姜壽紅

(1.交通部廣州打撈局,廣州 510290;2.廣東省海洋工程施工與水上應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心,廣州 510290)

某電場(chǎng)冷卻水海域取水管鋪設(shè)施工時(shí),先沿取水管線中心線兩側(cè)施打支護(hù)鋼板樁,然后通過(guò)抽沙泵進(jìn)行抽沙作業(yè)開(kāi)挖鋪放取水管線的基槽,將取水管安裝進(jìn)入基槽,安裝后回填保護(hù)取水管。在基槽開(kāi)挖過(guò)程中,基槽兩側(cè)支護(hù)鋼板樁在涌浪波浪力沖擊作用下,發(fā)生向基槽中心嚴(yán)重傾斜的現(xiàn)象。這不僅導(dǎo)致支護(hù)鋼板樁失穩(wěn),而且因取水管下放安裝路徑狹窄而無(wú)法安裝,耽誤工程進(jìn)度?？紤]在施工現(xiàn)場(chǎng)就地取材,擬采用在支護(hù)鋼板樁外圍再連續(xù)布放一層豎直的防浪鋼板樁,起防浪、減小支護(hù)鋼板樁所受的波浪力。但是防浪樁的布放長(zhǎng)度、形狀,以及離開(kāi)支護(hù)樁的距離對(duì)減小支護(hù)鋼板樁波浪力的作用需要優(yōu)化確定。

關(guān)于水波與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究中,解析方法[1-3]常基于線性波浪理論,對(duì)于非線性復(fù)雜問(wèn)題求解困難;試驗(yàn)研究[ 4-6]仍然是主要的研究手段,但是成本高,周期長(zhǎng);數(shù)值計(jì)算方法有基于勢(shì)流理論和黏性理論革命文物革命文物兩大分支?；陴ば粤鲃?dòng)的數(shù)值模擬方法又以有網(wǎng)格和無(wú)網(wǎng)格方法的有網(wǎng)格方法目前應(yīng)用更為廣泛。有網(wǎng)格的數(shù)值模擬方法一般基于有限體積方法求解RANS方程,發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟,近20年來(lái)在科學(xué)研究和工程實(shí)踐上得到了廣泛的應(yīng)用[7-12]。

針對(duì)前述工程問(wèn)題,考慮應(yīng)用有網(wǎng)格黏性流動(dòng)的CFD方法,采用SSTk-ω湍流模型和VOF自由面捕捉方法,數(shù)值模擬涌浪與防浪鋼板樁、支護(hù)鋼板樁相互作用的波浪反射、繞射等散射流動(dòng)。在2個(gè)浪向角和不同直立防浪鋼板樁布放方案下,計(jì)算3個(gè)指定支護(hù)鋼板樁所受的波浪力;分析不同布放方案中支護(hù)鋼板樁所受的波浪力變化,從而優(yōu)化防浪鋼板樁減小波浪力的布放方案,為項(xiàng)目施工作業(yè)提供參考。

1 數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)

本文涉及水波與結(jié)構(gòu)物相互作用的波浪傳播問(wèn)題,流體黏性不可壓縮,考慮自由面的影響,計(jì)入重力的作用,流動(dòng)為非定常流動(dòng)。

采用有限體積方法求解RANS控制方程組,湍流模型應(yīng)用SSTk-ω二方程模型,VOF方法捕捉自由面。利用UDF函數(shù)進(jìn)行淺水推板造波,采用PISO算法進(jìn)行壓強(qiáng)與速度的耦合迭代求解,時(shí)間步進(jìn)采用一階隱式格式,其他均采用二階迎風(fēng)格式。

首先建立計(jì)算模型,確定計(jì)算域和初始邊界條件,然后,并將計(jì)算域通過(guò)劃分網(wǎng)格完成流場(chǎng)空間的離散。最后,將網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFD求解器,設(shè)置相關(guān)參數(shù),運(yùn)行求解。

水波與結(jié)構(gòu)物相互作用問(wèn)題是非定常流動(dòng),時(shí)間步長(zhǎng)采用T/1 000 s,T為波浪周期,計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)取10-6。

