張慈珩， 郭 泉， 楊會利， 耿寶磊

(1. 交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院， 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室， 天津300456；2. 天津大學(xué)， 天津300072； 3. 河海大學(xué)， 江蘇 南京210098)

嵊泗縣位于杭州灣以東、 長江口東南， 北緯30°24′～31°04′、 東經(jīng)121°30′～123°25′， 是浙江省最東部、 舟山群島最北部的海島縣， 歷來是軍事要塞， 又是國際海輪進出長江口的必經(jīng)之道， 與長江三角洲各地區(qū)特別是上海市有著密切的聯(lián)系，特殊的區(qū)位優(yōu)勢是嵊泗縣經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要條件。 而擬建的泗礁島車客渡碼頭工程位于嵊泗主島西北側(cè)， 是區(qū)域重要的客運交通樞紐， 其具體位置及周邊態(tài)勢見圖1。

圖1 工程位置及周邊態(tài)勢

關(guān)于高樁承臺式結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用問題，徐博等[1]基于RANS 模型建立波浪與高樁承臺相互作用的三維數(shù)值模型， 研究了承臺受到的水平及豎向波浪力時程特性、 承臺周圍流場以及凈空對波浪荷載的影響規(guī)律； 張忠中[2]則針對福建目前海上風(fēng)電發(fā)展情況及工程海域特點， 結(jié)合工程實例， 研究高樁承臺在海上風(fēng)機基礎(chǔ)中的應(yīng)用；而黃津等[3]以工程實例為研究對象， 依據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸建立高樁碼頭的有限元模型， 探討波浪力對高樁碼頭結(jié)構(gòu)的影響； 劉逸敏等[4]則以深海橋梁建設(shè)中廣泛采用的群樁基礎(chǔ)為研究對象， 發(fā)展了淹沒承臺下樁柱波浪作用力的工程計算方法；另外周靜姝等[5]、 周子明[6]則研究了承臺結(jié)構(gòu)在波浪作用下的水動力特性問題。

本文依據(jù)前人的研究成果并依托相關(guān)工程實例， 進行一定比尺的物理模型試驗， 測量高樁承臺結(jié)構(gòu)的堤前后波高、 上水越浪情況及結(jié)構(gòu)受力，分析波浪透射率， 并對堤前擋浪板夾縫處的流速進行測量。 通過分析波浪對不同形式高樁承臺結(jié)構(gòu)的作用效果， 進而為該類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供建議與依據(jù)。

1 試驗條件

1.1 試驗水位

試驗水位條件為: 50 a 一遇的極端高水位3.01 m， 設(shè)計高水位2.06 m， 設(shè)計低水位-1.89 m。

1.2 波浪條件

試驗波要素參考已有的研究成果[7]， 碼頭處測點布置見圖2[8]， 并選取2#點位置的波浪作為試驗波浪條件； 試驗主要針對重現(xiàn)期為50 a 一遇的波浪情況， 具體波要素見表1。

圖2 計算點布置

表1 試驗波要素

1.3 工程結(jié)構(gòu)方案

工程設(shè)計方案遵照《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》[9]要求， 其中原設(shè)計直樁方案平面與斷面見圖3， 結(jié)構(gòu)形式為常規(guī)高樁承臺結(jié)構(gòu)， 共布置4排樁。 其中迎浪側(cè)第3 排為消浪排樁結(jié)構(gòu)， 采用φ2 000 mm直樁， 樁間有插入式肋板， 肋板插入底高程至泥面， 肋板間距50 mm； 胸墻高度為1. 5 m， 頂高程為7. 5 m； 后3 排均采用φ2 000 mm直樁。

圖3 原設(shè)計直樁方案(高程: m； 尺寸: mm。 下同)

原設(shè)計斜樁(斜度5∶1)方案平面與斷面見圖4， 其在原設(shè)計直樁方案基礎(chǔ)上， 將第1 排消浪直樁改為斜度5∶1 的消浪斜樁， 其他因素與原設(shè)計直樁方案相同。

圖4 原設(shè)計斜樁(斜度5：1)方案

修改方案的斷面結(jié)構(gòu)形式見圖5， 將原設(shè)計直樁方案的4 排直樁更改為4 排斜度為6∶1 的斜樁；胸墻高度為1.2 m， 頂高程為5.7 m； 第1 排為消浪樁， 同樣在樁間布置了和原方案相同的肋板結(jié)構(gòu)。

