樁基雙擋板透空式碼頭水平波浪力試驗(yàn)研究

尹亞軍，鄭 城，許忠厚，黃 璐，高晨晨

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.浙江水資源管理中心，杭州310012；3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007；4.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200032；5.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院，南京210098）

樁基雙擋板透空式碼頭水平波浪力試驗(yàn)研究

尹亞軍1，鄭 城2，許忠厚3，黃 璐4，高晨晨5

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.浙江水資源管理中心，杭州310012；3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007；4.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200032；5.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院，南京210098）

以沈家灣客運(yùn)碼頭擬建二期工程為依托，通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了樁基雙擋板透空式碼頭的擋板所受水平波浪力的分布規(guī)律，并將試驗(yàn)值與公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，相對(duì)波高H/d、相對(duì)波長(zhǎng)L/d、后擋板結(jié)構(gòu)形式、后擋板相對(duì)入水深度s2/d對(duì)前后擋板所受水平波浪力均有顯著影響。此外，孫龍、盛祖蔭基于樁基碼頭物模試驗(yàn)擬合的水平波浪力公式比海港水文規(guī)范推薦的公式及合田良實(shí)公式更適用于前擋板的水平波浪力計(jì)算。

樁基雙擋板透空式碼頭；水平波浪力；物理模型試驗(yàn)

樁基擋板透空式碼頭是一種新型碼頭結(jié)構(gòu)形式，兼有碼頭與防波堤的雙重功能，具有防止泥沙淤積，改善港內(nèi)水質(zhì)條件，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。目前樁基擋板透空式碼頭在國(guó)內(nèi)成功運(yùn)用的案例有東營(yíng)港一期擴(kuò)建工程、沈家灣客運(yùn)站碼頭工程等。其中，東營(yíng)港為單擋板結(jié)構(gòu)，沈家灣為雙擋板。當(dāng)前針對(duì)樁基擋板透空式結(jié)構(gòu)的波浪作用力的研究成果較多，但主要集中于單擋板結(jié)構(gòu)［1-4］，針對(duì)雙擋板的研究成果相對(duì)較少［5］。因而，本文依托沈家灣客運(yùn)碼頭擬建二期工程，通過(guò)物理模型試驗(yàn)，針對(duì)樁基雙擋板碼頭的擋板所受水平波浪力進(jìn)行研究。

1物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

物理模型試驗(yàn)在河海大學(xué)風(fēng)浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)80 m，高1.5 m，寬1 m，水槽一端安裝有液壓式推板造波機(jī)，另一端鋪設(shè)消能緩坡，以減小波浪反射。同時(shí)在水槽的中后部用隔板將水槽分隔成等間距的兩部分，物理模型試驗(yàn)在外側(cè)的50 cm寬水槽內(nèi)進(jìn)行，從而減少波浪的二次反射。波高和波浪力的測(cè)量和采集均采用北京水科院研制的DJ800多功能檢測(cè)系統(tǒng)及配套傳感器。

1.2試驗(yàn)參數(shù)

此次物理模型試驗(yàn)是嚴(yán)格按照實(shí)際工程設(shè)計(jì)的，試驗(yàn)過(guò)程中高水位越浪是允許的，在此前提下研究前后擋板所受水平波浪力，模型比尺為1：25。采用不規(guī)則波作為入射波，不規(guī)則波的譜型選用改進(jìn)的JON?SWAP譜，試驗(yàn)波要素如表1所示（已轉(zhuǎn)化為模型值）。模型試驗(yàn)中，前擋板開(kāi)孔（開(kāi)孔率0.407），擋板底部與泥面距離記為s1，s1取18 cm，水深d減去s1即為t1；后擋板分為開(kāi)孔和不開(kāi)孔兩種形式，后擋板底部與泥面的距離記為s2，水深d減去s2即為t2。后擋板開(kāi)孔時(shí)（開(kāi)孔率0.407），s2取18 cm；后擋板不開(kāi)孔時(shí)，s2取0、6、14、18 cm這四種情況，前后擋板的結(jié)構(gòu)如圖1-a、圖1-b所示。當(dāng)后擋板底部距離泥面0 cm時(shí)，前后擋板的壓力探頭分布情況如圖1-c所示。

圖1 擋板結(jié)構(gòu)與壓力測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Baffle structure and distribution of wave pressure measuring points

