìn)一步選取有代表性沉箱墩進(jìn)行了波浪力的測(cè)量，測(cè)量位置如圖3所示。表2為極端高水位50 a波浪作用下不同位置處沉箱墩臺(tái)的波浪總力和總傾覆力矩。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著波浪的傳播，墩臺(tái)波浪力與波高變化規(guī)律一致，呈衰減趨勢(shì)。

表2 極端高水位50 a波浪作用下沉箱墩臺(tái)波浪總力

3.2.2 1#沉箱墩波壓強(qiáng)分析

1#沉箱墩作為最外側(cè)受波浪沖擊作用的沉箱墩，墩臺(tái)所受波浪力最大，受地形、群墩結(jié)構(gòu)及后方斜坡堤護(hù)岸等綜合作用下，1#沉箱墩四周波浪分布也最為復(fù)雜，以下針對(duì)1#沉箱墩的波浪力進(jìn)行研究。

1#沉箱墩長(zhǎng)度為27.55 m，寬度為15.4 m，墩臺(tái)頂高程為9.0 m，墩臺(tái)底高程為-26.0 m，墩臺(tái)尺寸與波長(zhǎng)比值D/L<0.2，墩臺(tái)屬于小尺寸構(gòu)筑物。參考現(xiàn)行規(guī)范[1]中10.3節(jié)的“波浪對(duì)樁基和墩柱的作用”計(jì)算方法，無(wú)完全符合適用條件的計(jì)算方法，工程設(shè)計(jì)中近似參考基于繞射理論的大尺度柱波壓強(qiáng)計(jì)算方法，將矩形1#沉箱墩等效為同等截面面積的圓形墩臺(tái)。模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表3)表明，1#沉箱墩四周外墻均存在波壓力和波吸力情況，前后側(cè)波壓力和波吸力總體上均大于南北側(cè)，但按照繞射理論分析，墩臺(tái)南側(cè)(迎浪側(cè))為波壓力，墩臺(tái)前后側(cè)(計(jì)算點(diǎn)同柱體圓心的連線與波向線間的夾角90°)為波壓力，墩臺(tái)北側(cè)(背浪側(cè))為波吸力，試驗(yàn)結(jié)論和繞射理論的波浪規(guī)律不一致。本文前述分析表明，碼頭南端墩臺(tái)側(cè)墻之間存在明顯的反射疊加現(xiàn)象，1#沉箱墩為矩形墩臺(tái)，墩臺(tái)長(zhǎng)寬比為1.8，該條件超出了現(xiàn)行規(guī)范中提出的矩形墩柱長(zhǎng)寬比小于1.5的條件。由此分析，1#沉箱墩波浪力受力狀態(tài)可能介于墩柱結(jié)構(gòu)和直墻結(jié)構(gòu)之間。故下面分別近似按照現(xiàn)行規(guī)范[1]中10.1節(jié)直墻式結(jié)構(gòu)的立波理論和10.3節(jié)大尺度墩柱結(jié)構(gòu)的繞射理論對(duì)1#沉箱墩波壓強(qiáng)進(jìn)行分析：南側(cè)外墻分別近似按照南側(cè)為迎浪面的立波理論和繞射理論進(jìn)行計(jì)算，前后側(cè)外墻近似按南側(cè)為迎浪面的繞射理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算波高值均可采用工程建設(shè)前測(cè)得的行進(jìn)波高值；1#沉箱墩北側(cè)分別近似按照南側(cè)為迎浪面的繞射理論和北側(cè)為迎浪面的立波理論計(jì)算，按照繞射理論計(jì)算時(shí)計(jì)算波高值可采用工程建設(shè)前測(cè)得的行進(jìn)波高值，按照立波理論計(jì)算時(shí)無(wú)試驗(yàn)直接測(cè)得的行進(jìn)波高值，考慮沉箱墩側(cè)墻之間存在明顯反射疊加現(xiàn)象，且滿足立波波態(tài)判斷條件，可近似按工程建設(shè)后側(cè)墻之間波高的一半取值，如表4所示。圖7～圖12為1#沉箱墩四周外墻的波壓強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。對(duì)比結(jié)果表明，南側(cè)波壓力試驗(yàn)數(shù)值大小與按繞射理論計(jì)算結(jié)果較為接近，波壓力分布形態(tài)與立波理論的計(jì)算結(jié)果較為接近。北側(cè)波壓力試驗(yàn)數(shù)值大小介于繞射理論計(jì)算結(jié)果和立波理論計(jì)算結(jié)果之間，波壓力分布形態(tài)與立波理論的計(jì)算結(jié)果較為接近。前后側(cè)波壓力試驗(yàn)數(shù)值和分布情況均與繞射理論計(jì)算結(jié)果存在較大差別。南側(cè)波吸力試驗(yàn)數(shù)值和分布情況均與立波理論計(jì)算結(jié)果較為接近。北側(cè)波吸力試驗(yàn)數(shù)值和分布情況均與立波理論計(jì)算結(jié)果較為接近，與繞射理論計(jì)算結(jié)果存在一定差別。值得注意的是，無(wú)論采用立波理論還是繞射理論進(jìn)行計(jì)算，前后側(cè)外墻均不存在波吸力情況，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)中后側(cè)均存在較大波吸力，且數(shù)值要大于南北側(cè)波吸力，模型試驗(yàn)結(jié)論與理論分析情況存在較大差別。