圖5 修改方案斷面

2 試驗設(shè)備及方法

2.1 相似準則與模型比尺

模型按重力相似準則設(shè)計， 結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿足幾何相似； 另外根據(jù)試驗場地、 現(xiàn)有塊體質(zhì)量及試驗要求， 選用的模型幾何比尺為31.75， 時間比尺為5.63， 力比尺為32 006。

2.2 試驗設(shè)備

試驗在交通運輸部天津水運工程科學(xué)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。 造波機為電機伺服驅(qū)動推板吸收式造波機， 可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波。

另外模型的高程用水準儀控制， 長度用鋼尺測量， 水位通過測針進行測量， 波高采用三維浪高儀， 并通過日本三井造船廠開發(fā)的多方向波測量系統(tǒng)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(tǒng)對采集到的點壓力進行處理， 試驗過程中使用攝像機記錄波面過程和上水、 越浪等試驗現(xiàn)象。

2.3 試驗方法

1)波浪模擬。 試驗采用頻譜不規(guī)則波， 頻譜考慮《港口與航道水文規(guī)范》[10]中規(guī)定的波譜， 選用JONSWAP 譜。

2)越浪量測量。 越浪量統(tǒng)計即在測量點用接水裝置接取越浪水體， 通過測量質(zhì)量或體積從而得到模型的越浪量。 不規(guī)則波截取一個完整波列的總越浪水體作為相應(yīng)歷時的總越浪量， 然后計算單寬平均越浪量， 并按照相似準則， 將模型越浪量換算成原體越浪量。

3)堤后次生波測量。 為驗證掩護效果， 在堤后布置波高傳感器測量因透射和越浪產(chǎn)生的堤后次生波， 堤后共布置了10 個波高傳感器， 距防波堤后 沿 距 離 分 別 為3.18、 19.05、 34.93、 50.80、66.68、 82.55、 98.43、 114.30、 130.18、 146.05 m，傳感器布置見圖6。

圖6 堤后次生波傳感器布置

4) 波壓力測量。 依據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》[11]和試驗要求， 在迎浪側(cè)消浪樁、 擋板、 碼頭面頂部布置波壓力傳感器； 各傳感器高程見圖7。試驗在兩種水位重現(xiàn)期為50 a 的波浪作用下， 按照迎浪面2.7 m(即一樁與兩側(cè)消浪板寬度之和)計算單位寬度的總力。

圖7 波壓力傳感器布置

5) 堤前波生流流速測量。 消浪樁間縫隙較小， 為50 mm， 在波浪作用下消浪樁前后產(chǎn)生較大的水位差， 進而會產(chǎn)生較大的流速， 易造成樁局部沖刷， 故需要對消浪樁間的流速進行測量。流速測量在原設(shè)計方案直樁結(jié)構(gòu)中進行， 測量點底高程為-13.71 m(模型上距底5 cm)， 測點正對消浪樁間縫隙， 測點位置見圖8。

圖8 底流速傳感器布置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 堤后次生波

在重現(xiàn)期為50 a 的波浪作用下， 極端高水位作用時堤后次生波波高結(jié)果對比見圖9a)、 b)，設(shè)計高水位作用時堤后次生波波高結(jié)果對比見圖9c)、 d)； 極端高水位作用時堤后次生波透射率(堤后與堤前波高之比)結(jié)果對比見圖10a)、 b)，設(shè)計高水位作用時堤后次生波透射率結(jié)果對比見圖10c)、 d)。

圖9 堤后次生波波高對比

圖10 堤后次生波透射率對比

可以看出， 原設(shè)計直樁方案在極端高水位重現(xiàn)期為50 a 的波浪條件下， 堤后次生波波高較大，兩種不同波浪累計頻率下的平均透射率為22.7%，在設(shè)計高水位、 重現(xiàn)期為50 a 的波浪條件下， 兩種不同波浪累計頻率下的平均透射率為17.2%；另外隨著與堤距離的增加， 次生波的波高和透射率逐漸衰減， 且在堤后附近位置處衰減較快， 之后衰減速度放緩； 針對整個試驗結(jié)果而言， 堤后最大波高值可達2.0 m。