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Table of wave parameters

2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)分析中所用的P為壓強(qiáng)峰值1/3大值的平均值，H為波高1/3大值的平均值，縱坐標(biāo)的刻度為擋板上壓力測(cè)點(diǎn)與碼頭面的距離，橫軸對(duì)應(yīng)于縱軸上的刻度為靜水位至碼頭面的距離。

2.1相對(duì)波高對(duì)水平波浪力分布影響

圖2～圖4為不同水深下，前后擋板相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波高變化的分布圖，相對(duì)波高的定義為波高與水深的比值。

圖2表明，d=41 cm時(shí)，相對(duì)波高越大，前后擋板的相對(duì)波壓強(qiáng)越小。這是由于靜水位與碼頭面的距離太小，導(dǎo)致大部分波浪均能越過(guò)擋板，而相對(duì)波高越大，越浪越嚴(yán)重，能量損失越多，相對(duì)波壓強(qiáng)就越小。此外，前后擋板在靜水位下約半倍波高處的波壓強(qiáng)最大，前擋板上波壓強(qiáng)分布較為均衡，后擋板的上部及底部所受波壓強(qiáng)明顯小于中部。

圖3表明，d=36 cm時(shí)，相對(duì)波高越大，前后擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)越大。這是由于靜水位與碼頭面的距離大于半倍波高，只有波峰尖部少部分浪能越過(guò)擋板，波浪的大部分能量均直接作用在前擋板上，因而相對(duì)波高越大，擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)越大。同時(shí)，前擋板的中下部所受波壓強(qiáng)受相對(duì)波高影響較小，擋板上部受相對(duì)波高的影響較大，這是因?yàn)椴ǜ咴酱螅瑔挝幻娣e的水面上的總波能就越大，擋板所受的水平波浪力就越大，同時(shí)擋板靜水位以上受波峰直接作用區(qū)域的水平波浪力比靜水位下間接受波峰作用區(qū)域的水平波浪力增加得更大。在周期相同的情況下，波浪透過(guò)前擋板的能力接近，因而相對(duì)波高越大，透過(guò)前擋板作用在后擋板的波高越大。同理，后擋板的靜水位以下幾乎不受相對(duì)波高的影響，靜水位以上受相對(duì)波高影響明顯。

圖4表明，d=20 cm時(shí)，相對(duì)波高越大，前后擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)越大，且靜水位以上波峰直接作用區(qū)域所受波壓強(qiáng)受相對(duì)波高的影響明顯，靜水位以下波壓強(qiáng)受相對(duì)波高的影響較小。

可見(jiàn)，在無(wú)越浪或越浪較小時(shí)，相對(duì)波高越大，前后擋板所受水平波浪力越大，且擋板靜水位以上部位受相對(duì)波高影響更為顯著；而在越浪很大時(shí)，相對(duì)波高越大，擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)反而減小。

2.2相對(duì)波長(zhǎng)對(duì)水平波浪力分布影響

圖5為相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波長(zhǎng)變化分布圖，相對(duì)波長(zhǎng)定義為波長(zhǎng)與水深的比值。圖5表明前擋板的中上部及后擋板的上部的相對(duì)波壓強(qiáng)受相對(duì)波長(zhǎng)的影響較小，擋板的下部受相對(duì)波長(zhǎng)的影響顯著。相對(duì)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，在波高相同的情況下，單寬波峰線長(zhǎng)度的波能流就越大，作用在前擋板上的水平波浪力就越大，因而前擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)就越大。同時(shí)，相對(duì)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波浪透過(guò)前擋板的能力越強(qiáng)，反射波就越小，導(dǎo)致入反射波疊加后的波高就小于相對(duì)波長(zhǎng)較小的波浪，擋板靜水位以上直接受波峰作用的水平波浪力就會(huì)小于相對(duì)波長(zhǎng)小的波浪，就會(huì)形成圖5-a所示的相對(duì)波壓強(qiáng)分布特征。由于相對(duì)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，透過(guò)前擋板的波能越多，后擋板所受的水平波浪力就越大，如圖5-b所示。

圖2 相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波高變化分布圖（d=41 cm）Fig.2 Distribution of relative wave pressure caused by relative wave height（d=41 cm）

圖3 相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波高變化分布圖（d=36 cm）Fig.3 Distribution of relative wave pressure caused by relative wave height（d=36 cm）

圖4 相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波高變化分布圖（d=20 cm）Fig.4 Distribution of relative wave pressure caused by relative wave height（d=20 cm）

圖5 相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波長(zhǎng)變化分布圖（d=36 cm）Fig.5 Distribution of relative wave pressure caused by relative wave length（d=36 cm）

