規則波作用下準橢圓沉箱群墩波浪力試驗分析

任效忠，于博，馬玉祥，郭為軍，孟宇凡，吳迪

(1.連九成市政設計有限公司，遼寧 大連 116000;2.大連中交理工交通技術研究院有限公司，遼寧 大連 116000; 3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 4.大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連 116000)

規則波作用下準橢圓沉箱群墩波浪力試驗分析

任效忠1，于博2，馬玉祥3，郭為軍4，孟宇凡1，吳迪1

(1.連九成市政設計有限公司，遼寧 大連 116000;2.大連中交理工交通技術研究院有限公司，遼寧 大連 116000; 3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 4.大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連 116000)

為了更好地推廣準橢圓箱結構形式，了解該結構的水動力特性，采用物理模型試驗研究規則波對準橢圓沉箱群墩結構的波浪力，結果表明，與正向波浪力相比，群墩效應對橫向波浪力的影響更大，結構側壁開孔對消減沉箱橫向力效果明顯，但對消減沉箱正向力作用有限，對大型結構準橢圓沉箱，波浪非線性的影響不容忽視，群墩代替單墩進行準橢圓沉箱的水動力研究與設計是必要的。

準橢圓沉箱;波浪力;群墩效應系數

大宗商品的遠距離交易以及我國海洋發展戰略推動了航運業船舶向大型化發展，專業的開敞式深水碼頭需求穩步增加［1］。樁基梁板式、墩式引橋結構、導管框架結構、重力墩式碼頭等結構型式是開敞式深水碼頭的常見結構形式［2］，而重力墩式碼頭始終是開敞式深水碼頭優先使用的結構形式，尤其是軟基處理技術快速發展的特點，重力墩式碼頭的應用空間更為廣闊。

開敞式深水碼頭結構形式具備結構整體性好、堅固耐久、抗冰凍性能和抗震性能好的特點，這正是重力墩式碼頭的突出優勢。此外，重力墩式碼頭能承受較大荷載，施工周期短，采用陸上預制、下水拖運、現場安放，水下施工量及后期維護工程量都較少，且施工質量有保證。

準橢圓沉箱［3-4］作為新型深水開敞式碼頭結構形式，其水平斷面由前后兩個半圓和中間矩形構成，突破了以往多為圓沉箱的結構形式。與傳統的圓沉箱結構相比較，它在使用性能、安全性能以及經濟性方面都有優勢。采用準橢圓沉箱較采用一個大型圓沉箱對應的強浪方向上的斷面小，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濟效益，有良好的推廣應用前景［5］。

圓沉箱從解析解、數值解到試驗研究，學者做了相關的研究工作［6-11］，不開孔與開孔結構都取得了可以推廣應用的研究成果。針對準橢圓沉箱的水動力特性研究還處于起步階段，相關的研究有基于二維源分布法建立數值計算方法用于計算準橢圓沉箱單墩波浪力［12-13］，同時成功發展了準橢圓沉箱單墩波浪力的三維數值模型［14-15］。目前，這些計算還局限于單個準橢圓沉箱，而工程實際應用準橢圓沉箱以群墩形式排列。為此，在已有的研究基礎上，對準橢圓沉箱群墩進行物理模型試驗，研究規則波作用下的水平波浪力，通過對單墩與群墩波浪力時間過程的頻譜分析揭示產生群墩效應的機理，經過試驗分析不同試驗條件下群墩效應的影響及規律，供設計與工程推廣應用參考。

1 試驗設計

大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的海洋環境水槽為模型試驗提供造波條件。試驗水槽長50 m，寬3 m，深1 m，水槽前端配有液壓伺服推板式造波機系統，計算機控制造波與數據采集，水槽的末端設有消能裝置，消除波浪反射，保證試驗數據的真實性。試驗模型安放在水槽軸線上的后半部，避免模型受到造波機和消能設施的影響，見圖1。

圖1 試驗設備示意

依據實際工程以1∶50縮微作為試驗的模型尺度。模型采用尺寸:半圓直徑d取28.2 cm，矩形長d取28.2 cm，寬B取17.8 cm，沉箱高度為47.2 cm。沉箱相對長寬比B/d采用0.63。考慮到沉箱迎浪面的強度要求與減小沉箱間波浪壅高的需要，沉箱側壁開上下兩排正方形孔，孔的邊長為5 cm。試驗模型見圖2。

圖2 模型示意

相對間距通過調整側面沉箱與中間測力沉箱之間的間距，入射波向通過調整群墩軸向的迎浪角度。雙向測力天平(中國船舶集團無錫702所生產)測定居中準橢圓沉箱長短軸方向的波浪力，試驗設計中雙向測力天平下端固定在測力模型上，上端固定在足夠剛度的鋼架上。

2 試驗結果與分析

2．1 規則波波浪力時間過程線分析

圖3 準橢圓沉箱群墩和波浪力示意

圖4、5為單墩試驗結果。圖4顯示波面和波浪力的歷時曲線，圖5是波面和波浪力對應的振幅譜分析結果。試驗組次采樣時長為20.46 s，圖中為20 s采樣時間的歷時曲線。

圖4 開孔準橢圓沉箱單墩規則波作用下波面和波浪力歷時曲線

由圖4、5可見:正向波浪力歷時曲線與波面歷時曲線形狀相似，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。由于相對波高H/d較大，波浪呈現較強的非線性特征，二階頻率影響不容忽視，高階頻率對正向力的影響較小。橫向波浪力歷時曲線與波面歷時曲線形狀不同，波浪遇到結構物而發生變形，伴隨頻率色散有高階頻率波的出現，因此橫向波浪力歷時曲線呈現鋸齒形雙峰現象。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，高階頻率對其有影響。