原設(shè)計斜樁(斜度5∶1)方案在極端高水位、 重現(xiàn)期為50 a 的波浪作用下， 兩種不同波浪累計頻率下的平均透射率為26.45%， 在設(shè)計高水位重現(xiàn)期為50 a 條件下， 兩種不同波浪累計頻率下的平均透射率為20.7%， 堤后最大波高值可達2.16 m，可見原設(shè)計斜樁(斜度5∶1)方案堤后最大波高和平均透射率均大于原設(shè)計直樁方案。 此斜樁方案對比原設(shè)計的直樁方案， 前排的消浪直樁換成斜樁， 分析可知斜消浪樁與直消浪樁相比， 斜消浪樁的堤后次生波透射率會增大， 并導(dǎo)致堤后的最大波高也增大； 另外斜消浪樁后的波高及其透射率也會隨著與堤距離的增加而衰減， 對于直消浪樁和斜消浪樁兩種設(shè)計方案， 波高的衰減幅值在兩種水位和兩種波浪累計頻率下基本一致， 但直消浪樁后的次生波透射率衰減更快， 且衰減幅值更大， 這種現(xiàn)象在設(shè)計高水位時表現(xiàn)得更加明顯，分析后認為是設(shè)計高水位時堤后次生波受越浪量的影響比極端高水位時小造成的。

修改方案斜樁(斜度6∶1)試驗中， 根據(jù)透射率結(jié)果可知: 在極端高水位、 重現(xiàn)期50 a 的波浪條件下， 兩種不同波浪累計頻率下的平均透射率為28.6%， 設(shè)計高水位、 重現(xiàn)期為50 a 條件下， 兩種不同波浪累計頻率下的平均透射率為25.0%；綜合整個試驗結(jié)果， 堤后最大波高可達2.63 m；隨著與堤距離的增加， 次生波波高與透射率也逐漸衰減， 與原方案相同； 該方案與原方案中的兩種形式相比， 其胸墻頂高程降低， 平均透射率增加， 堤后最大波高也顯著增大； 堤后次生波和透射率都比原設(shè)計的兩種方案要大， 且衰減速度和衰減幅值也更大， 在極端高水位作用時此現(xiàn)象更加明顯； 在5#傳感器(圖6)之后的水域， 該修改方案的波高以及透射率結(jié)果已經(jīng)小于原設(shè)計斜樁(斜率5∶1)方案的結(jié)果， 分析主要是修改方案的頂高程較低， 在極端高水位作用時堤頂越浪量遠大于原設(shè)計直樁和斜樁方案的越浪量， 造成1#傳感器位置處(圖6)修改方案的波高和透射率結(jié)果比原設(shè)計方案的波高和透射率結(jié)果大得多； 而修改方案的透射衰減速度更快， 這是因為通過越浪在堤后產(chǎn)生的次生波的衰減速度要大于透過消浪樁間縫隙的波浪在堤后產(chǎn)生的次生波所導(dǎo)致。

3.2 越浪情況

極端高水位和設(shè)計高水位(重現(xiàn)期均為50 a)的波浪作用下， 各方案越浪量及越浪沖擊最遠距離(距胸墻前沿)結(jié)果見表2(越浪率為一個波列中越浪波數(shù)量與波列中波總數(shù)量的百分比)。

表2 越浪情況結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果可知， 原設(shè)計直樁方案在極端高水位和設(shè)計高水位(重現(xiàn)期均為50 a)波浪作用下， 越浪量分別為252.6 和18.3 L∕(m·s)， 越浪沖擊范圍分別為7.0 和3.2 m； 原設(shè)計斜樁(斜度5∶1)方案在極端高水位和設(shè)計高水位(重現(xiàn)期均為50 a)波浪作用下， 越浪量分別為178.6 和13.2 L∕(m·s)，越浪沖擊范圍分別為7.6 和3.8 m； 與原直樁方案相比可知將直樁換為斜樁時， 越浪量顯著降低， 結(jié)合兩原設(shè)計方案堤后次生波波高和透射率結(jié)果分析可知， 堤前波浪更易透過原設(shè)計方案的斜樁消浪樁， 即在波浪沿斜面爬升的過程中有更多的水體透過消浪樁的縫隙進入堤后， 從而使越過堤頂進入堤后的水體減少， 造成所測得的越浪量減小；另外修改斜樁(斜度6∶1)方案試驗在兩種水位(重現(xiàn)期均為50 a)的條件下， 越浪量分別為486.6 和131.1 L∕(m·s)； 越浪沖擊范圍分別為11.1 和6.4 m。 且在極端高水位(50 a 重現(xiàn)期)下， 越浪率高達63%； 該修改方案與原設(shè)計方案的兩種形式相比， 由于胸墻頂高程較低， 導(dǎo)致越浪量遠大于兩種原設(shè)計方案的越浪量， 且越浪沖擊范圍也更大， 此形式下的結(jié)構(gòu)更應(yīng)注意頂面的排水問題。

