何舒玥，李華軍，廖紹華，劉 勇

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

中國(guó)黃河三角洲等灘海地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的石油資源，經(jīng)常采用“海油陸采”的石油開發(fā)模式，即修建海上人工島，在人工島上設(shè)置采油平臺(tái)，并通過進(jìn)海路將人工島與岸線相連。傳統(tǒng)進(jìn)海路采用堆砌式結(jié)構(gòu)，透水性差，嚴(yán)重影響近岸環(huán)境。新型樁基支撐透空式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)具有水體交換性能優(yōu)良、對(duì)近岸環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在勝利油田實(shí)際工程中應(yīng)用，取得了很好的工程效果。但是，透空式進(jìn)海路的波浪作用機(jī)理比較復(fù)雜，進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)的波浪荷載計(jì)算方法缺乏，給工程設(shè)計(jì)造成較大困難。

針對(duì)各類透空式建筑物上部結(jié)構(gòu)的波浪荷載作用特性和計(jì)算方法，已經(jīng)有許多學(xué)者開展了研究工作。合田良實(shí)[1]對(duì)棧橋面板所受波浪力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為棧橋面板受到的波浪壓強(qiáng)均勻分布，作用長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，并給出了浮托力的計(jì)算公式。谷本勝利等[2]認(rèn)為水平板受到的波浪作用由靜水壓強(qiáng)和沖擊壓強(qiáng)組成，利用勢(shì)流理論，在考慮水平板底面存在空氣層的情況下，對(duì)水平板底部波浪力進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。過達(dá)和蔡保華[3]試驗(yàn)測(cè)量了透空式碼頭面板的波浪作用力，給出了破碎波與非破碎波作用下不同型式碼頭面板的浮托力計(jì)算公式。周益人等[4-5]開展了透空式水平板波浪浮托力的系列物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)透空式水平板總浮托力的最大值與沖擊壓強(qiáng)的最大值通常不同步出現(xiàn)，它們所對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)分布形式通常也不一致，并給出了水平板最大沖擊壓強(qiáng)和最大波浪浮托力的計(jì)算方法。任冰等[6]應(yīng)用改進(jìn)的SPH方法，研究了透空式結(jié)構(gòu)底面受波浪沖擊過程中的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化特性。

以上研究工作主要考慮波浪對(duì)透空式薄板結(jié)構(gòu)的浮托力作用，很少考慮結(jié)構(gòu)承受的水平波浪力。透空式進(jìn)海路橋面內(nèi)部需埋設(shè)輸油管線和電纜溝等，其上部橋面結(jié)構(gòu)的厚度較大，在進(jìn)行波浪力分析時(shí)，不能將其等同于水平薄板式結(jié)構(gòu)，需要同時(shí)考慮浮托力和水平波浪力的作用。本文將通過物理模型試驗(yàn)，分析透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)的浮托力和水平波浪力，研究結(jié)構(gòu)的波浪力計(jì)算方法，為透空式進(jìn)海路的工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

物理模型試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波流水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽長(zhǎng)60 m 、寬3 m、深 1.5 m。水槽一端安裝推板式造波機(jī)，另一端設(shè)置斜坡式多孔消波裝置，可以有效降低水槽末端波浪反射的影響。

參照東營(yíng)勝利油田某全直樁透空式進(jìn)海路工程，按照1∶25的比尺制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)?zāi)Ｐ椭饕蓸痘A(chǔ)、抱箍(橫梁)、橋面三部分組成，透空式進(jìn)海路模型設(shè)置在距離造波機(jī)38 m遠(yuǎn)處，圖1給出進(jìn)海路模型在水槽中的布置圖。沿水槽寬度方向共布置七跨整橋面，每跨橋面長(zhǎng)0.4 m(沿水槽寬度方向)，高0.079 m，寬度為0.24和0.4 m兩種。橋面固定在抱箍上，每個(gè)抱箍的寬度為7.2 cm，抱箍由外徑為4.8 cm的空心鋼管樁支撐，鋼管樁焊接固定在水槽底部的預(yù)埋鋼板上。對(duì)于0.24 m寬的窄橋面(單車道橋面)，每個(gè)抱箍下面等間距設(shè)置三根管樁，對(duì)于0.4 m寬的寬橋面(雙車道橋面)，每個(gè)抱箍下面等間距設(shè)置四根管樁。橋面和抱箍均采用木板制作，結(jié)構(gòu)的斷面尺寸見圖2。

