任效忠，于博，馬玉祥，郭為軍，孟宇凡，吳迪

(1.連九成市政設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連 116000;2.大連中交理工交通技術(shù)研究院有限公司，遼寧 大連 116000; 3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024; 4.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

規(guī)則波作用下準(zhǔn)橢圓沉箱群墩波浪力試驗(yàn)分析

任效忠1，于博2，馬玉祥3，郭為軍4，孟宇凡1，吳迪1

(1.連九成市政設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連 116000;2.大連中交理工交通技術(shù)研究院有限公司，遼寧 大連 116000; 3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024; 4.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

為了更好地推廣準(zhǔn)橢圓箱結(jié)構(gòu)形式，了解該結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性，采用物理模型試驗(yàn)研究規(guī)則波對(duì)準(zhǔn)橢圓沉箱群墩結(jié)構(gòu)的波浪力，結(jié)果表明，與正向波浪力相比，群墩效應(yīng)對(duì)橫向波浪力的影響更大，結(jié)構(gòu)側(cè)壁開孔對(duì)消減沉箱橫向力效果明顯，但對(duì)消減沉箱正向力作用有限，對(duì)大型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)橢圓沉箱，波浪非線性的影響不容忽視，群墩代替單墩進(jìn)行準(zhǔn)橢圓沉箱的水動(dòng)力研究與設(shè)計(jì)是必要的。

準(zhǔn)橢圓沉箱;波浪力;群墩效應(yīng)系數(shù)

大宗商品的遠(yuǎn)距離交易以及我國(guó)海洋發(fā)展戰(zhàn)略推動(dòng)了航運(yùn)業(yè)船舶向大型化發(fā)展，專業(yè)的開敞式深水碼頭需求穩(wěn)步增加［1］。樁基梁板式、墩式引橋結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管框架結(jié)構(gòu)、重力墩式碼頭等結(jié)構(gòu)型式是開敞式深水碼頭的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式［2］，而重力墩式碼頭始終是開敞式深水碼頭優(yōu)先使用的結(jié)構(gòu)形式，尤其是軟基處理技術(shù)快速發(fā)展的特點(diǎn)，重力墩式碼頭的應(yīng)用空間更為廣闊。

開敞式深水碼頭結(jié)構(gòu)形式具備結(jié)構(gòu)整體性好、堅(jiān)固耐久、抗冰凍性能和抗震性能好的特點(diǎn)，這正是重力墩式碼頭的突出優(yōu)勢(shì)。此外，重力墩式碼頭能承受較大荷載，施工周期短，采用陸上預(yù)制、下水拖運(yùn)、現(xiàn)場(chǎng)安放，水下施工量及后期維護(hù)工程量都較少，且施工質(zhì)量有保證。

準(zhǔn)橢圓沉箱［3-4］作為新型深水開敞式碼頭結(jié)構(gòu)形式，其水平斷面由前后兩個(gè)半圓和中間矩形構(gòu)成，突破了以往多為圓沉箱的結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)的圓沉箱結(jié)構(gòu)相比較，它在使用性能、安全性能以及經(jīng)濟(jì)性方面都有優(yōu)勢(shì)。采用準(zhǔn)橢圓沉箱較采用一個(gè)大型圓沉箱對(duì)應(yīng)的強(qiáng)浪方向上的斷面小，沉箱周圍波浪壅高明顯減小，降低碼頭高程，具有良好的使用性能和突出的經(jīng)濟(jì)效益，有良好的推廣應(yīng)用前景［5］。

圓沉箱從解析解、數(shù)值解到試驗(yàn)研究，學(xué)者做了相關(guān)的研究工作［6-11］，不開孔與開孔結(jié)構(gòu)都取得了可以推廣應(yīng)用的研究成果。針對(duì)準(zhǔn)橢圓沉箱的水動(dòng)力特性研究還處于起步階段，相關(guān)的研究有基于二維源分布法建立數(shù)值計(jì)算方法用于計(jì)算準(zhǔn)橢圓沉箱單墩波浪力［12-13］，同時(shí)成功發(fā)展了準(zhǔn)橢圓沉箱單墩波浪力的三維數(shù)值模型［14-15］。目前，這些計(jì)算還局限于單個(gè)準(zhǔn)橢圓沉箱，而工程實(shí)際應(yīng)用準(zhǔn)橢圓沉箱以群墩形式排列。為此，在已有的研究基礎(chǔ)上，對(duì)準(zhǔn)橢圓沉箱群墩進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，研究規(guī)則波作用下的水平波浪力，通過(guò)對(duì)單墩與群墩波浪力時(shí)間過(guò)程的頻譜分析揭示產(chǎn)生群墩效應(yīng)的機(jī)理，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析不同試驗(yàn)條件下群墩效應(yīng)的影響及規(guī)律，供設(shè)計(jì)與工程推廣應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的海洋環(huán)境水槽為模型試驗(yàn)提供造波條件。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)50 m，寬3 m，深1 m，水槽前端配有液壓伺服推板式造波機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制造波與數(shù)據(jù)采集，水槽的末端設(shè)有消能裝置，消除波浪反射，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶卜旁谒圯S線上的后半部，避免模型受到造波機(jī)和消能設(shè)施的影響，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意