3.3 波浪力

3.3.1 原設(shè)計直樁方案

統(tǒng)計各傳感器數(shù)據(jù)， 各處測點的最大壓強均出現(xiàn)在極端高水位， 結(jié)構(gòu)頂板表面最大壓強出現(xiàn)在6#波壓力傳感器， 可達113.43 kPa， 分析其主要是由于越浪水體沖擊造成的； 而結(jié)構(gòu)迎浪面最大壓強出現(xiàn)在15#波壓力傳感器， 可達91.32 kPa； 水平力最大值出現(xiàn)在極端高水位， 可達4 255.22 kN∕2.7 m，見圖7a)。

3.3.2 修改斜樁(斜度6∶1)方案試驗

統(tǒng)計各傳感器數(shù)據(jù)， 由試驗結(jié)果可知各測點最大壓強均出現(xiàn)在極端高水位， 此時結(jié)構(gòu)頂板表面最大壓強出現(xiàn)在5#波壓力傳感器， 可達58.48 kPa；結(jié)構(gòu)迎浪面最大壓強出現(xiàn)在14#波壓力傳感器， 可達85.87 kPa； 水平力最大值出現(xiàn)在極端高水位，可達3 975.28 kN∕2.7 m， 見圖7b)。

該修改方案與原直樁方案相比， 所受的水平力最大值減小， 各處所受最大壓力也相應(yīng)減小。

3.4 堤前流速

針對原直樁方案測量堤前流速， 不同水位條件下， 消浪樁前波生流流速結(jié)果見表3。 可以看出， 在極端高水位(重現(xiàn)期為50 a)的波浪條件下，最大流速可達6.64 m∕s； 設(shè)計高水位(重現(xiàn)期為50 a)的波浪條件下最大瞬時流速為5.79 m∕s。 由于流速較大， 易造成樁局部沖刷， 故在工程設(shè)計中對于此類消浪樁結(jié)構(gòu)， 應(yīng)考慮對消浪樁內(nèi)外采取一定的防護措施。

表3 消浪樁前波生流流速結(jié)果

4 結(jié)論

1)在同等條件下， 消浪直樁后的堤后次生波的波高和透射率都小于消浪斜樁， 故消浪直樁方案對于樁后水域而言具備更好的泊穩(wěn)條件； 但由于消浪斜樁有斜面存在， 波浪在斜面爬升的過程中能量會被損耗， 從而在入射波和反射波疊加后， 消浪斜樁前的波高會小于消浪直樁前的波高， 此時對于樁前水域， 消浪斜樁擁有更好的泊穩(wěn)條件。

2)本工程設(shè)計方案采用消浪樁結(jié)構(gòu)， 消浪樁間距較小， 僅為50 mm； 根據(jù)直樁試驗中觀測到的流速結(jié)果可知， 樁間縫隙處流速較大， 容易造成該處局部沖刷， 故對于該類消浪樁， 應(yīng)采用適宜的方式對消浪樁內(nèi)外做一定的防護。

3)本工程修改方案的擋浪墻頂高程僅為5.7 m， 根據(jù)試驗觀測結(jié)果可知， 其越浪量及對碼頭上部結(jié)構(gòu)的沖擊均較大， 同時還會引起堤后次生波的增大， 堤后兼作碼頭時， 不利于船舶的泊穩(wěn)； 另外在極端高水位情況下， 越浪沖擊距離也較大， 故應(yīng)注意結(jié)構(gòu)上部設(shè)施的安全以及排水問題。

4)本工程所采用的消浪結(jié)構(gòu)， 所受波浪沖擊較大， 由于物理模型縮尺效應(yīng)的影響， 其破波作用由于夾氣量的不同， 模型破波沖擊會弱于原型，而時間比尺又會造成模型的受力時間長于原型從而使結(jié)構(gòu)響應(yīng)偏于保守， 故在相關(guān)設(shè)計時應(yīng)注意受力沖擊的取值問題。

5)本工程位于島嶼群內(nèi)， 海域地形條件復(fù)雜，受地形折射和島嶼掩護影響， 波浪傳播也十分復(fù)雜； 而受二維斷面物理模型限制， 模型中無法反映波浪方向、 周邊地形結(jié)構(gòu)等因素的影響； 因此建議后續(xù)研究可采用整體波浪物理模型， 對波浪分布、 波浪對結(jié)構(gòu)物的作用做進一步的模擬研究。