底部透空不透水建筑物波壓力研究

孫 濤，王英波，孫洪濤

（1.日照實華原油碼頭有限公司,山東 日照 276800；2.海博泰科技(青島)有限公司,山東 青島 266010）

防波堤和碼頭等水工建筑物是港區(qū)重要的組成部分，其具有抵御外海波浪，維持港內(nèi)水域平穩(wěn)以利于船舶?？康葍?yōu)點，波浪作用下不同結(jié)構(gòu)形式的水工建筑物要維持其自身穩(wěn)定，波浪荷載是主要研究內(nèi)容之一。相關(guān)學(xué)者對不同結(jié)構(gòu)水工建筑物的波浪力作用進行了研究，如：李翔等[1]采用不規(guī)則波浪,對透水斜坡上不同開孔率混凝土面板受到的波浪打擊力進行研究，分析了打擊力隨各影響因素的變化特性，給出了波浪打擊力的統(tǒng)計分布規(guī)律；Cuomo 等[2]通過物理模型試驗研究了波浪對豎墻的作用力，并總結(jié)出豎墻表面波壓力計算公式；Neelamani 等[3]對規(guī)則波作用下的沖擊力進行較為系統(tǒng)的試驗；馮衛(wèi)兵等[4]采用物理模型試驗的方法，研究在不規(guī)則波作用下最大打擊力位置與相對深度的變化規(guī)律，擬合得到最大相對波壓力公式和波壓力沿斜坡分布規(guī)律；王登婷[5]通過物理模型試驗研究防浪墻底面高程對其迎浪面及底面波浪壓強及整體穩(wěn)定性的影響；柳玉良等[6]通過模型試驗研究了圓形沉箱水平波浪力與浮托力的分布情況，并與現(xiàn)有直立堤理論公式進行比較。

底部透空不透水直立建筑物是港口工程建設(shè)中的一種新型結(jié)構(gòu)，該型建筑物底部不透水，透空部分通過設(shè)置鋼筋混凝土墩安放在基床上，在波吸力作用下使該型建筑物更加穩(wěn)定，在防波堤和碼頭中都可使用，直立建筑物頂部設(shè)置擋浪墻，增加頂面高程減少越浪以滿足內(nèi)側(cè)船舶靠泊，但波浪遇直立建筑物易產(chǎn)生駐波，致使迎浪面和底面受波浪力的作用增大，對底部透空不透水直立建筑物的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，存在造成局部或整體失穩(wěn)安全隱患。本文通過波浪斷面物理模型試驗，對不同水深下底部透空不透水直立建筑物的波壓力實測數(shù)據(jù)開展研究，并根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[7]規(guī)定的波浪力計算方法與物理模型試驗波浪力結(jié)果進行對比，分析總結(jié)波浪力分布規(guī)律，為類似工程設(shè)計和理論研究提供參考。

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗在中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點實驗室開展，該不規(guī)則波水槽長50.0 m、寬1.2 m、深1.2 m。水槽一端為低慣量直流式電機不規(guī)則造波機，可模擬正弦波和橢圓余弦波等規(guī)則波以及國內(nèi)外常用的頻譜（PM 譜、B 譜、JONSWAP 譜等），造波機可產(chǎn)生波高范圍為3～50 cm，波浪周期范圍0.5～50 s。水槽另一端為消能設(shè)施，其反射率＜5%，滿足試驗規(guī)范《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》[8]要求。

1.2 試驗參數(shù)

建筑物透空率為12%，率定試驗波浪要素時，在水槽內(nèi)建筑物前制作坡度為1∶25 的斜坡，直立式模型安放于斜坡頂水平位置且波浪平穩(wěn)段，模型底部迎浪處采用透空型式，底部后方采用不透水處理，試驗?zāi)Ｐ筒贾靡妶D1。

圖1 試驗?zāi)Ｐ筒贾肍ig.1 The overall layout of the testedmodel

為測量建筑物波壓力分布情況，根據(jù)《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》[8]和《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》[9]，在建筑物迎浪面和模型底部加密布置一定數(shù)量的壓力傳感器，模型同一高度處布置2 個傳感器，便于校對數(shù)據(jù)。波壓力傳感器布置見圖2，其中迎浪側(cè)20 個、底面8 個。

圖2 波壓力傳感器布置Fig.2 Layout of the wave pressure sensors

1.3 試驗方案

為分析相同波要素、不同水深下波浪力的分布規(guī)律，測試水平總力最大時各測點波壓力。斷面試驗采取2 種方案：方案一，工況1 和工況2 為相同波要素；方案二，工況3 和工況4 為相同波要素。

本次試驗選取2 種水深，分別為54.5 和52.0 cm。試驗工況見表1。

表1 試驗工況Table 1 Working conditions for the test

2 試驗結(jié)果

為保證試驗精度，每種工況波壓力試驗采集有效數(shù)據(jù)4～5 次，同一高程的2 個測點剔除異常值后取平均值作為該高程處的波壓力值。數(shù)據(jù)處理后得到水平總力最大時刻的同步波壓力分布值，通過積分得到模型迎浪面上每延米水平波浪總力。正負波壓力規(guī)定為：水平波浪力計算中，沿來波方向為正，反向為負；垂直力計算以向上為正，向下為負。