2.3后擋板結(jié)構(gòu)形式對(duì)水平波浪力分布影響

圖6為相對(duì)波壓強(qiáng)隨后擋板結(jié)構(gòu)形式分布圖。圖6表明后擋板開(kāi)孔后，前后擋板所受的相對(duì)波壓強(qiáng)均減小。其中，前擋板靜水位以下，相對(duì)波壓強(qiáng)減小不明顯，而靜水位以上，相對(duì)波壓強(qiáng)減小較為顯著。同樣，后擋板靜水位附近的相對(duì)波壓強(qiáng)減小較為顯著，靜水位以下較深處減小不明顯。后擋板在開(kāi)孔情況下，就會(huì)有部分波浪穿過(guò)開(kāi)孔，因而作用在后擋板上形成的反射波就會(huì)較不開(kāi)孔的情況下有所減小，入反射波疊加后的波高就會(huì)有所減小，因而擋板所受波壓強(qiáng)就會(huì)減小。

2.4后擋板入水深度對(duì)水平波浪力分布影響

圖7～圖8為相對(duì)波壓強(qiáng)隨后擋板入水深度變化分布圖。圖7表明，d=41 cm時(shí)，前擋板相對(duì)波壓強(qiáng)在后擋板相對(duì)入水深度從0.55增加到0.85間變化不明顯，而當(dāng)后擋板相對(duì)入水深度增加到1時(shí)，前擋板相對(duì)波壓強(qiáng)顯著減小，擋板上相對(duì)波壓強(qiáng)分布明顯不均衡。擋板相對(duì)入水深度從0.55增加到0.65時(shí)，后擋板上相對(duì)波壓強(qiáng)明顯增加，但分布規(guī)律仍相同，最大相對(duì)波壓強(qiáng)出現(xiàn)在靜水面下約半倍波高處。擋板相對(duì)入水深度增加到0.85時(shí)，后擋板上部的相對(duì)波壓強(qiáng)顯著增大，最大波壓強(qiáng)出現(xiàn)在擋板上部。隨著擋板相對(duì)入水深度增加到1時(shí)，后擋板上部的波壓強(qiáng)迅速增大。可見(jiàn)，碼頭后擋板相對(duì)入水深度太大易導(dǎo)致后擋板頂部受到過(guò)大的波壓強(qiáng)作用，這是由于波峰作用過(guò)來(lái)時(shí)，碼頭下透空室里的水體迅速增加，而靜水位與碼頭面板距離很小，容納迅速增加水體的空間有限，同時(shí)后擋板又非開(kāi)孔，這就導(dǎo)致突然涌來(lái)的水體無(wú)法迅速排走，因而在后擋板上部形成巨大的沖擊壓強(qiáng)，整個(gè)擋板所受波壓強(qiáng)顯著增大，此種情況容易導(dǎo)致后擋板與縱梁連接處受損，實(shí)際工程中應(yīng)避免此類(lèi)擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖8表明，d=36 cm時(shí)，前后擋板相對(duì)波壓強(qiáng)隨后擋板入水深度的變化規(guī)律與圖7相同。在后擋板相對(duì)入水深度增加大到1時(shí)，后擋板頂部所受的相對(duì)壓強(qiáng)明顯小于圖7，沒(méi)有形成過(guò)大的沖擊壓強(qiáng)。這是由于水深變小，靜水面與碼頭面板的距離變大，使得波峰作用過(guò)來(lái)時(shí)，碼頭面下容納迅速增加水體的空間變大，減小了水體對(duì)后擋板上部的沖擊壓強(qiáng)。

圖6 相對(duì)波壓強(qiáng)隨后擋板結(jié)構(gòu)形式變化分布圖（d=36 cm）Fig.6 Distribution of relative wave pressure caused by the back baffle structure（d=36 cm）

圖7 相對(duì)波壓強(qiáng)隨后擋板入水深度變化分布圖（d=41 cm，H=13.6 cm，t=2.0 s）Fig.7 Distribution of relative wave pressure caused by underwater penetration of the back baffle（d= 41 cm，H=13.6 cm，t=2.0 s）

圖8 相對(duì)波壓強(qiáng)隨后擋板入水深度變化分布圖（d=36 cm，H=12.6 cm，t=2.4 s）Fig.8 Distribution of relative wave pressure caused by underwater penetration of the back baffle（d= 36 cm，H=12.6 cm，t=2.4 s）

