防浪樁布放方案對波浪力影響的數值分析

姜壽紅

(1.交通部廣州打撈局,廣州 510290;2.廣東省海洋工程施工與水上應急救援工程技術研究中心,廣州 510290)

某電場冷卻水海域取水管鋪設施工時,先沿取水管線中心線兩側施打支護鋼板樁,然后通過抽沙泵進行抽沙作業(yè)開挖鋪放取水管線的基槽,將取水管安裝進入基槽,安裝后回填保護取水管。在基槽開挖過程中,基槽兩側支護鋼板樁在涌浪波浪力沖擊作用下,發(fā)生向基槽中心嚴重傾斜的現象。這不僅導致支護鋼板樁失穩(wěn),而且因取水管下放安裝路徑狹窄而無法安裝,耽誤工程進度?？紤]在施工現場就地取材,擬采用在支護鋼板樁外圍再連續(xù)布放一層豎直的防浪鋼板樁,起防浪、減小支護鋼板樁所受的波浪力。但是防浪樁的布放長度、形狀,以及離開支護樁的距離對減小支護鋼板樁波浪力的作用需要優(yōu)化確定。

關于水波與結構物相互作用的研究中,解析方法[1-3]?；诰€性波浪理論,對于非線性復雜問題求解困難;試驗研究[ 4-6]仍然是主要的研究手段,但是成本高,周期長;數值計算方法有基于勢流理論和黏性理論革命文物革命文物兩大分支?；陴ば粤鲃拥臄抵的M方法又以有網格和無網格方法的有網格方法目前應用更為廣泛。有網格的數值模擬方法一般基于有限體積方法求解RANS方程,發(fā)展已經相當成熟,近20年來在科學研究和工程實踐上得到了廣泛的應用[7-12]。

針對前述工程問題,考慮應用有網格黏性流動的CFD方法,采用SSTk-ω湍流模型和VOF自由面捕捉方法,數值模擬涌浪與防浪鋼板樁、支護鋼板樁相互作用的波浪反射、繞射等散射流動。在2個浪向角和不同直立防浪鋼板樁布放方案下,計算3個指定支護鋼板樁所受的波浪力;分析不同布放方案中支護鋼板樁所受的波浪力變化,從而優(yōu)化防浪鋼板樁減小波浪力的布放方案,為項目施工作業(yè)提供參考。

1 數值模擬的理論基礎

本文涉及水波與結構物相互作用的波浪傳播問題,流體黏性不可壓縮,考慮自由面的影響,計入重力的作用,流動為非定常流動。

采用有限體積方法求解RANS控制方程組,湍流模型應用SSTk-ω二方程模型,VOF方法捕捉自由面。利用UDF函數進行淺水推板造波,采用PISO算法進行壓強與速度的耦合迭代求解,時間步進采用一階隱式格式,其他均采用二階迎風格式。

首先建立計算模型,確定計算域和初始邊界條件,然后,并將計算域通過劃分網格完成流場空間的離散。最后,將網格模型導入CFD求解器,設置相關參數,運行求解。

水波與結構物相互作用問題是非定常流動,時間步長采用T/1 000 s,T為波浪周期,計算的收斂標準取10-6。

2 建立數值模擬模型

2.1 現場波浪參數

施工現場在沿岸水深較淺,按最大水深取計算水深h=6 m;波浪參數按現場水文資料選擇惡劣環(huán)境,涌浪周期T=18.09 s;波高按照近似達到極限波高計算,取波高H=4 m;涌浪傳播方向根據四季水文資料,考慮施工周期半年以上,取與支護鋼板樁列夾角為0、37.5°這2個惡劣周期涌浪出現的浪向。

2.2 建立鋼板樁模型

取水管鋪設工程施工時,沿取水管線中心線兩側垂直施打支護鋼板樁,兩側支護鋼板樁樁間距3 m,單次施打長度約90 m。管線路由被支護鋼板樁后,通過抽沙泵進行抽沙作業(yè)形成基槽,基槽的寬度和深度均為3 m。將管線等結構物從支護鋼板樁3 m間距中吊放入基槽。

