王 剛，孫一艷*，雷 鵬，王占行，馬玉蓮，丁 磊

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141；2.天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

近年來，國家大力推進(jìn)生態(tài)健康養(yǎng)殖，鼓勵(lì)發(fā)展海洋牧場[1-3]立體養(yǎng)殖和外海深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖等生態(tài)健康養(yǎng)殖模式。淺海牧場式圍欄設(shè)施符合漁業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，是海水養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)業(yè)升級的重要新興技術(shù)，借助水運(yùn)樁基的工程經(jīng)驗(yàn)和銅合金網(wǎng)衣的研究應(yīng)用成果，有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。目前該模式發(fā)展迅速，尤其是在椒江大陳島海域大型牧場式淺海圍欄設(shè)施以及大黃魚生態(tài)放養(yǎng)模式的創(chuàng)新發(fā)展方面起到了很好地應(yīng)用效果。

目前，圍欄設(shè)施柱樁所處水深大、自由長度高,主要承受水平力，對抗彎要求高，故一般采用預(yù)應(yīng)力砼管樁和鋼管樁。波流力是柱樁所受的主要荷載[4]，直接影響著樁基的型式和斷面尺寸，對柱樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全具有重要的影響[5]。當(dāng)波流夾角為0時(shí)，柱樁所受的波流力數(shù)值最大，因此將其作為工程波流力的設(shè)計(jì)值[6-7]。目前工程設(shè)計(jì)中常用的兩種柱樁波流力計(jì)算方法分別為：(1)根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.3條和《港口工程荷載規(guī)范》[9](JTS 144-1-2010)第13章分別計(jì)算正向波浪力和水流力，再將二者線性疊加；(2)根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.4條直接計(jì)算正向波流力，此方法考慮了波浪和水流之間的影響。然而，目前關(guān)于兩種方法計(jì)算差異的比較還鮮有報(bào)道，這就給工程設(shè)計(jì)中的方法選擇增添了困難，于是，本文將結(jié)合椒江大陳島海域大型淺海牧場式圍欄設(shè)施工程設(shè)計(jì)需求，基于以上兩種方法，比較不同波浪和水流條件下兩者結(jié)果差異，分析影響差異的主要因素，為今后淺海圍欄設(shè)施中柱樁工程設(shè)計(jì)的方法選擇和科學(xué)研究提供一定的參考依據(jù)。

1 計(jì)算方法

圍欄設(shè)施柱樁一般為D/L≤0.2(D為柱樁的直徑，L為波長)的小尺度柱樁，本文將基于此前提條件進(jìn)行計(jì)算。

1.1 方法一

1.1.1 波浪力計(jì)算

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.3條，作用于整個(gè)柱體高度上的正向波浪力由速度分力和慣性分力組成，其最大速度分力PDmax和最大慣性分力Plmax的確定方法如下：

(1)當(dāng)H/d≤0.2且d/L≥0.2或H/d>0.2且d/L≥0.35時(shí)，PDmax和Plmax分別按下列公式計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

PDmax和Plmax對z1斷面的力矩MDmax和Mlmax分別按下列公式計(jì)算

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：H為波高；d為水深；z1、z2為計(jì)算點(diǎn)在水底面以上的高度；γ為水的重度；g為重力加速度；CD為速度力系數(shù)，對圓形斷面取1.2；CM為慣性力系數(shù)，對圓形斷面取2.0；A為柱體的斷面積，m2。計(jì)算整個(gè)柱體上的PDmax及其對水底面的力矩MDmax時(shí)，取z1=0和z2=d+ηmax；而在計(jì)算整個(gè)柱體上的Plmax及其對水底面的力矩Mlmax時(shí)，取z1=0和z2=d+ηmax-H/2，其中ηmax為波峰在靜水面以上的高度。當(dāng)H/d≤0.2且d/L<0.2或H/d>0.2且d/L<0.35時(shí)，可按上述方法計(jì)算作用于整個(gè)柱體上的正向波浪力，并應(yīng)對PDmax乘以系數(shù)α；對MDmax乘以系數(shù)β。α和β可分別查圖確定。當(dāng)0.04≤d/L≤0.2時(shí)，尚應(yīng)對Plmax乘以系數(shù)γP，對Mlmax乘以系數(shù)γM。系數(shù)γP和γM可查圖確定。

(2)作用于整個(gè)柱體高度上的正向最大總波浪力Pmax和對水底面的最大總波浪力矩Mmax可按下述方法確定：當(dāng)PDmax>0.5Plmax時(shí)，兩者分別按式(9)和式(10)進(jìn)行計(jì)算

Pmax=Plmax

(9)

Mmax=Mlmax

(10)

當(dāng)PDmax>0.5Plmax時(shí)，兩者分別按式(11)和式(12) 進(jìn)行計(jì)算

(11)

(12)

1.1.2 水流力計(jì)算

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[9](JTS144-1-2010)第13章，作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值Fw應(yīng)按下式計(jì)算

(13)

其中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值；V為水流設(shè)計(jì)流速；Cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，海水取1.025 t/m3；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積。水流力的作用方向與水流方向一致，當(dāng)下部構(gòu)件頂面在水面以上時(shí)，其合力作用點(diǎn)位于水面以下1/3水深處。

將上述最大總波浪力和對水底面的最大總波浪力矩分別和對應(yīng)的水流力和水流力矩線性疊加，即得到最大總波流力和總波流力矩。

1.2 方法二

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.4條，作用于水底面以上高度z處單位長度柱體斷面上的正向波流力p(z,t)按下列公式計(jì)算