圖5 開孔準橢圓沉箱單墩規則波波面和波浪力振幅譜

圖6、7群墩試驗結果顯示:正向波浪力歷時曲線與波面歷時曲線比較，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曲線形狀、周期、譜形狀、譜峰頻率、波浪非線性影響的規律基本一致，無明顯變化。

圖6 開孔準橢圓沉箱群墩規則波作用下波面和波浪力歷時曲線

橫向波浪力歷時曲線與波面歷時曲線形狀呈現出很大區別，兩側沉箱對中間沉箱波浪反射的影響使得沉箱群墩間存在橫向波，沉箱群墩間存在復雜流場，橫向波浪力歷時曲線多峰現象明顯，橫向波浪力周期比入射波浪周期短。譜分析發現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多個頻率，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，且高階頻率影響很大。

圖7 開孔準橢圓沉箱群墩規則波波面和波浪力振幅譜

群墩與單墩相比，沉箱迎浪面流場變化不大，沉箱側面周圍流場有較大區別，譜分析發現群墩橫向波浪力出現多個頻率。與正向波浪力相比，群墩效應對橫向波浪力的影響更大。在研究準橢圓沉箱這種大結構時，需要考慮波浪非線性的影響;群墩與單墩在受力、流場等方面特征不同，尤其是作用于沉箱上的橫向力與沉箱側壁附近流場，群墩代替單墩進行準橢圓沉箱的水動力研究與設計是必要的。

2．2 群墩效應系數

圖8和圖9給出波浪以β=0°和β=22.5°入射時，規則波群墩效應系數隨相對沉箱寬度變化的試驗分析結果。橫坐標KD為相對沉箱寬度，縱坐標為群墩效應系數。實心圖例和實線是不開孔的試驗分析結果;空心圖例和虛線為開孔的試驗分析結果。

圖8 群墩效應系數與相對沉箱寬度的關系(β=0o，H/d=0．323)

圖9 群墩效應系數與相對沉箱寬度的關系(β=22．5o，H/d=0．323)

3 結論

1)群墩效應對群墩間的流場改變較大，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，且高階頻率產生顯著影響。

2)對大型結構準橢圓沉箱，波浪非線性的影響不容忽視，群墩代替單墩進行準橢圓沉箱的水動力研究與設計是必要的。

3)關于準橢圓沉箱的水動力特性需要進行系統研究，需考慮不規則波的作用，完善非線性波浪與復雜三維結構物相互作用的三維時域數值模型，為該結構形式的推廣應用提供更好的技術支持。

［1］謝偉，陸超.淺析我國海洋發展戰略及未來船舶發展趨勢［J］.船海工程，2013，42(3):127-132.

［2］吳濤，孫樹民.深水開敞式碼頭結構型式的發展概況［J］.廣東造船，2001，20(3):49-51.

［3］白景濤，胡家順.橢圓沉箱墩式碼頭新結構的研究與設計［J］.水運工程，2006(11):25-30.

［4］張志明，胡家順，鄭小楠，等.青島港董家口港區40萬t礦石碼頭設計關鍵技術［J］.水運工程，2011(9): 61-67.

［5］董中亞.橢圓沉箱浮游穩定的計算法［J］.水運工程，2008(1):53-59.

［6］MACCAMY R C，FUCHS R A.Wave forces on piles:a diffraction theory［R］.Tech.Mem.，69，US Army Coastal Engineering Research Center，1954.

［7］趙海濤，滕斌，李廣偉，等.豎直截斷圓柱一階波浪力的實驗研究［J］.中國海洋平臺，2003，18(4):12-17.

［8］孫路.波浪對外壁開孔雙圓筒結構的作用［D］.大連:大連理工大學，2005.

［9］王俊杰，王連堂.大尺度墩柱上的波浪力的Nystrom數值模型［J］.水科學進展，2009，20(1):124-128.

［10］張志明，朱小松，周豐.波浪作用下大型開敞式圓沉箱墩式碼頭前波峰面高度研究［J］.中國港灣建設，2011(3):20-26.

［11］張婷，賀捷，黃錦林.海洋平臺波浪荷載數值模擬研究［J］.船海工程，2013，42(5):150-154.

［12］任效忠，王永學，王國玉.不規則波作用下準橢圓沉箱單墩的波浪荷載［J］.船海工程，2009，38(1):85-89.

［13］任效忠，孟宇凡，張鵬，等.規則波作用下準橢圓沉箱單墩波浪力的計算與分析［J］.商品與質量:建筑與發展，2014，35(5):56-57.

［14］WANG Yong-xue，REN Xiao-zhong，WANG Guo-yu. Numerical simulation of nonlinear wave force on a quasi-ellipse caisson［J］.Journal of Science and Application，2011，10(3):265-271.

［15］WANG Yong-xue，REN Xiao-zhong，DONG Ping，et al. Three-dimensional numerical simulation of wave interaction with perforated quasi-ellipse caisson［J］.Water Science and Engineering，2011，4(1):46-60.

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

國家自然科學基金(51109032);交通運輸部應用基礎研究項目(2013329225240)

任效忠(1981-)，男，博士，工程師

研究方向:海洋工程設計與研究

E-mail:renxiaozhong2000@163.com