數值模擬時,如果將90 m的支護鋼板樁全部建模,網格數量將巨大,影響計算速度?？紤]到如此長的排列,其中間相當長范圍內的支護鋼板樁的受力特征幾乎是一樣的,為了減小計算量,實際計算模型每側取11根支護鋼板樁,長4.3 m。

支護鋼板樁和防浪鋼板樁均采用拉森SPII A型鋼板樁,長、寬、厚分別為400、100、10.5 mm,外形見圖1a)。計算時,鋼板樁截面簡化為圖1b)所示的形狀和尺寸。

圖1 鋼板樁模型

直立防浪鋼板樁在支護鋼板樁外圍起阻擋涌浪的作用,圖1c)顯示了一字布放的防浪鋼板樁與支護鋼板樁的相對位置,且為露出水底面以上部分。為了監(jiān)測支護鋼板樁的波浪力,將支護鋼板樁編號,圖1c)中給出了第1、6、11根鋼板樁的位置。

鋼板樁模型除了這里的一字布放的防浪樁模型,還包括:2個不同浪向下,無防浪樁模型和其他布放防浪樁方案的模型。

2.3 建立數值計算模型

數值計算域必須足夠大才能保證計算精度。

根據色散關系式ω2=gktanh(kh)。其中:ω=2π/T為波浪圓頻率,k=2π/L波數,計算得到涌浪波長為L=137.1 m。計算域的長、寬尺度根據波長L確定。

建立三維推板造波波浪水槽模型,水槽長1 100 m(約為8倍波長L),寬15 m(為基槽寬度3 m的5倍),水深為hm,空氣域足夠高度,見圖2。涌浪由水槽左端設定推板造波,沿x軸正向傳播;鋼板樁和凹槽模型位于數值波浪水槽的中部。造波推板通過UDF函數控制其往復運動。邊界條件包括壓力出口、壁面、對稱等邊界條件。

水底面簡化為等深、水平的面;基槽深3 m,寬3 m,長度與支護鋼板樁相同,為4.3 m。

網格劃分時,在自由面附近結構網格加密,以捕捉自由面波動,見圖3a)?？紤]波高H=4 m,在自由面上下各H/(2d)的1.5倍范圍內進行網格加密,在自由面附近加密區(qū)域網格尺寸為Δz=H/10;涌浪傳播方向網格尺寸為Δx=L/80。

圖3 網格劃分示意

在鋼板樁附近采用非結構網格加密見圖3,是因為鋼板樁附近流動變化快,并且計算鋼板樁受力需要壁面法向加密的網格。

3 計算結果分析

對所采用的方法進行網格無關性驗證。為了比較防浪鋼板樁的減小波浪力效果,模擬2列支護鋼板樁在無防浪鋼板樁條件下,與2個浪向0°、37.5°傳播的涌浪相互作用,計算指定支護鋼板樁的波浪力。然后,增加防浪鋼板樁,在2個浪向角下、采用不同防浪樁布放方案,模擬涌浪通過防浪鋼板樁和支護鋼板樁的傳播,計算指定支護樁的波浪力,并分析波浪力的改善情況。

另外,支護鋼板樁受波浪力作用的部分,一段在水底面下3 m深的基槽中,一段在水底面以上6 m深的水中。在數值模擬流動的過程中,分別監(jiān)測了這2段的波浪力。主要分析支護鋼板樁水底面以上部分所受的波浪力。

3.1 網格無關性驗證

采取成熟的CFD軟件展開涌浪與鋼板樁相互作用的數值模擬,影響其計算精度的主要因素包括計算域大小、劃分網格尺度和邊界條件。

為了驗證計算精度,以浪向角0°、無防浪樁、挖掘了基槽的2列支護樁工況為例,改變鋼板樁附近網格密度,劃分3種疏密程度不同網格,稀網格數量約270萬,中等網格數量約309萬,密網格數量約367萬。

