施工期強(qiáng)越浪作用下圍區(qū)板樁墻預(yù)留龍口局部沖刷研究

沈立龍,趙東梁，馮先導(dǎo)

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040;3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040;4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和土地資源的緊缺，大型圍海造陸工程日益增多。當(dāng)圍堤不斷進(jìn)占形成圍區(qū)時，為了防止惡劣海況下強(qiáng)越浪水體或內(nèi)部吹填砂時造成圍區(qū)水位增高，進(jìn)而威脅工程和施工安全，常在堤線上預(yù)留一個龍口讓多余水體自由排出。而龍口區(qū)域?qū)儆诹魉袤E然增大的區(qū)域，其流態(tài)復(fù)雜、流場紊亂。

擾動的水流易引起漩渦沖蝕龍口周圍海床，導(dǎo)致河床下切、基底床沙被淘空等，進(jìn)而降低龍口兩側(cè)結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)承載力和結(jié)構(gòu)安全性[1-2]，因此，研究龍口周圍的局部沖刷十分重要。

目前，結(jié)構(gòu)物局部沖刷的大量研究多集中于橋墩、丁壩、管線、防波堤等結(jié)構(gòu)物[3-7]，涉及龍口的研究多在圍海堵口或河道截流等工程合龍施工技術(shù)方面[8-9]，而水動力特性與局部沖刷研究相對較少，尤其針對板樁墻等直立結(jié)構(gòu)上預(yù)留的排水龍口結(jié)構(gòu)。

為研究施工期強(qiáng)越浪作用下圍區(qū)板樁墻預(yù)留龍口局部沖刷特性，依托海外某大型圍海造陸港口工程，借助 CFD 軟件，建立了龍口沖刷模型，分析了龍口區(qū)域流場分布規(guī)律和局部沖刷特點(diǎn)，為降低沖刷程度和減少泥沙的流失提供了針對性建議，可為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

某海外大型圍海造陸港口工程主要包含1 480 m LEE防波堤、443 m高樁碼頭和800 m鋼板樁碼頭，中間為吹填陸域區(qū)。施工期間，由LEE防波堤、高樁碼頭后方沉箱和板樁碼頭的前板樁墻共同圍成圍區(qū)(圖1)，排水龍口布置在板樁碼頭的前板樁墻約中部位置，前板樁墻由AZ樁和HZ樁相扣組合而成，排水龍口總寬度為20 m，龍口節(jié)段僅施打前沿HZ型主樁，預(yù)留HZ樁間的12組AZ板樁不施工，以形成排水龍口(圖2)，施工中為保證弱軸方向剛度，HZ樁頂端采用橫梁加固。除龍口節(jié)段外，兩側(cè)均為封閉的HZ樁+AZ樁的板樁墻。

圖1 海外某大型圍海造陸港口工程施工中鳥瞰圖

圖2 排水龍口結(jié)構(gòu)

港口工程地處地中海東岸，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷牡刂泻＜撅L(fēng)氣候，季風(fēng)期間(11月—次年3月)極端波況頻發(fā)，以風(fēng)浪作用為主導(dǎo)，有效波高可達(dá)3.5 m以上。季風(fēng)期間強(qiáng)越浪水體主要通過LEE防波堤和沉箱頂部進(jìn)入圍區(qū)。為減少越浪量，LEE堤和沉箱頂部提前放置一排混凝土預(yù)制塊。強(qiáng)浪越進(jìn)圍區(qū)后引起內(nèi)部水位增高，增多水體主要通過龍口排出圍區(qū)，此時會造成龍口流速驟然增大，且不同時刻越浪量不同，造成龍口流速大小不一，流場復(fù)雜、混亂，進(jìn)而加劇龍口局部沖刷。龍口流速主要通過越浪量求得，即簡化為單位時間越浪量除以過水面積。根據(jù)《海港水文規(guī)范》[10]，越浪量可采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Q為單位時間單位堤寬的越浪量(m3·m-1·s-1)；H′c為胸墻墻頂在靜水面以上的高度(m)；H為有效波波高(m)；b1為胸墻前肩寬(m)；B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)；Tp為譜峰周期(s)；m為斜坡坡度系數(shù)；d為建筑物前水深(m)；g為重力加速度(ms2)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

