埋深對墩式沉箱底面波浪浮托力影響分析

李江文

(中交水運規劃設計院深圳有限公司，廣東 深圳 518054)

墩式沉箱結構是廣泛應用于海洋工程建筑物的結構形式之一，作用于沉箱底面的波浪浮托力是影響結構抗傾、抗滑穩定的主要外荷載之一。墩柱底面的浮托力是基床內滲流在結構底面上的上揚壓力，其精確解答是一定范圍內的滲流問題[1]。國內外學者針對此問題做過系列的研究：邱大洪等[2-3]給出圓柱墩在波浪作用下底部浮托力的解析解，但由于墩柱底面波浪浮托力的影響因素較多，所以其實際工程應用尚有一定難度。因此，JTS 145—2015《港口與航道水文規范》中墩柱底面上周邊的浮托力強度近似地采用相應點的環向波浪壓力強度[4]，并假定墩柱底周邊壓強在波向上按線性分布，計算最大浮托力和同步浮托力[5]。

規范雖然給出圓柱底面波浪浮托力的計算方法，但其對于有一定埋深情況下的沉箱底面波浪浮托力如何計算未做說明。埋深的存在導致滲流中的水頭損失，進而實際傳遞到墩柱底面的浮托力有所折減。但至于如何折減，因為理論的不成熟以及實際工程經驗較少，有待進一步研究。

本文結合具體工程，通過規范計算與物理模型試驗數據的對比分析，探討埋深對于墩式沉箱底面波浪浮托力的影響。

1 工程概況

1.1 水文波浪條件

設計水位如下(當地理論最低潮面)：

極端高水位：3.12 m；

設計高水位：1.87 m；

設計低水位：0.30 m；

極端低水位：-0.16 m。

本工程水深浪大，波周期較長。極端高水位時，前沿水深為24.12 m，H1%波高為11.38 m，周期為11.1s。設計波要素見表1。

表1 50 a一遇設計波要素

1.2 轉換平臺結構方案

工程預留轉換平臺擬采用墩式方沉箱結構，沉箱尺寸為24.2 m×24.2 m(長×寬)(含趾寬1.7 m)，縱橫向各5個倉隔。沉箱底高程為-24.0 m，為改善沉箱基底應力、保護沉箱基床防止沖刷等，沉箱周邊拋填3 m厚、20 m寬護底塊石，沉箱前沿底高程為-21.0 m，基本與原泥面齊平。沉箱上部蓋板頂高程3.8 m，蓋板通過立柱與上部墩臺連接(圖1)。

圖1 預留轉換平臺結構斷面(單位：m)

2 波浪整體物理模型試驗結果

針對預留轉換平臺，波浪作用主要有直接作用在結構上的水平波浪力和沉箱底面的波浪浮托力。對于水平波浪力，規范中有較為可靠實用的計算方法；但對于一定埋深情況下沉箱底面波浪浮托力如何計算，尚缺乏依據。

為保障結構安全可靠，對預留轉換平臺進行了波浪整體物理模型試驗研究。試驗采用1:52正態物理模型，觀測沉箱水平波壓力和底面浮托力的大小及分布情況。沉箱水平波壓力觀測結果與規范計算結果基本相當。本文主要介紹沉箱底面浮托力觀測結果。

為測量沉箱底面浮托力，在沉箱底板上布置6個傳感器(圖2)。

圖2 沉箱底板浮托力測點布置

2.1 沉箱底部不同位置最大浮托力分布

圖3a)、b)分別為極端高水位時E向和SSE向50 a一遇波浪作用下(2個方向波浪大小相同，均為設計波要素，見表1)、沉箱底板不同位置最大波浪浮托力分布情況。從圖3可知，平行于波浪前進方向的沉箱底面最大波浪浮托力從迎浪面到背浪面遞減。

圖3 沉箱底最大波浪浮托力分布(單位：kPa)

另外，如果將矩形沉箱等效為圓沉箱，以沉箱中心為圓心，E向波浪作用時，沉箱底部不同位置的浮托力中的最大值出現的位置，即圖3a)中27#點與波浪前進方向存在一定的夾角，這一結果與文獻[6]中圓沉箱底部波浪浮托力分布有類似之處。