圖1 透空式進(jìn)海路物理模型試驗(yàn)布置圖Fig.1 Sketch of experimental test for pile-supported sea access road

圖2 透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：mm)Fig.2 Section of upper structure for pile-supported sea access road (unit:mm)

采用規(guī)則波進(jìn)行透空式進(jìn)海路波浪力試驗(yàn)，參照東營(yíng)透空式進(jìn)海路的工程設(shè)計(jì)波況，試驗(yàn)波浪周期T= 1.6 s(原型波浪周期為8.0 s)，試驗(yàn)波高取極限破碎波高，即水深的0.6倍。試驗(yàn)水深d取10種不同的值(d=0.23～0.40 m)，進(jìn)海路橋底面與海床之間的間距h取8種不同的值(h=0.26～0.42 m)，橋底與靜水面之間的凈空高度Δh=h-d=-0.04～0.09 m，其中：當(dāng)進(jìn)海路橋底面在靜水面以下時(shí)，橋面凈空高度Δh為負(fù)值。表1列出各物理模型試驗(yàn)參數(shù)的具體值，圖3則給出各試驗(yàn)參數(shù)的定義。需要說明的是，如果每排樁基礎(chǔ)中的樁數(shù)目增加或橋面跨度減小，樁基礎(chǔ)對(duì)波浪的反射作用會(huì)增加，進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)的波浪作用力有可能增加。對(duì)于該問題，有必要在今后開展進(jìn)一步的研究工作。

表1 透空式進(jìn)海路物理模型試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental Parameters for pile-supported sea access road

圖3 透空式進(jìn)海路模型參數(shù)定義圖Fig.3 Parameter definition of pile-supported sea access road model

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析

試驗(yàn)中，在中間一跨橋面的迎浪面、底面及抱箍上安裝點(diǎn)壓力傳感器，測(cè)量波浪作用下橋面上的動(dòng)水壓強(qiáng)分布。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱厮壑休S線對(duì)稱布置，只在中間半跨橋面上布置了點(diǎn)壓力傳感器，認(rèn)為未布置傳感器的半跨橋面的壓強(qiáng)分布與另一側(cè)對(duì)稱位置相同。點(diǎn)壓力傳感器的采樣頻率為50 Hz，每次試驗(yàn)重復(fù)2次，取平均值。

將各點(diǎn)壓力傳感器的動(dòng)水壓強(qiáng)測(cè)量值沿結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行積分，得到透空式進(jìn)海路單位長(zhǎng)度上部結(jié)構(gòu)的浮托力和總水平波浪力時(shí)間歷程線。圖4給出典型工況下，透空式進(jìn)海路單位長(zhǎng)度上部結(jié)構(gòu)浮托力Fu和總水平波浪力Fh時(shí)間歷程線的試驗(yàn)結(jié)果。分析總波浪力的時(shí)間歷程線，得到透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)浮托力和總水平波浪力的峰值，通過分析總波浪力峰值的試驗(yàn)結(jié)果，給出透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)的波浪力計(jì)算方法。

(d = 0.40 m，h = 0.38 m，H = 0.24 m，B = 0.4 m)圖4 總波浪力時(shí)間歷程線Fig.4 Time histories of total wave forces

2 浮托力計(jì)算方法

2.1 已有典型計(jì)算方法

目前，有許多學(xué)者提出了不同的透空式結(jié)構(gòu)浮托力計(jì)算方法，但是由于透空式結(jié)構(gòu)浮托力的影響因素比較復(fù)雜，不同計(jì)算方法所考慮的具體結(jié)構(gòu)型式和試驗(yàn)條件不同，因此不同方法的計(jì)算結(jié)果存在較大差異。

我國(guó)海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]給出碼頭上部結(jié)構(gòu)底面平均波壓力計(jì)算方法：

(1)

(2)

式中：p為平均動(dòng)水壓強(qiáng)；γ為水的重度；β為壓強(qiáng)反應(yīng)系數(shù)，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的寬度B≤ 10 m時(shí)，β= 1.5，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的寬度較大時(shí)，取β= 2.0；η為波峰面在靜水面以上的高度；波數(shù)k= 2π /L。將平均動(dòng)水壓強(qiáng)乘結(jié)構(gòu)底面的受力面積，便可以得到碼頭面板承受的波浪浮托力。