2 建立數(shù)值模擬模型

2.1 現(xiàn)場(chǎng)波浪參數(shù)

施工現(xiàn)場(chǎng)在沿岸水深較淺,按最大水深取計(jì)算水深h=6 m;波浪參數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)水文資料選擇惡劣環(huán)境,涌浪周期T=18.09 s;波高按照近似達(dá)到極限波高計(jì)算,取波高H=4 m;涌浪傳播方向根據(jù)四季水文資料,考慮施工周期半年以上,取與支護(hù)鋼板樁列夾角為0、37.5°這2個(gè)惡劣周期涌浪出現(xiàn)的浪向。

2.2 建立鋼板樁模型

取水管鋪設(shè)工程施工時(shí),沿取水管線中心線兩側(cè)垂直施打支護(hù)鋼板樁,兩側(cè)支護(hù)鋼板樁樁間距3 m,單次施打長(zhǎng)度約90 m。管線路由被支護(hù)鋼板樁后,通過(guò)抽沙泵進(jìn)行抽沙作業(yè)形成基槽,基槽的寬度和深度均為3 m。將管線等結(jié)構(gòu)物從支護(hù)鋼板樁3 m間距中吊放入基槽。

數(shù)值模擬時(shí),如果將90 m的支護(hù)鋼板樁全部建模,網(wǎng)格數(shù)量將巨大,影響計(jì)算速度?？紤]到如此長(zhǎng)的排列,其中間相當(dāng)長(zhǎng)范圍內(nèi)的支護(hù)鋼板樁的受力特征幾乎是一樣的,為了減小計(jì)算量,實(shí)際計(jì)算模型每側(cè)取11根支護(hù)鋼板樁,長(zhǎng)4.3 m。

支護(hù)鋼板樁和防浪鋼板樁均采用拉森SPII A型鋼板樁,長(zhǎng)、寬、厚分別為400、100、10.5 mm,外形見(jiàn)圖1a)。計(jì)算時(shí),鋼板樁截面簡(jiǎn)化為圖1b)所示的形狀和尺寸。

圖1 鋼板樁模型

直立防浪鋼板樁在支護(hù)鋼板樁外圍起阻擋涌浪的作用,圖1c)顯示了一字布放的防浪鋼板樁與支護(hù)鋼板樁的相對(duì)位置,且為露出水底面以上部分。為了監(jiān)測(cè)支護(hù)鋼板樁的波浪力,將支護(hù)鋼板樁編號(hào),圖1c)中給出了第1、6、11根鋼板樁的位置。

鋼板樁模型除了這里的一字布放的防浪樁模型,還包括:2個(gè)不同浪向下,無(wú)防浪樁模型和其他布放防浪樁方案的模型。

2.3 建立數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算域必須足夠大才能保證計(jì)算精度。

根據(jù)色散關(guān)系式ω2=gktanh(kh)。其中:ω=2π/T為波浪圓頻率,k=2π/L波數(shù),計(jì)算得到涌浪波長(zhǎng)為L(zhǎng)=137.1 m。計(jì)算域的長(zhǎng)、寬尺度根據(jù)波長(zhǎng)L確定。

建立三維推板造波波浪水槽模型,水槽長(zhǎng)1 100 m(約為8倍波長(zhǎng)L),寬15 m(為基槽寬度3 m的5倍),水深為hm,空氣域足夠高度,見(jiàn)圖2。涌浪由水槽左端設(shè)定推板造波,沿x軸正向傳播;鋼板樁和凹槽模型位于數(shù)值波浪水槽的中部。造波推板通過(guò)UDF函數(shù)控制其往復(fù)運(yùn)動(dòng)。邊界條件包括壓力出口、壁面、對(duì)稱(chēng)等邊界條件。

水底面簡(jiǎn)化為等深、水平的面;基槽深3 m,寬3 m,長(zhǎng)度與支護(hù)鋼板樁相同,為4.3 m。

網(wǎng)格劃分時(shí),在自由面附近結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加密,以捕捉自由面波動(dòng),見(jiàn)圖3a)?？紤]波高H=4 m,在自由面上下各H/(2d)的1.5倍范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密,在自由面附近加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸為Δz=H/10;涌浪傳播方向網(wǎng)格尺寸為Δx=L/80。