2.2 沉箱底面同步浮托力總力

以上給出最大波浪浮托力分布，但結構穩定核算更關注水平波浪力最大時的墩柱底面浮托力，即同步浮托力。表2為典型波浪作用下，水平波浪力最大時的沉箱底板同步浮托力總力測量統計結果。

表2 50 a一遇波浪作用，水平波浪力最大時的沉箱底板同步浮托力

由于試驗未給出沉箱底板同步浮托力的具體分布情況，筆者假設波浪正向作用時，浮托力沿沉箱長度方向均勻分布，且沉箱底部波浪浮托力在波浪前進方向上線性分布。對E向波浪作用時的試驗結果進行分析，極端高水位時，沉箱底部同步浮托力為8 077 kN，即333.76 kN/m，此時的沉箱迎浪面底部3個測點的最大浮托力平均值為32.7 kPa。可以反求出沉箱底部浮托力分布寬度約為20.41 m，小于沉箱寬度24.2 m，即沉箱底部浮托力近似三角形分布，且浮托力為0處在沉箱底板中后部(圖4)。

圖4 基于線性分布假設的沉箱底板浮托力分布

沉箱底部浮托力分布范圍與沉箱尺度、波浪參數均有直接關系，波浪浮托力0點不一定出現在沉箱后趾，可能出現在沉箱中部，也可能后趾處浮托力> 0。

3 埋深對墩式沉箱底面波浪浮托力的影響分析

3.1 迎浪面位置最大浮托力強度對比

墩柱底面上的浮托力強度近似采用z=0時的的環向波壓力強度。根據JTS 145—2015《港口與航道水文規范》10.3.6條，在不考慮沉箱埋深情況下，任何相位時的圓柱體表面上環向波壓力強度p按下式計算：

f2sinωt-f0cosωt)

(1)

式中：H、L分別為建筑物所在處的行進波波高(m)和波長(m)；z為計算點距水底的高度(m)；ω為圓頻率(s-1)；t為時間(s)；θ為計算點同柱體圓心的連線與波向線間的夾角(°)；f0、f1、f2、f3為與柱體直徑D與波長比值D/L相關的系數。

迎浪面位置的最大浮托力強度p計算值與物模試驗結果對比見表3。

表3 迎浪面位置最大浮托力強度與物理模型試驗結果對比

注：1.規范計算結果未考慮埋深對浮托力影響；2.物模試驗結果為E向浪時，迎浪面27#、30#、33#3個測點的平均值(圖3)。

3.2 沉箱底部同步浮托力總力對比

按照《港口與航道水文規范》附錄Q計算了沉箱底部同步浮托力總力，并與物模試驗結果進行對比(表4)。

表4 沉箱底面同步浮托力規范計算結果與物理模型試驗結果對比

注：規范計算結果未考慮埋深對浮托力影響；物模試驗結果，選取浮托力實測最大時的SSE向浪。

4 結語

1)規范計算與模型試驗的波浪浮托力與水位變化趨勢一致：對于本工程而言，沉箱底面波浪浮托力在極端低水位時最大、極端高水位時最小。

2)沉箱底面不同位置的最大波浪浮托力強度總體上從迎浪面到背浪面遞減；極端高水位時，迎浪面位置最大浮托力強度物模試驗實測值/規范計算值=0.58。

3)對于本工程而言，不同水位時，沉箱底面同步浮托力總力的物模試驗實測值與規范計算值的比值在0.55～0.61之間，且水位越低時，此比值越大。

4)埋深對沉箱底面波浪浮托力有一定的折減作用，具體折減程度須結合埋深、土質、沉箱尺寸、波浪參數等綜合確定。沉箱尺度較大時，波浪在墩柱底面傳播過程中的能量耗散相對較大；波高、波長及周期較大時，非線性影響較強，也導致規范計算的浮托力偏大。

5)本文結果僅為本工程個例，類似情況建議通過模型試驗確定沉箱底部波浪浮托力。