3水平波浪力計(jì)算方法討論

當(dāng)前針對(duì)樁基擋板透空式結(jié)構(gòu)的擋板所受水平波浪力的計(jì)算方法還較少，主要是借鑒直墻式建筑物的水平波浪力的計(jì)算方法，如我國(guó)《海港水文規(guī)范》［6］8.1.3.1節(jié)推薦的直墻式建筑物所受波浪水平力計(jì)算公式（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范公式）、日本合田良實(shí)［7-8］計(jì)算公式等。同時(shí)，也有學(xué)者通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究樁基結(jié)構(gòu)所受水平波浪力，如孫龍、盛祖蔭通過(guò)研究雙層梁板樁基碼頭的波浪力，提出了樁基結(jié)構(gòu)水平波浪力的計(jì)算公式（以下簡(jiǎn)稱孫龍公式）。通過(guò)將這3種公式的計(jì)算值與本文的試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，分析這3種公式的計(jì)算效果。由于后擋板的波浪作用特性較前擋板更加復(fù)雜，研究成果很少，故主要討論前擋板水平波浪力的計(jì)算方法。

圖9 水平波浪力公式計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比圖Fig.9 Comparison of the horizontal wave force measured in the experiment and calculated by different formulas

孫龍公式［1］主要運(yùn)用于碼頭前沿為不完全立波狀況，公式主要內(nèi)容如下：（1）波峰點(diǎn)處（η=Hr/2+ξ0）的波壓強(qiáng)：p0=0；（2）碼頭前沿反射波高：Hr=KrH，Kr為反射系數(shù)，碼頭前沿為部分反射波況取Kr=1.3～1.7；（3）水面超高；（4）水底（Z=d）處波壓強(qiáng)；（5）靜水面（Z=0）處波壓強(qiáng)：；（6）靜水位下某一深度（Z=Z0）處波壓強(qiáng)式中H為入射波高，d為碼頭前沿水深，L為波長(zhǎng)，γ為水重度。

規(guī)范公式［6］適用于H/L≥1/30且d/L=0.139～0.2的直墻式建筑物上的立波作用力計(jì)算，公式主要內(nèi)容為：（1）靜水位以上H+hs的波壓強(qiáng)為0，其中；（2）水底波壓強(qiáng)為；（3）靜水位處波壓強(qiáng)為；（3）直立墻墻底處的波壓強(qiáng)為；（4）靜水位以上及以下的波壓強(qiáng)均按直線分布，式中H為入射波高，d為靜水位至泥面水深，d1為建筑物直墻式結(jié)構(gòu)底部至靜水位水深，L為波長(zhǎng)，γ為水重度。

合田良實(shí)公式［7-8］適用于直墻式建筑物的波壓強(qiáng)的計(jì)算，公式主要內(nèi)容為：（1）靜水位以上波壓力為0的高度：η=1.5H；（2）靜水位處波峰的波壓強(qiáng)為：p1=α1γH，其中；（3）墻底處的波壓強(qiáng)為：p3=α3p1，其中；（4）靜水位以上及以下的波壓強(qiáng)均按直線分布，式中H為入射波高，d為靜水位至泥面水深，d1為建筑物直墻式結(jié)構(gòu)底部至靜水位水深，L為波長(zhǎng)，γ為水重度。

圖9為3種公式的水平波浪力計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比圖。其中，孫龍公式計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，但計(jì)算值較實(shí)測(cè)值整體偏大，規(guī)范公式及合田良實(shí)公式計(jì)算值較試驗(yàn)值顯著偏大。規(guī)范公式及合田良實(shí)公式是針對(duì)直墻式建筑物，應(yīng)用于樁基擋板透空結(jié)構(gòu)時(shí)，由于部分波能從擋板底部及擋板開(kāi)孔處透過(guò)，因而作用于擋板上的水平波浪力小于直墻式建筑物所受水平波浪力。此外，經(jīng)過(guò)擋板作用形成的反射波高也小于直墻式建筑物作用形成的反射波高，因而作用在擋板上的入反射疊加的波高小于直墻式建筑物。故試驗(yàn)值小于規(guī)范公式及合田良實(shí)公式是可以理解的。相比之下，基于樁基碼頭物模試驗(yàn)擬合的孫龍公式更具有參考價(jià)值。

4結(jié)論

本文依托沈家灣客運(yùn)碼頭擬建二期工程斷面物理模型試驗(yàn)，研究了樁基雙擋板透空式碼頭水平波浪力的分布規(guī)律，并且討論了前擋板水平波浪力的計(jì)算方法，主要結(jié)論如下：