過達(dá)和蔡保華[3]通過透空式碼頭面板的上托力試驗(yàn)，提出了波壓強(qiáng)修正法，根據(jù)波浪理論及有關(guān)試驗(yàn)資料的分析，將面板上的波浪浮托力壓強(qiáng)值表示為面板相對(duì)靜空高度Δh/H的指數(shù)函數(shù)：

(3)

式中:α1為壓強(qiáng)系數(shù)[3]；α2為波面修正系數(shù)[3]；a為最大壓強(qiáng)值位置的超高系數(shù)，對(duì)非破碎波取a=0.2，對(duì)破碎波取a=0.3；n為指數(shù)曲線修正系數(shù)，當(dāng)(Δh/H-a)> 0時(shí)，n=-3.5，當(dāng)(Δh/H-a) <0時(shí)，n=3.5，對(duì)于高樁碼頭面板，n=2.5。將浮托力壓強(qiáng)與受力面積相乘，得到結(jié)構(gòu)承受的浮托力。

周益人等[5]對(duì)透空式水平板進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，給出單位長(zhǎng)度透空式水平板上最大波浪浮托力Fu的計(jì)算公式：

(4)

(5)

(6)

其中：K為沖擊角度影響系數(shù)；K0為相對(duì)板寬影響系數(shù)，當(dāng)L/B>10時(shí)取1.7，當(dāng)L/B≤10時(shí)取1.4；K1為板寬和水深影響系數(shù)，如果B/H<1.68，取B/H=1.68。

我國(guó)海港水文規(guī)范[8]給出離岸式高樁碼頭單位長(zhǎng)度面板承受最大浮托力Fu的計(jì)算方法：

(7)

(8)

(9)

式中：λ1為面板寬度影響系數(shù)；x為面板底部的波浪作用寬度(沿波浪傳播方向)，當(dāng)x>B時(shí)，取x=B。

2.2 本文浮托力計(jì)算方法

通過已有透空式結(jié)構(gòu)的浮托力計(jì)算方法可以看出，相對(duì)凈空高度Δh/H是浮托力的主要影響因素。圖5給出透空式進(jìn)海路單位長(zhǎng)度橋面上受到的無因次浮托力Fu/γHB與相對(duì)凈空高度Δh/H之間的關(guān)系，可以看出：浮托力在Δh/H接近0時(shí)達(dá)到最大值，且隨著Δh/H絕對(duì)值的增大而減?。徽瓨蛎?B= 0.24 m)和寬橋面(B= 0.4 cm)的無因次浮托力變化規(guī)律基本一致，且在相同波況下無因次浮托力的值比較接近。

(a．橋面寬度(B)=0.24 m；b．橋面寬度(B)=0.4 m。a．Deck width(B)=0.24 m；b．Deck width(B)= 0.4 m.)
圖5 浮托力Fu與相對(duì)凈空高度Δh/H之間的關(guān)系
Fig.5 Relationship between the uplift forceFuand the relative clearance height Δh/H

圖5中觀察到的浮托力變化規(guī)律與過達(dá)和蔡保華[3]的研究結(jié)果比較一致，因此將過達(dá)和蔡保華[3]公式中的系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)的浮托力計(jì)算公式。將過達(dá)和蔡保華[3]公式進(jìn)行改進(jìn)的主要原因包括：(1)過達(dá)和蔡保華[3]公式中，壓強(qiáng)系數(shù)和波面修正系數(shù)與透空式結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，本文透空式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)與過達(dá)和蔡保華[3]所研究結(jié)構(gòu)存在很大差異；(2)透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)受到的最大浮托力出現(xiàn)在相對(duì)凈空高度接近0的位置(見圖5)，與過達(dá)和蔡保華[3]公式中超高系數(shù)取0.2不同。

參照公式(3)，并通過分析本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出以下透空式進(jìn)海路單位長(zhǎng)度橋面上浮托力Fu的計(jì)算公式：

(10)