依據(jù)實(shí)際工程以1∶50縮微作為試驗(yàn)的模型尺度。模型采用尺寸:半圓直徑d取28.2 cm，矩形長(zhǎng)d取28.2 cm，寬B取17.8 cm，沉箱高度為47.2 cm。沉箱相對(duì)長(zhǎng)寬比B/d采用0.63?？紤]到沉箱迎浪面的強(qiáng)度要求與減小沉箱間波浪壅高的需要，沉箱側(cè)壁開上下兩排正方形孔，孔的邊長(zhǎng)為5 cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖2。

圖2 模型示意

相對(duì)間距通過(guò)調(diào)整側(cè)面沉箱與中間測(cè)力沉箱之間的間距，入射波向通過(guò)調(diào)整群墩軸向的迎浪角度。雙向測(cè)力天平(中國(guó)船舶集團(tuán)無(wú)錫702所生產(chǎn))測(cè)定居中準(zhǔn)橢圓沉箱長(zhǎng)短軸方向的波浪力，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中雙向測(cè)力天平下端固定在測(cè)力模型上，上端固定在足夠剛度的鋼架上。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 規(guī)則波波浪力時(shí)間過(guò)程線分析

圖3 準(zhǔn)橢圓沉箱群墩和波浪力示意

圖4、5為單墩試驗(yàn)結(jié)果。圖4顯示波面和波浪力的歷時(shí)曲線，圖5是波面和波浪力對(duì)應(yīng)的振幅譜分析結(jié)果。試驗(yàn)組次采樣時(shí)長(zhǎng)為20.46 s，圖中為20 s采樣時(shí)間的歷時(shí)曲線。

圖4 開孔準(zhǔn)橢圓沉箱單墩規(guī)則波作用下波面和波浪力歷時(shí)曲線

由圖4、5可見(jiàn):正向波浪力歷時(shí)曲線與波面歷時(shí)曲線形狀相似，譜分析中正向波浪力和波面的譜形狀也一致，譜峰頻率相同。由于相對(duì)波高H/d較大，波浪呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性特征，二階頻率影響不容忽視，高階頻率對(duì)正向力的影響較小。橫向波浪力歷時(shí)曲線與波面歷時(shí)曲線形狀不同，波浪遇到結(jié)構(gòu)物而發(fā)生變形，伴隨頻率色散有高階頻率波的出現(xiàn)，因此橫向波浪力歷時(shí)曲線呈現(xiàn)鋸齒形雙峰現(xiàn)象。橫向波浪力和波面的譜形狀相似，譜峰頻率相同。由于波浪非線性的特性，橫向力譜分析以一階、二階頻率為主，高階頻率對(duì)其有影響。

圖5 開孔準(zhǔn)橢圓沉箱單墩規(guī)則波波面和波浪力振幅譜

圖6、7群墩試驗(yàn)結(jié)果顯示:正向波浪力歷時(shí)曲線與波面歷時(shí)曲線比較，兩者形狀相似，周期相同;譜分析中正向波浪力和波面的譜形狀也一致，譜峰頻率相同。群墩與單墩相比，正向力與波面在歷時(shí)曲線形狀、周期、譜形狀、譜峰頻率、波浪非線性影響的規(guī)律基本一致，無(wú)明顯變化。

圖6 開孔準(zhǔn)橢圓沉箱群墩規(guī)則波作用下波面和波浪力歷時(shí)曲線

橫向波浪力歷時(shí)曲線與波面歷時(shí)曲線形狀呈現(xiàn)出很大區(qū)別，兩側(cè)沉箱對(duì)中間沉箱波浪反射的影響使得沉箱群墩間存在橫向波，沉箱群墩間存在復(fù)雜流場(chǎng)，橫向波浪力歷時(shí)曲線多峰現(xiàn)象明顯，橫向波浪力周期比入射波浪周期短。譜分析發(fā)現(xiàn)橫向波浪力與波面的譜形狀有較大差異，橫向波浪力的譜分析出現(xiàn)多個(gè)頻率，一、二階頻率振幅基本相同，高階頻率也有較大振幅，沉箱群墩橫向波浪力與高階頻率有關(guān)，且高階頻率影響很大。