（1）越浪明顯時(shí)，前后擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波高H/d增大而減小；無(wú)越浪或越浪較小時(shí)，前后擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)隨H/d增大而增大，且擋板靜水位以上受H/d影響比靜水位以下更為明顯。

（2）前擋板中下部所受相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)波長(zhǎng)L/d的增大而增大，受L/d影響明顯，前擋板中上部隨L/d的增大而減小，受L/d影響較小；后擋板所受相對(duì)波壓強(qiáng)隨L/d增大而增大，擋板中下部受L/d影響大。

（3）后擋板開(kāi)孔能夠減小前后擋板所受的相對(duì)波壓強(qiáng)。

（4）碼頭后擋板的相對(duì)入水深度t2/d不宜超過(guò)0.85，否則在高水位時(shí)，后擋板上部形成過(guò)大的沖擊壓強(qiáng)，影響擋板的安全穩(wěn)定。

（5）基于直墻式建筑的水平波浪力計(jì)算公式計(jì)算得到的前擋板的水平波浪力顯著偏大，而基于樁基碼頭物模試驗(yàn)擬合的孫龍公式與試驗(yàn)值更為接近，對(duì)擋板水平波浪力的計(jì)算更具有參考價(jià)值。

［1］孫龍，盛祖蔭.雙層梁板樁基碼頭的波浪力計(jì)算［J］.水運(yùn)工程，2000（7）：24-28. SUN L，SHENG Z Y.Wave force calculation for double?layered slab&girder wharf on piled foundation［J］.Port&Waterway Engi?neering，2000（7）：24-28.

［2］董霞.樁基擋板透空式防波堤結(jié)構(gòu)波壓力特性研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［3］邵杰.不規(guī)則波作用下?lián)醢迨酵缚盏趟畡?dòng)力特性研究［D］.南京：河海大學(xué)，2010.

［4］王偉.單擋板透空式防波堤透浪系數(shù)和波浪力研究［D］.南京：河海大學(xué)，2011.

［5］虞丹君，馮衛(wèi)兵，李艷波，等.樁基雙擋板透空式防波堤水平波壓力試驗(yàn)與計(jì)算［J］.水運(yùn)工程，2015（1）：19-24. YU D J，F(xiàn)ENG W B，LI Y B，et al.Experiment study and calculation of horizontal wave pressure of piled baffle penetrated breakwa?ter［J］.Port&Waterway Engineering，2015（1）：19-24.

［6］JTS 145-2-2013，海港水文規(guī)范［S］.

［7］Goda Y.Random seas and design of maritime structures［M］.Singapore：World Scientific Publishing Co.Pte Ltd.，2000.

［8］李玉成.直墻式建筑物的波浪力──對(duì)合田波壓力新計(jì)算方法的評(píng)述［J］.大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1980（1）：91-99. LI Y C.Wave pressure on vertical walls?review of Goda′s new method for calculation of wave pressures［J］.Journal of Dalian Univer?sity of Technology，1980（1）：91-99.

Experiment study of horizontal wave force of piled double baffles permeable wharf

YIN Ya?jun1,ZHENG Cheng2,XU Zhong?hou3,HUANG Lu4,GAO Chen?chen5
(1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.Zhejiang Water Resource Management Institute,Hangzhou 310012,China;3.CCCC Water Transportation Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100007,China;4. CCCC Shanghai Harbor Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;5.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on the second?stage engineering of Shenjiawan passenger terminal,physical model experi?ment was carried out to study the horizontal wave force distribution of the piled double baffles permeable wharf. And the comparison of the horizontal wave force measured in the experiment and calculated by different formulas was done.The results show that relative wave height(H/d),relative wave length(L/d),back baffle structure and under?water penetration of the back baffle have the obvious effects on the horizontal wave force.Furthermore,the formula derived by Sun Long and Sheng Zuyin based on the piled wharf experiment is more suitable for the horizontal wave force calculation of the piled double baffles permeable wharf than the formula suggested by Code of hydrology for sea harbor and derived by Goda.

piled double baffles permeable wharf;horizontal wave pressure;physical model experiment

TV 139.16;U 656.1

A

1005-8443（2016）04-0336-06

2015-07-13；

2016-04-13

尹亞軍（1990-），男，江蘇省南通人，助理工程師，主要從事港口水運(yùn)及近海工程的研究與設(shè)計(jì)工作。

Biography：YIN Ya?jun(1990-),male,assistant engineer.