圖3 網(wǎng)格劃分示意

在鋼板樁附近采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加密見(jiàn)圖3,是因?yàn)殇摪鍢陡浇鲃?dòng)變化快,并且計(jì)算鋼板樁受力需要壁面法向加密的網(wǎng)格。

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)所采用的方法進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。為了比較防浪鋼板樁的減小波浪力效果,模擬2列支護(hù)鋼板樁在無(wú)防浪鋼板樁條件下,與2個(gè)浪向0°、37.5°傳播的涌浪相互作用,計(jì)算指定支護(hù)鋼板樁的波浪力。然后,增加防浪鋼板樁,在2個(gè)浪向角下、采用不同防浪樁布放方案,模擬涌浪通過(guò)防浪鋼板樁和支護(hù)鋼板樁的傳播,計(jì)算指定支護(hù)樁的波浪力,并分析波浪力的改善情況。

另外,支護(hù)鋼板樁受波浪力作用的部分,一段在水底面下3 m深的基槽中,一段在水底面以上6 m深的水中。在數(shù)值模擬流動(dòng)的過(guò)程中,分別監(jiān)測(cè)了這2段的波浪力。主要分析支護(hù)鋼板樁水底面以上部分所受的波浪力。

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采取成熟的CFD軟件展開(kāi)涌浪與鋼板樁相互作用的數(shù)值模擬,影響其計(jì)算精度的主要因素包括計(jì)算域大小、劃分網(wǎng)格尺度和邊界條件。

為了驗(yàn)證計(jì)算精度,以浪向角0°、無(wú)防浪樁、挖掘了基槽的2列支護(hù)樁工況為例,改變鋼板樁附近網(wǎng)格密度,劃分3種疏密程度不同網(wǎng)格,稀網(wǎng)格數(shù)量約270萬(wàn),中等網(wǎng)格數(shù)量約309萬(wàn),密網(wǎng)格數(shù)量約367萬(wàn)。

3種網(wǎng)格數(shù)量下,第1根支護(hù)鋼板樁在x、y方向波浪力Fx和Fy的時(shí)歷曲線見(jiàn)圖4。

圖4 第1根鋼板樁三種網(wǎng)格計(jì)算的波浪力比較

從圖4可見(jiàn),圖中的3條時(shí)歷曲線幾乎重合。也就是說(shuō),雖然網(wǎng)格數(shù)量差別較大,但計(jì)算結(jié)果已經(jīng)重合。這表明,3種疏密程度不同的網(wǎng)格劃分均達(dá)到計(jì)算精度的要求,采用309萬(wàn)網(wǎng)格劃分方法。

3.2 無(wú)防浪鋼板樁計(jì)算

在添加防浪鋼板樁之前,先數(shù)值模擬2個(gè)浪向下,涌浪與2列支護(hù)鋼板樁相互作用。

浪向角0°、37.5°的涌浪在兩列支護(hù)鋼板樁中傳播的某一瞬時(shí)的自由波面數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),在到達(dá)鋼板樁前,涌浪波形已經(jīng)穩(wěn)定。這也說(shuō)明,本文數(shù)值波浪水池的尺度合適。圖5b)中浪向角37.5°是將支護(hù)鋼板樁轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度實(shí)現(xiàn)的。

圖5 涌浪在支護(hù)鋼板樁中傳播的數(shù)值模擬波面

而支護(hù)鋼板樁的波浪力在后續(xù)與有防浪鋼板樁比較的時(shí)候給出。波浪力的方向與圖2中坐標(biāo)系方向一致,以下均相同。

3.3 浪向角0°防浪鋼板樁計(jì)算

浪向角0°是指涌浪傳播方向與支護(hù)鋼板樁列平行的情況。防浪鋼板樁先從簡(jiǎn)單的一字形布放進(jìn)行流場(chǎng)模擬和波浪力分析,在此基礎(chǔ)上展開(kāi)2種折角防浪鋼板樁和L形防浪鋼板樁的流動(dòng)模擬和波浪力計(jì)算。

