承臺對群樁-承臺結構水動力特性的影響研究

唐自航， 祝 兵

(西南交通大學橋梁工程系，四川成都 610031)

根據波浪傳播方向與群樁中心連線的方向的夾角，通常把群樁的布置分成縱向串列、橫向并列和傾斜布置三種基本形式，群樁的布置形式會顯著影響樁所受到的波浪荷載。國內的學者開展了許多實驗來研究群樁效應，主要研究在雙樁串列、并列和三樁串列、并列等幾種情況下，群樁效應系數KG隨群樁數量、群樁布置形式、相對樁距和KC數等影響因素的變化規律[1-5]。群樁效應系數KG是以單根樁的受力為基準，群樁結構中各組成樁所受的力與單樁所受的力的比值。

但以上的研究都只針對于群樁結構，而沒有考慮承臺對群樁效應的影響，但在實際的跨海橋梁中，下部結構總是以群樁-承臺結構這一形式存在。由于承臺尺寸相比于樁徑大很多，會對作用在樁上的波浪力的大小產生顯著影響，因此群樁-承臺結構實際的群樁效應，與以上研究得出的結論相比，會有較大差別。此外，國內外學者在研究近海工程的問題時，大都采用物理模擬來研究和解決問題。但實驗水槽等的建立占用場地面積較大，相關的配套設施設備的價格高昂，導致科研成本很高。不僅如此，實驗水槽的結果的準確性也受制于物理尺度、實驗設備和測量儀器等因素。

本文在對群樁水動力特性現有研究的基礎上，建立了群樁結構的三維數值模型，運用FLOW-3D進行數值模擬計算，得到了群樁效應系數KG隨KC數的變化曲線，結果與相同條件下實驗室的實測數據高度吻合，充分證明本文采用的數值模擬方法是準確可靠的。在此基礎上，建立了群樁-承臺結構的三維數值波浪水槽，并通過改變承臺淹沒系數以研究其對群樁-承臺結構的水動力特性的影響。

1 數值波浪水槽模型

1.1 控制方程

在使用FLOW-3D軟件進行數值模擬時，將波浪視作不可壓縮的黏性牛頓流體。控制方程由連續性方程和動量方程構成， FLOW-3D軟件采用了FAVOR技術，因此分別在連續性方程式(1)和動量方程式(2)～式(4)中加入體積參數和面積參數，控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量；Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向上的流動面積分數；Gx、Gy、Gz分別表示在x、y、z方向上的重力加速度分量；P表示波壓力；ρ表示流體密度；VF表示體積分數；fx、fy、fz分別為x、y、z方向上粘性力引起的加速度分量。

1.2 湍流模型

本文采用k-ε湍流模型實現對上述方程的封閉，以保證波浪結構相互作用的計算的準確性。在方程中加入體積參數和面積參數，具體如下：

(5)

(6)

式中：kT表示湍動動能；εT表示湍動耗散率；PT則表示速度梯度引起的湍流動能產生項；C1、C2、C3為常數，其值分別取為1.44、1.92和0.2；DkT與Dε表示擴散項。

1.3 自由液面追蹤與邊界條件

在建立數值水槽時，采用VOF法來進行自由液面追蹤。

邊界條件的設置是建立數值水槽的關鍵之一，本次數值水槽采用的邊界條件如下：

(1)入流邊界：采用速度入口法造波。

(2)出流邊界：采用Sommerfeld輻射邊界條件消波。

(3)對稱邊界：在數值水槽的左右兩側和水槽的頂面采用對稱邊界。

(4)壁面邊界：水槽的底面邊界采用粗糙壁面邊界，且為非滑移邊界。

(5)自由液面：水槽的動力學邊界條件取P等于大氣壓強P0，自由液面切應力取為0。

2 數值波浪水槽的驗證

基于Bonakdar[6]于2014年對群樁結構的群樁效應進行的水槽實驗，使用FLOW-3D建立結構物的數值水槽，將計算結果與實驗數據進行對比，從而驗證結構物數值模擬的可行性及準確性。實驗水槽的具體設置和波浪參數參見文獻[6]。