式中：η為波峰面在靜水面以上的高度，其計(jì)算方法見公式(2)；當(dāng)Δh/H> 0時(shí)，μ1= 0.65，μ2= -4；當(dāng)Δh/H≤ 0時(shí)，μ1= 1 -Δh/H，μ2= 4。圖6給出公式(10)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看出：計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，計(jì)算結(jié)果通常大于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言偏于安全；窄橋面計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.955，寬橋面計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.925。

圖6 透空式進(jìn)海路橋面無因次浮托力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between the calculated and experimental reuslts for the dimensionless uplift force on the deck of sea access road

2.3 不同浮托力計(jì)算方法對(duì)比

將本文提出的浮托力計(jì)算公式(10)與3.1節(jié)所述文獻(xiàn)中的4種浮托力計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比，圖7給出典型的對(duì)比結(jié)果。從圖7可以看出：不同公式的計(jì)算結(jié)果差異很大，本文公式(10)的計(jì)算結(jié)果與透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)浮托力的試驗(yàn)結(jié)果符合最好。本文公式的計(jì)算結(jié)果與周益人等[5]公式的計(jì)算結(jié)果比較接近，但是明顯小于海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]、過達(dá)和蔡保華[3]以及海港水文規(guī)范[8]公式的計(jì)算結(jié)果，這說明：當(dāng)透空式結(jié)構(gòu)型式不同時(shí)，結(jié)構(gòu)所承受的浮托力存在很大差異，在浮托力分析中要充分考慮結(jié)構(gòu)型式的影響。

3 水平力計(jì)算方法

在本文物理試驗(yàn)中，所有試驗(yàn)條件下波浪都會(huì)越過透空式進(jìn)海路的上部橋面，即橋面的整個(gè)迎浪面都會(huì)承受水平波浪力的作用，因此在水平波浪力分析中，考慮單位長(zhǎng)度橋面的整個(gè)迎浪面所受的波浪力。圖8給出無因次單位長(zhǎng)度橋面的水平波浪力Fh/γHW與相對(duì)凈空高度Δh/H之間的關(guān)系，圖中橫坐標(biāo)為Δh/H，縱坐標(biāo)為Fh/γHW的對(duì)數(shù)值，可以看出：-ln (Fh/γHW)近似為Δh/H的指數(shù)函數(shù)。

(a．橋面寬度(B)= 0.24 m，橋面底高(h)= 0.42 m；b．橋面寬度(B)= 0.4 m，橋面底高(h)= 0.42 m。a．Deck width(B)= 0.24 m，Bottom height of deck(h)= 0.42；b．Deck width(B)= 0.4 m，Bottom height of deck(h)= 0.42 m.)
圖7 不同方法浮托力計(jì)算結(jié)果對(duì)比
Fig.7 Comparison of the caculation results by different methods for uplift forces

依據(jù)圖8的分析結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，給出透空式進(jìn)海路單位長(zhǎng)度上部結(jié)構(gòu)水平波浪力的計(jì)算公式：

(11)

(12)

圖9給出公式(11)的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看出：計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，窄橋面計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.927，寬橋面計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.955。

(a．橋面寬度(B)=0.24 m；b．橋面寬度(B)=0.4 m。a．Deck width(B)=0.24 m；b．Deck width(B)=0.4 m.)
圖8 水平波浪力Fh與相對(duì)凈空高度Δh/H之間的關(guān)系
Fig.8 Relationship betweenthe horizontal wave forceFhand the relative clearance height Δh/H

圖9 透空式進(jìn)海路橋面無因次水平波浪力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of the calculated and experimental reuslts for the dimensionless horizontal wave forces on the deck of sea access road

4 結(jié)語

本文開展了系列物理模型試驗(yàn)，測(cè)量了透空式進(jìn)海路上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)水壓強(qiáng)分布，分析了結(jié)構(gòu)承受的浮托力和水平波浪力。研究發(fā)現(xiàn)：相對(duì)凈空高度是透空式進(jìn)海路上部橋面結(jié)構(gòu)波浪力的主要影響因素，當(dāng)相對(duì)凈空高度接近0時(shí)，橋面浮托力達(dá)到最大值。以模型試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，建立了透空式進(jìn)海路上部橋面結(jié)構(gòu)浮托力和水平波浪力的計(jì)算公式，并與文獻(xiàn)中已有透空式結(jié)構(gòu)浮托力的計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比分析。本文浮托力和水平波浪力公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，可用于透空式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的初步工程設(shè)計(jì)。