不同上部結構開孔沉箱的消浪效果與波浪力研究*

張慈珩，韓麗影，胡 克，耿寶磊

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，港口水工建筑技術國家工程實驗室，工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；3.河海大學 港口海岸及近海工程學院，江蘇 南京 210098)

隨著近些年人類與海洋的關系越來越緊密，各類港口、碼頭結構的建設維護和結構優化成為研究熱點。例如煙臺西港區某碼頭在建設中為減小碼頭前波浪反射，改善泊穩條件，在沉箱外部波浪作用范圍開設一些孔洞，做成開孔沉箱來優化原設計方案。關于波浪與開孔沉箱結構作用問題的相關研究，邢飛等[1]利用三步有限元方法離散Navier-Stokes方程研究了規則波作用下開孔沉箱的波浪總水平力分布；張玉彬等[2]利用物理模型試驗研究了明基床上開孔沉箱在規則波作用下的受力情況；行天強等[3]利用物理模型試驗研究了明基床上開孔沉箱波浪的反射系數；唐蔚等[4]利用二維數值水槽，模擬不規則波與開孔沉箱的相互作用過程，得出開孔沉箱的反射系數及波浪力計算結果；周松澤等[5]通過不規則波物理模型試驗研究了透空式上部結構開孔沉箱前沿的波浪力；孫宏月等[6]進行多組規則波物理模型試驗，研究在不同比尺模型下透空式開孔沉箱內部受力與入射波浪的關系和差異；姜俊杰等[7]針對波浪與開孔式沉箱的相互作用開展研究，提出波浪反射率與消波室相對寬度、開孔率及相對水深等的關系，認為有頂板開孔沉箱構件受力較大，且頂板越低越不利于開孔沉箱的整體穩定。

這些研究多關注波浪與開孔沉箱相互作用的波浪力和反射系數，近些年不同上部結構成為碼頭建筑物的熱點，但是波浪對不同上部結構開孔沉箱的消浪和沖擊效果尚且缺乏研究。本文參考煙臺某港區工程所用開孔沉箱形式，通過物理模型試驗，測定波浪與不同上部結構開孔沉箱作用的上水越浪及結構受力情況，分析波浪對不同上部開孔結構的作用，為擬建工程提供參考。

1 試驗條件

1.1 試驗水位

試驗以煙臺港西港區理論最低潮面為基準面，試驗水位：設計高水位2.46 m，設計低水位0.25 m，極端高水位3.56 m，極端低水位-0.95 m。

1.2 沉箱結構方案

本次模型試驗考慮兩種開孔沉箱，分別借鑒該工程工作平臺和靠船墩的結構形式(分別為A型和B型開孔沉箱)，結構頂高程均為11.0 m，其中：

1)A型開孔沉箱方案1：基礎由2座方沉箱構成，每座沉箱寬為20.35 m(包括單側外趾1.2 m)，長為30.85 m(包括雙側外趾各1.2 m)，高度為29 m，內分為24個隔倉，單座沉箱預制質量約為7 850 t。沉箱頂安放預制蓋板，現澆疊合板至設計高程后，四周分別安放雙柱消浪塊體，其上現澆混凝土頂板至設計高程，結構開孔率為6.3%，方案1斷面見圖1a)。

2)A型開孔沉箱方案2：將A型開孔沉箱方案1中開孔沉箱頂高程加高至7.5 m，同時增加兩行開孔，上部胸墻結構調整為實體鋼筋混凝土胸墻結構，結構開孔率為7.5%，方案2斷面見圖1b)。

圖1 A型開孔沉箱斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

3)B型開孔沉箱方案1：基礎采用平面邊長為21.55 m(包括四側外趾各1.2 m)的方沉箱，高度為29 m，內分為16個隔倉，單座沉箱預制質量約為5 613 t。沉箱頂安放預制蓋板，現澆疊合板至設計高程后，其上現澆胸墻，背側安放雙柱消浪塊體，其上現澆混凝土頂板至設計高程，結構開孔率為4.5%，斷面見圖2a)。

4)B型開孔沉箱方案2：將B型開孔沉箱方案1中上部胸墻改為側開孔結構，下部沉箱結構保持不變，結構開孔率為4.5%，斷面見圖2b)。

圖2 B型開孔沉箱斷面

1.3 波浪條件

本試驗的波浪邊界條件由相關數學模型[8]計算結果得到，試驗中選取工程位置處較強的NE(ENE)向作為本次試驗波浪邊界條件，波要素見表1。

表1 NE(ENE)向試驗波浪條件

2 模型設計與制作

試驗目的是為了比較不同結構的消浪效果差異，在試驗中截取模型水槽寬度1 m作為結構模擬長度，迎浪側開孔按照水槽中線對稱布置，以滿足斷面試驗的假設條件。根據試驗場地、現有塊體質量及試驗要求，模型選用幾何比尺為35，時間比尺為5.91，力比尺為42 875。