3種網格數量下,第1根支護鋼板樁在x、y方向波浪力Fx和Fy的時歷曲線見圖4。

圖4 第1根鋼板樁三種網格計算的波浪力比較

從圖4可見,圖中的3條時歷曲線幾乎重合。也就是說,雖然網格數量差別較大,但計算結果已經重合。這表明,3種疏密程度不同的網格劃分均達到計算精度的要求,采用309萬網格劃分方法。

3.2 無防浪鋼板樁計算

在添加防浪鋼板樁之前,先數值模擬2個浪向下,涌浪與2列支護鋼板樁相互作用。

浪向角0°、37.5°的涌浪在兩列支護鋼板樁中傳播的某一瞬時的自由波面數值模擬結果見圖5。由圖5可見,在到達鋼板樁前,涌浪波形已經穩(wěn)定。這也說明,本文數值波浪水池的尺度合適。圖5b)中浪向角37.5°是將支護鋼板樁轉動1個角度實現的。

圖5 涌浪在支護鋼板樁中傳播的數值模擬波面

而支護鋼板樁的波浪力在后續(xù)與有防浪鋼板樁比較的時候給出。波浪力的方向與圖2中坐標系方向一致,以下均相同。

3.3 浪向角0°防浪鋼板樁計算

浪向角0°是指涌浪傳播方向與支護鋼板樁列平行的情況。防浪鋼板樁先從簡單的一字形布放進行流場模擬和波浪力分析,在此基礎上展開2種折角防浪鋼板樁和L形防浪鋼板樁的流動模擬和波浪力計算。

3.3.1 一字形防浪鋼板樁

最簡單的防浪形式就是在上游一字形布放防浪鋼板樁,計算模型見圖6。討論一字形的長度和其與支護鋼板樁間距的影響。間距取1 m和3 m,長度取4 m和8 m,組合出4個模型,編號分別為1-4、3-4、1-8和3-8。

圖6 一字形布放防浪樁的模型示意

浪向角0°時,由于防護鋼板樁和支護鋼板樁幾何對稱,從圖7a)的無防浪樁模型、圖7b)的圖6c)1-8模型展示在t=158 s瞬時(數值模擬計算停止的時間)的自由面速度云圖可見,流動也具有對稱性。因此,僅選擇左側的支護鋼板樁分析波浪力。

圖7 t=158 s時波面速度云圖

選取左側有代表性的第1、6、11支護鋼板樁進行波浪力計算和分析,第1、11根位于樁首尾,反映樁列首尾三維流動效應,第6根居中。

以第1根支護鋼板樁為例,波浪力時歷曲線見圖8。

圖8 第1根支護鋼板樁波浪力Fx和Fy的時歷曲線

從圖8可見,數值造波經過超過50 s之后傳播至鋼板樁,使鋼板樁受波浪作用。鋼板樁波浪力在經過2～3個波形后達到穩(wěn)定。將波浪力波形穩(wěn)定后的波峰、波谷分別平均,得到波浪力的最大值和最小值。

波浪力的方向與圖2中的坐標系方向一致,y軸負方向的波浪力會導致支護鋼板樁向基槽傾斜,嚴重時阻礙取水管線的吊放。重點關注負向Fy的最小值的變化。

第1、6、11支護鋼板樁在無防浪樁模型和4個一字形防浪樁模型下所受到的波浪力Fy和Fx的最大值和最小值見表1,正負號代表力的方向。

表1 一字布放方案下指定鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 kN

由表1可見,在間距相同的情況下,1-8模型的Fy值優(yōu)于1-4,3-8模型Fy值優(yōu)于3-4,這說明防浪樁越長越有利于防浪。后續(xù)改進考慮較長的防浪樁長度。在長度相同的情況下,1-8模型與3-8模型相比,1-8模型的Fy正值優(yōu)于3-8模型;兩者Fy負值比較接近。說明1 m間距有利,但是模型還需要改進。在此基礎上,后續(xù)改進模型間距采用1 m。表2給出的波浪力Fx遠小于Fy,并且支護樁在這個方向連續(xù)排列,難于產生搖晃運動,后續(xù)不再給出此方向的波浪力。