2.1 群樁布置形式

群樁布置形式如圖1所示。

(a) 橫向并列

(b) 縱向串列圖1 群樁布置形式

2.2 相對樁距

相對樁距SG/D定義為相鄰兩根樁的外表面距離SG和樁的直徑D之比。在此次驗證過程中，僅選擇相對樁距為1的情況進行分析。

2.3 數值水槽設置

數值水槽的長、寬、高尺寸分別為5 m、1.5 m、1 m。群樁結構的中心點位于距離入流邊界1 m處，同時也處于水槽長度方向的中心軸上。

2.4 數值模擬結果與實驗結果對比

通過數值模擬得到群樁中組成樁的最大波浪力，再與單樁的最大波浪力相除可以得到隨KC數變化的群樁效應系數KG曲線，并與實驗結果比較(圖2)。

(a)群樁結構橫向并列布置

(b)群樁結構縱向串列布置圖2 數值模擬與實驗群樁效應系數KG對比

由圖2可知：在群樁結構的布置形式分別為橫向并列、縱向串列兩種情況下，數值模擬的結果與實驗結果吻合性良好，充分證明數值模擬方法研究結構物所受的波浪力作用是可行的。

3 計算結果與討論

為了研究承臺淹沒系數對群樁-承臺結構水動力特性的影響，在相同的波浪參數和不同承臺淹沒系數下進行數值模擬。共選取12組波浪進行模擬，具體波浪參數如表1所示。

表1 波浪參數

波浪參數輸入時，波浪加載時長統一取為波浪周期的10倍，以保證數值模擬計算結果的準確性。

當下部群樁的布置為橫向并列，且相對樁距分別為0.5、0.75和1以及承臺淹沒系數分別為0、1和2時的群樁效應系數KG曲線如圖3所示。

(a)相對樁距=0.5

(b)相對樁距=0.75

(c) 相對樁距=1圖3 橫向并列時不同承臺淹沒系數下群樁效應系數KG曲線

由圖3可知：(1)當相對樁距為0.5或1，承臺淹沒系數的增大使得群樁效應系數KG減小。(2)當相對樁距為0.75，0

當下部群樁的布置為縱向串列時，且相對樁距分別為0.5、0.75和1以及承臺淹沒系數分別為0、1和2時的群樁效應系數KG曲線如圖4所示。

(a) 相對樁距=0.5

(b)相對樁距=0.75

(c) 相對樁距=1圖4 縱向串列時不同承臺淹沒系數下群樁效應系數KG曲線

由圖4可知：(1)相對樁距為0.5及1時，在數值模擬所取KC數范圍內，即0

為了簡單分析承臺淹沒系數的改變對水動力特性的影響，圖5給出了群樁結構為橫向并列時，某一波峰經過時間內組成樁周邊的波壓力圖及波面圖。

圖5表示下部群樁布置為橫向并列、相對樁距為1，且KC數為42.84，承臺淹沒系數Cs為別為0和1時，群樁-承臺結構的組成樁在一個波峰時間內(t=4.2～5.6 s)的波壓力和波面圖，其中波浪的傳播方向為從左到右。由圖5可知：承臺淹沒系數的改變會對群樁所受到的波浪力產生很大的影響。對比圖5(b)、圖5(c)可以發現，在其他條件相同時，由于靜水面的提高，會使得群樁結構周圍波壓力在整體上都有所增大，從而影響了各組成樁所受波浪力的大小，而這一影響會反映在群樁效應系數的改變上。

4 結論

本文采用數值模擬的方法研究承臺淹沒系數對群樁-承臺結構水動力特性的影響，主要考察群樁效應系數KG隨承臺淹沒系數的變化規律。

(1)本文所建立的群樁結構的三維數值模型的計算結果與之前實驗室的實驗數據高度吻合，充分證明計算模型是準確可靠的，因而可以采用數值模擬的方式來研究群樁-承臺結構的水動力特性。

(a)圖例

(b)CS=0時波壓力圖

(c)CS=1時波壓力圖

(d)CS=0時波面圖

(e)CS=1時波面圖圖5 CS=0及CS=1時波壓力圖、波面圖

(2)承臺淹沒系數的改變會對群樁效應系數KG產生影響，且群樁分別在并列和串列兩種不同布置時，承臺淹沒系數

的改變對群樁效應系數KG所產生的影響略有不同。

(3)承臺的存在對群樁效應系數KG有很大的影響，在研究樁群效應對海上橋梁群樁-承臺結構中各組成樁的波浪力的影響時，建議考慮承臺對群樁效應的影響。

[1] 俞聿修，張寧川. 雙樁樁列上的不規則波浪力[J]. 大連理工大學學報，1988(1)：103-112.

[2] 俞聿修，張寧川. 三樁樁列上的不規則波浪力[J]. 中國港灣建設，1989(3)：1-7.

[3] 張寧川，俞聿修. 隨機波浪作用于三樁樁列上的橫向力的水動力特征及群樁效應[C]// 全國海岸工程學術討論會, 1993.

[4] 李玉成，王鳳龍. 作用于串列雙樁樁列上的波流力[J]. 水動力學研究與進展，1992(2)：141-149.

[5] 李玉成，王鳳龍，王洪榮. 作用于并列雙樁樁列上的波流力[J]. 海洋學報，1992，14(2)：106-121.

[6] Bonakdar L, Oumeraci H. Pile group effect on the wave loading of a slender pile: A small-scale model study[J]. Ocean Engineering, 2015, 108: 449-461.

[7] Bonakdar L, Pile group effect on the wave loading of a slender pile[D]. TU Braunschweig, Germany 978-3-86948-383-2, 2014.

[8] 高學平，曾廣冬，張亞. 不規則波浪數值水槽的造波和阻尼消波[J]. 海洋學報，2002，24(2)：127-132.