依據《波浪模型試驗規程》[9]的要求，斷面中沉箱結構采用塑料板制作，柵欄板原子灰加鐵粉配制，質量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求，斷面模型中各種塊石按重力比尺挑選，質量偏差控制在±5%以內。由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水的密度差影響，模型中考慮ρ海水/ρ淡水=1.025，即塊體制作中考慮了這種影響。以B型開孔沉箱方案1為例，模型制作和擺放見圖3。

圖3 模型制作與擺放

3 試驗設備與方法

3.1 試驗設備

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院波浪試驗大廳水槽中進行，水槽長65 m、寬1 m、高1.3 m。模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，水位通過測針測量，試驗過程中采用攝像機記錄波面過程和上水、越浪等試驗現象。波高采用三維浪高儀，并通過日本三井造船廠開發的多方向波測量系統對波高進行采集，分析模型波浪力采用SG2008型微型點壓力采集系統，該系統可以自動采集波浪壓強并有相關處理功能，對采集到的點壓力進行處理。

3.2 試驗方法

1)波浪模擬。試驗波浪分別采用不規則波和規則波，由于本試驗模擬不規則波頻譜難以適用《海港水文規范》中的波譜，故試驗采用JONSWAP譜(簡稱J譜)模擬。

2)越浪量測量。越浪量統計即在測量點用接水裝置接取越浪水體，通過測量質量或體積得到模型的越浪量。不規則波截取一個完整波列的總越浪水體作為相應歷時的總越浪量，然后計算單寬平均越浪量。按相似準則，將模型越浪量換算成原體越浪量。試驗選取150個波，單寬平均越浪量按下式計算：

(1)

式中：q為單寬平均越浪量[m3/(m·s)]；V為1個波列作用下的總越浪水量(m3)；b為收集越浪量的接水寬度(m)；t為1個波列作用的持續時間(s)。

3)波壓力測量。依據《波浪模型試驗規程》和試驗技術要求，在胸墻迎浪側、底板布置波壓強傳感器[10]。波壓力數據通過SG2008型數據采集系統采集分析，連續采集200個波作用的波壓力過程，模型采樣的時間間隔均為5 ms。在靜水條件下，對所有測點標零，在靜水面以下的測點以此時的靜水壓強作為對應測點的零點，在靜水面以上的測點以此時的大氣壓強作為零點。試驗采集到的壓強值為測點實際壓強與標零時測點對應壓強的差值，即為所受到的波浪動水壓強。針對A型開孔沉箱進行波壓力測量，在胸墻外部布置了13個波壓強傳感器；B型開孔沉箱在沉箱及胸墻外部布置了12個波壓強傳感器用于分析結構所受波浪總力和波壓強，傳感器布置見圖4。

圖4 傳感器布置

4 試驗結果與分析

4.1 消浪效果比較

4.1.1A型開孔沉箱

對A型開孔沉箱方案1和2進行測量，由于設計低水位和極端低水位沒有越浪量，所以只在極端高水位和設計高水位測量上水越浪情況。試驗結果見表2，由此觀察在各水位對應50 a一遇波浪作用下開孔沉箱的穩定性及受力狀況。

由表2可以看出，方案1和2在各水位50 a一遇波浪作用下結構各部分均穩定。但方案1在極端高水位情況下越浪量為21.9 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達碼頭前沿后10.5 m處，最大上水高度在碼頭面以上3.60 m。而方案2，在極端高水位情況下越浪量為9.7 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達碼頭前沿后4.1 m處，最大上水高度在碼頭面以上1.58 m。

表2 A型開孔沉箱方案斷面模型試驗結果

4.1.2B型開孔沉箱

對B型開孔沉箱方案1和2進行測量，由于設計低水位和極端低水位沒有越浪量，所以只在極端高水位和設計高水位測量上水越浪情況。試驗結果見3，由此觀察在各水位對應50 a一遇波浪作用下開孔沉箱的穩定性及受力狀況。

續表3

由表3可看出，方案1和2在各水位50 a一遇波浪作用下結構各部分均穩定。但方案1在極端高水位情況下越浪量為95.8 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達碼頭前沿后12.25m處，最大上水高度在碼頭面以上4.25 m。而方案2，在極端高水位情況下越浪量為36.0 L/(m·s)，最大越浪沖擊范圍可達碼頭前沿后12.3 m處，最大上水高度在碼頭面以上0.9 m。