表3 極端高水位50 a波浪作用下1#沉箱墩波壓強(qiáng)

表4 波壓強(qiáng)計(jì)算理論和進(jìn)行波波高取值

圖7 1#沉箱墩南側(cè)波壓力分布

圖10 1#沉箱墩后側(cè)波壓力分布

4 結(jié)論與建議

通過(guò)物理模型試驗(yàn)和理論分析對(duì)比研究，揭示了近岸重力墩式碼頭結(jié)構(gòu)與順向波浪的相互作用規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)在順向波浪作用下，近岸重力墩式碼頭結(jié)構(gòu)距離周邊構(gòu)筑物較近，除了墩臺(tái)結(jié)構(gòu)自身遮擋作用以外，沿程地形變化和碼頭周邊已建構(gòu)筑物等均對(duì)碼頭墩臺(tái)周邊波要素和波浪力有一定影響，尤其是碼頭后方相鄰護(hù)岸結(jié)構(gòu)的作用不容忽視。

(2)在順向浪作用下，受地形變化、碼頭結(jié)構(gòu)和碼頭后方斜坡堤及其他周邊構(gòu)筑物等影響，本工程重力式墩臺(tái)周邊波高、沉箱及箱梁所受波浪力等沿波浪傳播方向呈衰減趨勢(shì)，較大波高影響范圍主要集中在南端5個(gè)沉箱范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)中有必要結(jié)合波高沿程變化情況，對(duì)沉箱墩臺(tái)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)分區(qū)，以保證方案的經(jīng)濟(jì)合理性。

(3)以1#沉箱墩為例對(duì)沉箱墩四周波浪力進(jìn)行研究，在順向浪作用下，當(dāng)矩形沉箱墩長(zhǎng)寬比較大時(shí)，迎浪面的波浪受力狀態(tài)介于直墻式結(jié)構(gòu)和墩式結(jié)構(gòu)之間，再加之碼頭后方斜坡式護(hù)岸等臨近構(gòu)筑物的作用，這使得墩臺(tái)四周尤其是墩臺(tái)前后沿的波壓強(qiáng)分布與繞射理論的墩柱波浪力分布截然不同，采用理論計(jì)算方法較難準(zhǔn)確計(jì)算出墩臺(tái)的波浪力。

(4)綜上所述，建議在類似工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)展有針對(duì)性的波浪物理模型試驗(yàn)，以準(zhǔn)確模擬工程周邊環(huán)境及工程本身對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)周邊波浪要素和結(jié)構(gòu)所受波浪力的影響，從而保證工程設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。