表2 一字布放方案下指定鋼板樁所受波浪力Fx的最大值和最小值 kN

將8 m長模型兩端折彎,構造出首折角和首尾雙折角2種折角防浪鋼板樁模型,但是因為仍然沒有達到滿意的減小波浪力效果;直接將防浪樁加長成L形,才對支護鋼板樁的波浪力減小到顯著的程度。

3.3.2 首折角防浪鋼板樁和L形防浪鋼板樁

①首折角防浪樁模型。將8 m長模型分成3段:5 m長度保持一字形不變,兩端各1.5 m折成30°角,形成折角形狀,布放在支護樁上游,見圖9a)。②L形防浪樁模型。保持首折角模型5 m長度不變,兩端折成90°角,與支護樁平行和相等長度,見圖9b)。圖9中考慮模型和流動的對稱性,以及節(jié)約計算時間,計算模型取一半。

圖9 改進的防浪鋼板樁模型和局部網格加密

表3和表4分別給出了在首折角、雙折角和L形防浪樁下第1、6、11支護鋼板樁所受到的波浪力Fy和Fx的最大值和最小值見表3、4。

表3 改進布放方案下支護鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 單位:kN

表4 左側支護鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 kN

由表3可見,與無防浪模型相比,在改進的防浪樁模型之中,L形模型的Fy最大值均為正值且有所增加,對支護樁穩(wěn)定性有利;Fy最小值的最低值和平均值均獲得明顯改善,最低值改善比率為41.7%,平均值改善比率為60.6%,說明該L形防浪樁布放方案可行。

3.4 浪向角37.5°防浪鋼板樁計算

0°浪向角防浪樁多方案計算結果表明,L形防浪樁模型有效,所以當浪向角為37.5°時,防浪樁直接采用L形。即將浪向角0°的無防浪樁和布放L形防浪樁的模型逆時針旋轉37.5°,見圖10。

圖10 浪向角為37.5°時兩個計算模型局部

左側第1根和右側第1根指定支護鋼板樁在浪向角37.5°時,無防浪樁和布放L形防浪樁下,其波浪力Fy時歷曲線見圖11、12。取穩(wěn)定曲線的峰值、谷值分別平均得最大值、最小值。

圖11 左側第1根支護樁浪向角37.5°無防浪樁、有L形防浪樁下Fy的時歷曲線

圖12 右側第1根支護樁浪向角37.5°無防浪樁、有L形防浪樁下Fy的時歷曲線

浪向角37.5°、無防浪樁和有L形防浪樁下左、右兩側第1、6、11支護鋼板樁所受到的波浪力Fy的最大值和最小值見表4、5。

從表4可見,與無防浪模型相比,L形防浪樁模型的Fy最大值均為正值且有所增加,對支護樁穩(wěn)定性有利;Fy最小值的最低值和平均值均獲得明顯改善。最低值改善比率為79.1%,平均值改善比率為77.5%。這說明該L形防浪樁布放方案有顯著的降低波浪力的作用。

從表5可見,與無防浪模型相比,L形防浪樁模型的Fy最大值有減小但仍然均為正值;Fy最小值的最低值和平均值均獲得明顯改善。最低值改善比率為81.6%,平均值改善比率為78.7%。波浪力平均值的變化同樣說明該L形防浪樁布放方案有顯著的降低波浪力的作用。

表5 右側支護鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 kN

4 結論

浪向角為0°時,布放方案采用一字形、首折角形、雙折角形和L形;浪向角為37.5°時布放方案直接采取L形。支護樁波浪力分析結果表明,在兩個浪向角下,L形布放防浪樁能明顯降低支護鋼板樁向基槽傾斜的波浪力。