表3 B型開孔沉箱方案斷面模型試驗結果

A型開孔沉箱方案1的越浪量是方案2的1.3倍，最大越浪沖擊范圍是方案2的1.6倍，最大上水厚度是方案2的1.3倍；B型開孔沉箱方案1的越浪量是方案2的1.7倍，兩個方案的最大越浪沖擊范圍差不多，方案1最大上水厚度是方案2的3.7倍。由A型和B型開孔沉箱的上水越浪情況可以看出，方案1的上水越浪情況是方案2的1.5倍左右，方案2消浪效果好于方案1。所以在相同波浪條件下，開孔沉箱開孔率增加的消浪效果好于雙柱消浪塊。

4.2 波浪力比較

4.2.1A型開孔沉箱

開孔沉箱所受的波浪力是沉箱穩定分析中的關鍵值，針對A型開孔沉箱方案1的雙柱塊體上部結構開孔沉箱，測量不規則波和規則波下的波浪的水平力和浮托力，結果見表4。

表4 A型開孔沉箱不同水位波浪力結果

通過表4可看出，方案1最大水平力和最大浮托力均在極端高水位3.56m處產生。極端高水位時將產生最大水平力為1 849.84 kN/m，最大浮托力為794.88 kN/m。 在波浪力測試中，規則波和不規則波的試驗結果也存在差異，在極端高水位至極端低水位，不規則波的最大水平力比規則波大40%～60%，浮托力大20%～50%。上述差異現象一般隨水位降低而降低。

通過進行點壓強測量確定雙柱塊體上部結構的波壓力沖擊部位及沖擊效果，在不規則波情況下波浪力最大時刻的點壓強分布如圖5所示。

圖5 A型開孔沉箱方案1的不規則波水平力最大時刻的點壓強分布(單位：kPa)

從試驗結果比較可看出，水平力從上到下呈增大再減小的趨勢，在開孔處以下出現波壓強最大區域，并且水位越高，區域越靠上，說明靜水位是影響波浪力作用過程的重要因素。浮托力從左到右呈減小的趨勢，基本呈三角形分布。

4.2.2B型開孔沉箱

開孔沉箱所受的波浪力是沉箱穩定分析中的關鍵值，針對B型開孔沉箱方案2的上部結構為側開孔的開孔沉箱結構，測量不規則波和規則波下的波浪的水平力和浮托力，結果見表5。

表5 B型開孔沉箱方案2不同水位波浪力結果

通過表5可看出，方案2最大水平力和最大浮托力均在極端高水位3.56 m處產生。極端高水位是將產生最大水平力為1 643.44 kN/m，最大浮托力為661.49 kN/m。在波浪力測試中，規則波和不規則波的試驗結果也存在很大差異，在極端高水位至極端低水位，不規則波的最大水平力比規則波大45%～50%，浮托力大60%～70%，在極端低水位處，浮托力不規則波比規則波大136%。

通過進行點壓強測量確定側開孔上部結構的波壓力沖擊部位及沖擊效果，在不規則波情況下波浪力最大時刻的點壓強分布如圖6所示。

圖6 B型開孔沉箱方案2不規則波水平力最大時刻的點壓強分布(單位：kPa)

從試驗結果比較可看出，水平力從上到下呈增大再減小的趨勢，主要集中在4#傳感器位置，即在開孔處出現波壓強最大區域。浮托力從左到右呈減小的趨勢，基本呈三角形分布。并且多個數據顯示極端低水位的最大點壓強比其他水位的點壓強都大，說明與波面對開口的淹沒程度是影響波浪力作用過程的重要因素。

由此可見雙柱塊體上部結構開孔沉箱所受波浪力主要受靜水位影響，最大點壓強區域集中在開孔下方；而側開孔上部結構開孔沉箱所受波浪力主要受波面對開孔的淹沒程度影響，最大點壓強區域集中在開孔處。

5 結論

1)由A和B型兩種開孔沉箱形式的上水越浪情況可以看出，方案1的上水越浪情況是方案2的1.5倍左右，方案2消浪效果好于方案1。所以在相同波浪條件下，開孔沉箱開孔率增加的消浪效果好于雙柱消浪塊。

2)波浪與雙柱塊體上部結構開孔沉箱的波壓強最大處區域在開孔下方，而側開孔上部結構開孔沉箱的波壓強最大區域在開孔處附近。

3)雙柱塊體上部結構開孔沉箱所受波浪力主要受靜水位影響；側開孔上部結構開孔沉箱所受波浪力主要受波面對開孔的淹沒程度影響。