連續(xù)性方程：

(2)

動量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向上的流速分量；Gx、Gy、Gz分別為x、y、z方向上的體加速度；Ax、Ay、Zz分別為x、y、z方向上流體面積分?jǐn)?shù)；fx、fy、fz分別為x、y、z方向上的黏滯力加速度;VF為流體的體積分?jǐn)?shù);p為作用在流體微元上的壓強(qiáng)；ρ為流體密度；t為時間。

2.2 RNG k-ε模型

對于湍流情況，采用RNGk-ε模型。RNGk-ε模型是k-ε模型的改進(jìn)方案，由Yakhot和Orzag[11]提出，在RNGk-ε模型中，通過在大尺度運(yùn)動和修正后的黏度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運(yùn)動系統(tǒng)地從控制方程中去除。RNGk-ε模型能更好地計(jì)算具有剪切力的流體區(qū)域，適用于水流對泥沙造成局部沖刷的模擬運(yùn)算。其表達(dá)式如下：

(6)

(7)

2.3 泥沙運(yùn)動方程

泥沙運(yùn)動方程參考文獻(xiàn)[12-13]，推移質(zhì)輸沙律方程和懸移質(zhì)輸沙方程表達(dá)式為：

(8)

(9)

τ=0.5cp(u21+u22+u23)

(10)

τcv=φ(ρc-ρ)gd

(11)

式中:c為常系數(shù)，取值為 0.19;u1、u2、u3分別為海床表面附近水平、垂向和橫向脈動流速;ρ為水的密度;ρc為泥沙密度;φ為臨界希爾茲參數(shù)。

2.4 模型搭建

根據(jù)工程現(xiàn)場龍口實(shí)際尺寸建立計(jì)算模型，見圖3。圖中h1為海床面至水面深度,h2為砂層厚度，L1為模型長度，L2為模型寬度。龍口尺寸與工程現(xiàn)場保持一致，HZ樁寬度為0.46 m，間距為1.787 m，擋砂結(jié)構(gòu)高度3 m。計(jì)算水深為h1=7 m。

圖3 龍口結(jié)構(gòu)

計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置為速度入口邊界，左右均設(shè)置為對稱邊界，計(jì)算域頂部設(shè)置為指定壓力邊界，模型網(wǎng)格尺寸為0.3 m，局部進(jìn)行一定加密處理。

因圍區(qū)內(nèi)部屬于吹填區(qū)，砂質(zhì)較為松散，施工期在強(qiáng)越浪作用和內(nèi)部吹填砂時，部分砂會隨水體流出圍區(qū)。為了降低損失，在龍口區(qū)域HZ樁間布置多個擋砂結(jié)構(gòu)。擋砂結(jié)構(gòu)通過自身卡槽與兩側(cè)HZ樁相連，通過鐵鏈懸吊著緩緩下放至海床面固定，并將鐵鏈系在龍口頂部橫梁上，以便后期擋砂結(jié)構(gòu)拆除或調(diào)整其高度。

設(shè)定未布置擋砂結(jié)構(gòu)的工況為工況a，布置擋砂結(jié)構(gòu)的工況為工況b，數(shù)值計(jì)算模型見圖4。

圖4 龍口周圍海床沖刷計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

流場分布規(guī)律主要受制于龍口的結(jié)構(gòu)形式，而流場的變化反過來會影響作用于結(jié)構(gòu)物本身的水動力荷載，也會造成龍口區(qū)域局部沖刷，因此要研究排水龍口的局部沖刷問題，須先研究排水龍口處水流流場的特性。本文依托海外某大型圍海造陸港口工程，基于CFD軟件對兩種結(jié)構(gòu)龍口周圍的流場分布規(guī)律和局部沖刷特點(diǎn)進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論。