圖7 開孔準(zhǔn)橢圓沉箱群墩規(guī)則波波面和波浪力振幅譜

群墩與單墩相比，沉箱迎浪面流場(chǎng)變化不大，沉箱側(cè)面周圍流場(chǎng)有較大區(qū)別，譜分析發(fā)現(xiàn)群墩橫向波浪力出現(xiàn)多個(gè)頻率。與正向波浪力相比，群墩效應(yīng)對(duì)橫向波浪力的影響更大。在研究準(zhǔn)橢圓沉箱這種大結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮波浪非線性的影響;群墩與單墩在受力、流場(chǎng)等方面特征不同，尤其是作用于沉箱上的橫向力與沉箱側(cè)壁附近流場(chǎng)，群墩代替單墩進(jìn)行準(zhǔn)橢圓沉箱的水動(dòng)力研究與設(shè)計(jì)是必要的。

2．2 群墩效應(yīng)系數(shù)

圖8和圖9給出波浪以β=0°和β=22.5°入射時(shí)，規(guī)則波群墩效應(yīng)系數(shù)隨相對(duì)沉箱寬度變化的試驗(yàn)分析結(jié)果。橫坐標(biāo)KD為相對(duì)沉箱寬度，縱坐標(biāo)為群墩效應(yīng)系數(shù)。實(shí)心圖例和實(shí)線是不開孔的試驗(yàn)分析結(jié)果;空心圖例和虛線為開孔的試驗(yàn)分析結(jié)果。

圖8 群墩效應(yīng)系數(shù)與相對(duì)沉箱寬度的關(guān)系(β=0o，H/d=0．323)

圖9 群墩效應(yīng)系數(shù)與相對(duì)沉箱寬度的關(guān)系(β=22．5o，H/d=0．323)

3 結(jié)論

1)群墩效應(yīng)對(duì)群墩間的流場(chǎng)改變較大，因而群墩與單墩相比，橫向力的頻譜不同。單墩譜分析顯示橫向力以一階、二階頻率為主，群墩譜分析顯示橫向力除了一、二階頻率，高階頻率也有較大振幅，且高階頻率產(chǎn)生顯著影響。

2)對(duì)大型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)橢圓沉箱，波浪非線性的影響不容忽視，群墩代替單墩進(jìn)行準(zhǔn)橢圓沉箱的水動(dòng)力研究與設(shè)計(jì)是必要的。

3)關(guān)于準(zhǔn)橢圓沉箱的水動(dòng)力特性需要進(jìn)行系統(tǒng)研究，需考慮不規(guī)則波的作用，完善非線性波浪與復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)物相互作用的三維時(shí)域數(shù)值模型，為該結(jié)構(gòu)形式的推廣應(yīng)用提供更好的技術(shù)支持。

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Experimental Study of the Regular Wave Force on the Multiple Quasi-ellipse Caissons

REN Xiao-zhong1，YU Bo2，MA Yu-4-xiang3，GUO Wei-jun4，MENG Yu-fan1，WU Di1
(1.Dalian Jiucheng Municipal Design Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116000，China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China; 3.CCCC and DUT Institute of Communication Technology Co.，Ltd.，Dalian Liaoning，116000，China;
4.Environmental Science and Technology College，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116000，China)

It is essential to investigate the hydrodynamic characteristic of quasi-ellipse caisson for its wider application.The experimental investigation of the regular wave forces on the multiple quasi-ellipse caissons is conducted.The experimental results indicate that the group effects of quasi-ellipse caissons on transverse wave forces are greater than that on positive wave forces.The perforated quasi-ellipse caisson on the sidewall has obvious effects on reducing the wave force in the transverse direction，but rather limited effects for positive wave forces.The nonlinear wave effect is vital for investigating the large-scale quasi-ellipse caissons.It is necessary to investigate the hydrodynamic characteristics of group caissons，rather than a single caisson.

quasi-ellipse caisson;wave loading;coefficients of the group caissons

U656.22

A

1671-7953(2015)02-0125-06

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.032

2014-11-07

修回日期:2014-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(51109032);交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013329225240)

任效忠(1981-)，男，博士，工程師

研究方向:海洋工程設(shè)計(jì)與研究

E-mail:renxiaozhong2000@163.com