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

ωr=ω-kuc

(19)

(20)

其中：T為波浪周期，不規(guī)則波時(shí)取譜峰周期TP。求作用于整個(gè)柱體高度上的總波流力Pwc(t)時(shí)，沿柱體自水底z=0到波面z=d+η對p(z,t)進(jìn)行積分，即

(21)

波面在靜水面以上的高度η值按下式計(jì)算

η=ηmaxcosωt

(22)

從式(21)得到的關(guān)于Pwc的時(shí)間序列中可以確定最大總波流力Pwcmax。同理，可以通過式(23)確定對水底面的的最大總波流力矩Mwcmax：

(23)

需要說明的是，以上求解過程是借助工程上常用的MathCAD軟件編制計(jì)算程序完成的。

2 結(jié)果分析

2.1 計(jì)算工況

結(jié)合椒江大陳島海域大型淺海牧場式圍欄設(shè)施工程設(shè)計(jì)需求，確定計(jì)算工況如下，圍欄設(shè)施布置示意圖見圖1。(1)水深d：10 m；(2)柱樁直徑D：1 m；(3)波高H1%：2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m；(4)平均周期T： 5、6、7、8、9 s；(5)流速V：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。

圖1 圍欄設(shè)施平面布置Fig.1 Layout of the fence facilities

2.2 結(jié)果分析

這里首先以3.0 m波高值對應(yīng)的結(jié)果為例，表1和表2分別給出了方法一和方法二的計(jì)算結(jié)果。為了更加直觀地顯示，圖2和圖3分別給出了最大總波流力和最大總波流力矩隨流速的變化，結(jié)果表明，由方法一和方法二計(jì)算得到的最大總波流力和最大總波流力矩均隨流速的增大而增大，而且兩種方法計(jì)算結(jié)果的差別也隨之逐漸增大，采用方法二得到的最大總波流力和最大總波流力矩分別是采用方法一計(jì)算結(jié)果的1.05～1.97倍和1.00～1.67倍，說明對于柱樁的工程設(shè)計(jì)，采用方法二較方法一偏保守。圖4和圖5則分別給出了最大總波流力和最大總波流力矩隨平均周期的變化，方法一計(jì)算的兩者基本不隨平均周期變化，而方法二得到的結(jié)果盡管呈現(xiàn)出隨平均周期的增大而增大，但增加的幅度逐漸減小，不及其隨流速增加的幅度。在以上結(jié)論的基礎(chǔ)上，這里選取平均周期為9 s時(shí)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步討論波高的影響效果。圖6和圖7分別給出了最大總波流力和最大總波流力矩隨波高的變化，兩者均隨波高呈增長趨勢。同時(shí)，相比于波高和平均周期，流速對兩種方法計(jì)算結(jié)果差異的影響更為顯著，隨著流速的逐漸增大，其差異也逐漸增大。

表1 圍欄設(shè)施柱樁波流力計(jì)算(方法一)Tab.1 The wave-current forces on the pile of fence facilities (Method 1)

表2 圍欄設(shè)施柱樁波流力計(jì)算(方法二)Tab.2 The wave-current forces on the pile of fence facilities (Method 2)

注:空心:方法一;實(shí)心:方法二。圖2 最大總波流力隨流速的變化Fig.2 Variation of the maximum total wave-current forces with velocity注:空心:方法一;實(shí)心:方法二。圖3 最大總波流力矩隨流速的變化Fig.3 Variation of the maximum total wave-current torques with velocity

注:空心:方法一;實(shí)心:方法二。圖4 最大總波流力隨平均周期的變化Fig.4 Variation of the maximum total wave-current forces with mean period注:空心:方法一;實(shí)心:方法二。圖5 最大總波流力矩隨平均周期的變化Fig.5 Variation of the maximum total wave-current torques with mean period

注:空心:方法一;實(shí)心:方法二。圖6 最大總波流力隨波高的變化Fig.6 Variation of the maximum total wave-current forces with wave height注:空心:方法一;實(shí)心:方法二。圖7 最大總波流力矩隨波高的變化Fig.7 Variation of the maximum total wave-current torques with wave height

3 結(jié)論

本文結(jié)合椒江大陳島海域大型淺海牧場式圍欄設(shè)施工程設(shè)計(jì)需求，基于現(xiàn)行規(guī)范中常用的兩種柱樁波流力的計(jì)算方法，對不同波浪和水流條件下最大總波流力和總波流力矩隨波高、平均周期和流速的變化趨勢進(jìn)行了探討，同時(shí)比較了兩種方法計(jì)算結(jié)果的差異并分析了影響差異的主要因素，得到如下結(jié)論：(1)兩種方法得到的最大總波流力和總波流力矩均隨波高和流速的增大而增大，而受平均周期的影響較小；(2)方法二的計(jì)算結(jié)果較方法一偏保守，相比于波高和平均周期，流速對兩種方法計(jì)算結(jié)果差異的影響更為顯著，隨著流速的逐漸增大，其差異也逐漸增大，現(xiàn)階段建議在大流速條件下確定圍欄設(shè)施中柱樁波流力時(shí)需結(jié)合相應(yīng)物理模型試驗(yàn)結(jié)果。后續(xù)將進(jìn)行淺海牧場式圍欄整裝設(shè)施物理模型試驗(yàn)，對上述兩種計(jì)算方法進(jìn)行進(jìn)一步比較，為淺海牧場式圍欄設(shè)施中柱樁工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供更為有效的參考。