3.1 龍口周圍流場

通過計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水體流經(jīng)龍口時，水體水平橫向急劇收縮并集中，流速驟然增大，水位壅高，龍口內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)一定水位差，展現(xiàn)出“水跌”的水力現(xiàn)象。當(dāng)水體流過龍口后，帶動口門兩側(cè)水體移動，在口門的后部兩側(cè)流態(tài)紊亂，首先出現(xiàn)立軸旋渦。流經(jīng)龍口的水體一部分徑直流向后方，另一部分則向兩側(cè)斜向擴(kuò)散，受擾動的水體范圍增大，龍口后方兩側(cè)立軸旋渦也由最開始生成位置遷移至下方。

龍口處中間流速一般大于兩側(cè)流速[14-15]，而本工程龍口結(jié)構(gòu)中存在多根HZ樁，水流受其影響，出現(xiàn)了兩側(cè)略大于中部的現(xiàn)象。

水平方向上，工況a和工況b的流場規(guī)律存在一定相似性，而垂直方向工況b因?yàn)閾跎敖Y(jié)構(gòu)的存在，垂直方向上水體也存在向上收縮并集中的現(xiàn)象，過水面積更小，龍口流速大于工況a，水體流經(jīng)龍口后，在重力等作用下主流部分下潛，進(jìn)而帶動擋砂結(jié)構(gòu)后方水體流動，形成順時針旋渦，流場分布規(guī)律較工況a更加復(fù)雜，同時也一定程度上促進(jìn)了擋砂結(jié)構(gòu)后方泥沙的沖刷(圖5～8)。同時，若擋砂結(jié)構(gòu)未嵌入進(jìn)砂層，部分水體會通過擋砂結(jié)構(gòu)底部微小縫隙流出，砂層被慢慢沖刷后，流出水體逐漸發(fā)展成為射流，進(jìn)一步擾亂了擋砂結(jié)構(gòu)下放和后方原有流場，導(dǎo)致紊亂程度更大，反過來加劇了擋砂結(jié)構(gòu)底部和后方泥沙的沖刷。

圖5 工況a龍口周圍水平向流速矢量

圖6 工況b龍口周圍垂向流速矢量(t=21 s)

圖7 工況b龍口周圍垂向流速矢量(t=60 s)

圖8 龍口周圍流速場三維圖

3.2 龍口周圍局部沖刷

針對以上兩種工況，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分別模擬得到了不同時刻的沖刷床面形態(tài)。

水流流經(jīng)龍口時，復(fù)雜的流場與高速的水流對泥沙床面產(chǎn)生的切應(yīng)力超過泥沙的臨界起動力，導(dǎo)致泥沙起動，造成龍口局部沖刷。工況a龍口后方?jīng)_刷形態(tài)和深度相對平均，基本沒有太大高差區(qū)別(圖9、10)，只有少數(shù)區(qū)域，如龍口兩側(cè)靠近AZ+HZ板樁墻位置，沖刷相對嚴(yán)重，與流速大小存在一定對應(yīng)關(guān)系，屬于重點(diǎn)沖刷防護(hù)區(qū)。計(jì)算得到最大沖刷深度約為1.5 m，沖刷范圍覆蓋到龍口后方約25 m。

圖9 工況a龍口周圍海床沖刷立面圖

圖10 工況a不同斷面龍口沖刷深度曲線

針對工況b，由流場分布規(guī)律可知，龍口局部沖刷原因主要表現(xiàn)為兩方面，一方面，少部分水體由開始擋砂結(jié)構(gòu)底部微小縫隙流出，逐漸帶動砂粒移動形成沖刷，以及最后擋砂結(jié)構(gòu)底部和后方原有流場被擾動和改變，加劇沖刷；另一方面，水體流經(jīng)龍口主流部分下潛，引起擋砂結(jié)構(gòu)后方旋渦產(chǎn)生，同樣較大促進(jìn)了龍口周圍海床沖刷(圖11、12)。