3.3.1 一字形防浪鋼板樁

最簡(jiǎn)單的防浪形式就是在上游一字形布放防浪鋼板樁,計(jì)算模型見(jiàn)圖6。討論一字形的長(zhǎng)度和其與支護(hù)鋼板樁間距的影響。間距取1 m和3 m,長(zhǎng)度取4 m和8 m,組合出4個(gè)模型,編號(hào)分別為1-4、3-4、1-8和3-8。

圖6 一字形布放防浪樁的模型示意

浪向角0°時(shí),由于防護(hù)鋼板樁和支護(hù)鋼板樁幾何對(duì)稱(chēng),從圖7a)的無(wú)防浪樁模型、圖7b)的圖6c)1-8模型展示在t=158 s瞬時(shí)(數(shù)值模擬計(jì)算停止的時(shí)間)的自由面速度云圖可見(jiàn),流動(dòng)也具有對(duì)稱(chēng)性。因此,僅選擇左側(cè)的支護(hù)鋼板樁分析波浪力。

圖7 t=158 s時(shí)波面速度云圖

選取左側(cè)有代表性的第1、6、11支護(hù)鋼板樁進(jìn)行波浪力計(jì)算和分析,第1、11根位于樁首尾,反映樁列首尾三維流動(dòng)效應(yīng),第6根居中。

以第1根支護(hù)鋼板樁為例,波浪力時(shí)歷曲線見(jiàn)圖8。

圖8 第1根支護(hù)鋼板樁波浪力Fx和Fy的時(shí)歷曲線

從圖8可見(jiàn),數(shù)值造波經(jīng)過(guò)超過(guò)50 s之后傳播至鋼板樁,使鋼板樁受波浪作用。鋼板樁波浪力在經(jīng)過(guò)2～3個(gè)波形后達(dá)到穩(wěn)定。將波浪力波形穩(wěn)定后的波峰、波谷分別平均,得到波浪力的最大值和最小值。

波浪力的方向與圖2中的坐標(biāo)系方向一致,y軸負(fù)方向的波浪力會(huì)導(dǎo)致支護(hù)鋼板樁向基槽傾斜,嚴(yán)重時(shí)阻礙取水管線的吊放。重點(diǎn)關(guān)注負(fù)向Fy的最小值的變化。

第1、6、11支護(hù)鋼板樁在無(wú)防浪樁模型和4個(gè)一字形防浪樁模型下所受到的波浪力Fy和Fx的最大值和最小值見(jiàn)表1,正負(fù)號(hào)代表力的方向。

表1 一字布放方案下指定鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 kN

由表1可見(jiàn),在間距相同的情況下,1-8模型的Fy值優(yōu)于1-4,3-8模型Fy值優(yōu)于3-4,這說(shuō)明防浪樁越長(zhǎng)越有利于防浪。后續(xù)改進(jìn)考慮較長(zhǎng)的防浪樁長(zhǎng)度。在長(zhǎng)度相同的情況下,1-8模型與3-8模型相比,1-8模型的Fy正值優(yōu)于3-8模型;兩者Fy負(fù)值比較接近。說(shuō)明1 m間距有利,但是模型還需要改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上,后續(xù)改進(jìn)模型間距采用1 m。表2給出的波浪力Fx遠(yuǎn)小于Fy,并且支護(hù)樁在這個(gè)方向連續(xù)排列,難于產(chǎn)生搖晃運(yùn)動(dòng),后續(xù)不再給出此方向的波浪力。

表2 一字布放方案下指定鋼板樁所受波浪力Fx的最大值和最小值 kN

將8 m長(zhǎng)模型兩端折彎,構(gòu)造出首折角和首尾雙折角2種折角防浪鋼板樁模型,但是因?yàn)槿匀粵](méi)有達(dá)到滿(mǎn)意的減小波浪力效果;直接將防浪樁加長(zhǎng)成L形,才對(duì)支護(hù)鋼板樁的波浪力減小到顯著的程度。