圖11 工況b龍口周圍海床沖刷立面圖

圖12 工況b不同斷面龍口沖刷深度曲線

沖刷發(fā)展過程主要表現(xiàn)如下：隨著時間延續(xù)，約在t=98 s時，擋砂板底部輸沙率開始增大，局部沖刷力度加強(qiáng)，沖刷坑加深；在t=123 s 時，輸沙率開始較大，擋砂結(jié)構(gòu)下方?jīng)_刷坑進(jìn)一步加深，沖刷范圍沿水流方向向龍口后方推移。隨著沖刷的發(fā)展，床面形狀的改變速度一定程度上加劇，在t=139 s 時，局部沖刷劇烈，沖坑繼續(xù)向下游發(fā)展，深度逐漸增大。t=150 s和t=173 s時，沖刷范圍和沖刷深度得到了進(jìn)一步擴(kuò)大，但沖刷速度逐漸減緩。一定時間后，沖刷狀態(tài)趨于相對穩(wěn)定。最終龍口后方靠近擋砂結(jié)構(gòu)區(qū)域沖刷嚴(yán)重，最大沖刷深度達(dá)3.6 m，明顯高于工況a，再向后方?jīng)_刷深度逐漸變淺，沖刷范圍與工況a相似。同時因?yàn)槎喔鵋Z樁和大流速原因，龍口后方?jīng)_刷狀態(tài)趨于梳齒狀。

通過以上兩種工況結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工況b較工況a龍口周圍流場復(fù)雜，局部流速大，沖刷程度劇烈。工況b中擋砂結(jié)構(gòu)若沒有嵌入進(jìn)砂層，待下方?jīng)_刷逐漸形成水流通道后，擋砂結(jié)構(gòu)將成為龍口局部沖刷的不利因素，因此建議擋砂結(jié)構(gòu)安裝時，應(yīng)嵌入砂層一定深度，同時主流下潛水體對防止擋砂結(jié)構(gòu)后方易產(chǎn)生沖刷，以及為保證擋砂結(jié)構(gòu)下方的絕對安全，建議對龍口區(qū)域做一定其他防護(hù)措施處理(包括工況a)，如在龍口兩側(cè)沖刷范圍內(nèi)覆蓋土工布，并用砂袋進(jìn)行壓載。龍口兩側(cè)，靠近AZ+HZ板樁墻區(qū)域流速最大，尤其工況a，對底坡形成的沖刷力度相對較強(qiáng)，是龍口護(hù)底防護(hù)相對重點(diǎn)部位。

4 結(jié)論

1)針對大型圍區(qū)板樁墻排水龍口處的流場與局部沖刷分析，本文計(jì)算方法合理，該方法可在其他結(jié)構(gòu)形式龍口或橋墩、丁壩、防波堤等結(jié)構(gòu)局部沖刷計(jì)算中推廣應(yīng)用。

2)龍口位置屬于流速驟然增大區(qū)，流場復(fù)雜但有一定規(guī)律，針對文中兩種龍口結(jié)構(gòu)工況，都存在不同程度局部沖刷，且龍口周圍流場分布規(guī)律與海床局部沖刷特點(diǎn)存在一定對應(yīng)關(guān)系，為了結(jié)構(gòu)安全，建議一定防護(hù)處理。

3)龍口區(qū)域設(shè)置擋砂結(jié)構(gòu)，目的是減少圍區(qū)內(nèi)砂的流失，但安裝時若不嵌入進(jìn)砂層一定深度，其下方易形成沖刷通道，存在沖刷風(fēng)險，發(fā)展到一定程度，將更加擾亂龍口后方流場，加劇龍口底部和后方的沖刷程度，建議擋砂結(jié)構(gòu)安裝時應(yīng)嵌入砂層一定深度，同時也采用其他防護(hù)措施。