3.3.2 首折角防浪鋼板樁和L形防浪鋼板樁

①首折角防浪樁模型。將8 m長(zhǎng)模型分成3段:5 m長(zhǎng)度保持一字形不變,兩端各1.5 m折成30°角,形成折角形狀,布放在支護(hù)樁上游,見(jiàn)圖9a)。②L形防浪樁模型。保持首折角模型5 m長(zhǎng)度不變,兩端折成90°角,與支護(hù)樁平行和相等長(zhǎng)度,見(jiàn)圖9b)。圖9中考慮模型和流動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性,以及節(jié)約計(jì)算時(shí)間,計(jì)算模型取一半。

圖9 改進(jìn)的防浪鋼板樁模型和局部網(wǎng)格加密

表3和表4分別給出了在首折角、雙折角和L形防浪樁下第1、6、11支護(hù)鋼板樁所受到的波浪力Fy和Fx的最大值和最小值見(jiàn)表3、4。

表3 改進(jìn)布放方案下支護(hù)鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 單位:kN

表4 左側(cè)支護(hù)鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 kN

由表3可見(jiàn),與無(wú)防浪模型相比,在改進(jìn)的防浪樁模型之中,L形模型的Fy最大值均為正值且有所增加,對(duì)支護(hù)樁穩(wěn)定性有利;Fy最小值的最低值和平均值均獲得明顯改善,最低值改善比率為41.7%,平均值改善比率為60.6%,說(shuō)明該L形防浪樁布放方案可行。

3.4 浪向角37.5°防浪鋼板樁計(jì)算

0°浪向角防浪樁多方案計(jì)算結(jié)果表明,L形防浪樁模型有效,所以當(dāng)浪向角為37.5°時(shí),防浪樁直接采用L形。即將浪向角0°的無(wú)防浪樁和布放L形防浪樁的模型逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)37.5°,見(jiàn)圖10。

圖10 浪向角為37.5°時(shí)兩個(gè)計(jì)算模型局部

左側(cè)第1根和右側(cè)第1根指定支護(hù)鋼板樁在浪向角37.5°時(shí),無(wú)防浪樁和布放L形防浪樁下,其波浪力Fy時(shí)歷曲線見(jiàn)圖11、12。取穩(wěn)定曲線的峰值、谷值分別平均得最大值、最小值。

圖11 左側(cè)第1根支護(hù)樁浪向角37.5°無(wú)防浪樁、有L形防浪樁下Fy的時(shí)歷曲線

圖12 右側(cè)第1根支護(hù)樁浪向角37.5°無(wú)防浪樁、有L形防浪樁下Fy的時(shí)歷曲線

浪向角37.5°、無(wú)防浪樁和有L形防浪樁下左、右兩側(cè)第1、6、11支護(hù)鋼板樁所受到的波浪力Fy的最大值和最小值見(jiàn)表4、5。

從表4可見(jiàn),與無(wú)防浪模型相比,L形防浪樁模型的Fy最大值均為正值且有所增加,對(duì)支護(hù)樁穩(wěn)定性有利;Fy最小值的最低值和平均值均獲得明顯改善。最低值改善比率為79.1%,平均值改善比率為77.5%。這說(shuō)明該L形防浪樁布放方案有顯著的降低波浪力的作用。

從表5可見(jiàn),與無(wú)防浪模型相比,L形防浪樁模型的Fy最大值有減小但仍然均為正值;Fy最小值的最低值和平均值均獲得明顯改善。最低值改善比率為81.6%,平均值改善比率為78.7%。波浪力平均值的變化同樣說(shuō)明該L形防浪樁布放方案有顯著的降低波浪力的作用。

表5 右側(cè)支護(hù)鋼板樁所受波浪力Fy的最大值和最小值 kN

4 結(jié)論

浪向角為0°時(shí),布放方案采用一字形、首折角形、雙折角形和L形;浪向角為37.5°時(shí)布放方案直接采取L形。支護(hù)樁波浪力分析結(jié)果表明,在兩個(gè)浪向角下,L形布放防浪樁能明顯降低支護(hù)鋼板樁向基槽傾斜的波浪力。