使用Matlab 軟件，采用上跨零點法對采集到的點壓強數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明：水平力最大值與浮托力最大值并不同步發(fā)生，迎浪面波壓力近似呈梯形分布，建筑物底部的波壓力從外側(cè)向內(nèi)側(cè)相差較小。方案一波峰和波谷作用下水平總力最大時各測點波壓力見表2，波峰和波谷作用下水平總力最大時各測點波壓力分布見圖3；方案二波峰和波谷作用下水平總力最大時各測點波壓力見表3，波峰和波谷作用下水平總力最大時各測點波壓力分布見圖4。

圖3 方案一水平總力最大時各測點波壓力（kPa）Fig.3 The wave pressure (kPa) at each measuring point when the horizontal total force is maximum in Scheme 1

表2 方案一水平總力最大時各測點波壓力（kPa）Table 2 The wave pressure (kPa) at each measuring point when the horizontal total force is maximum in Scheme 1

表3 方案二水平總力最大時各測點波壓力（kPa）Table 3 The wave pressure (kPa) at each measuring point when the horizontal total force is maximum in Scheme 2

由表2 和表3 可知，底部透空不透水建筑物最大壓強發(fā)生在靜水位處，隨著水深的增加迎浪面上波壓力減小；當(dāng)波高和周期相同、水深不同時，迎浪面波壓力分布隨水位的降低靜水位以上測點波壓強隨之減少，靜水位以下各測點波壓強增大。

對方案一和方案二在不同水深、波峰及波谷作用下的波浪力分析可知，相同波要素下，波峰作用時大水深迎浪面水平總力大于小水深，波谷作用時迎浪面的水平總力則反之。

其中，工況1 波峰作用下迎浪面水平總力比工況2 大1.5%，工況3 波峰作用下迎浪面水平總力比工況4大1.8%；工況1 波谷作用下迎浪面水平總力比工況2 小12.3%，工況3 波谷作用下迎浪面水平總力比工況4小10.7%，

由圖3 和圖4 可知，對于底部透空，底部和兩側(cè)不透水建筑物，由于建筑物后方底部透空不透水，底面波壓力數(shù)值差別較小。

圖4 方案二水平總力最大時各測點波壓力（kPa）Fig.4 The wave pressure (kPa) at each measuring point when the horizontal total force is maximum in Scheme 2

3 波壓力試驗值與計算值比較

因《港口與航道水文規(guī)范》[7]未對底部透空不透水直立建筑物底面波浪力的計算進行闡述，所以本文只按照規(guī)范計算了該型建筑物迎浪面波浪力，并與物理模型試驗結(jié)果對比，分析總結(jié)波浪力分布規(guī)律。根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[7]可知，直立建筑物前波浪波態(tài)均為立波，2 種方案波浪力計算方法如下。

1）方案一

波峰作用下立波作用力按式（1）～式（4）計算：

式（1）～式（4）中：hs為波浪中線超出靜水面的高度（m）；H為建筑物所在處進行波波高（m）；L為波長（m）；d為建筑物前水深（m）；pd為水底處波浪壓力強度（kPa）；γ為水的重度（kN/m3）；ps為靜水面處波壓力強度（kPa）；pb為墻底處波壓力強度（kPa）；d1為基床上水深（m）。

波谷作用下立波作用力按式（5）～（7）計算：

2）方案二

波峰作用下立波作用力按式（8）～式（10）計算：

式（8）～式（10）中：ps為靜水面處波浪壓力強度（kPa）；γ為水的重度（kN/m3）；H為建筑物所在處進行波波高（m）；pz為靜水面以下深度Z處的波浪壓力強度（kPa）；d為建筑物前水深（m）；z為靜水面以下深度（m）；L為波長（m）；pb為墻底處波浪壓力強度（kPa）；d1為基床上水深（m）。

方案二波谷作用下立波作用力同樣按式（5）～式（7）計算。

方案一計算結(jié)果見表4，方案二計算結(jié)果見表5。由表4、表5 與表2、表3 對比，波峰作用下各點波壓力試驗值小于規(guī)范計算值，波谷作用下，由于底部透空結(jié)構(gòu)的影響，除水位附近點位試驗值和計算值接近之外，其他點位試驗值大于規(guī)范計算值。

表4 方案一各點波壓力強度計算值（kPa）Table 4 Wave pressure (kPa) at each measuring point in Scheme 1

表5 方案二各點波壓力強度計算值（kPa）Table 5 Wave pressure (kPa) at each measuring point in Scheme 2

4 結(jié)論

本文通過物理模型試驗，針對底部透空不透水建筑物的波壓力進行測試，并根據(jù)規(guī)范計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析，研究了不規(guī)則波作用下底部透空不透水建筑物迎浪面及底面波壓力分布規(guī)律，得出以下主要結(jié)論。

1）底部透空不透水建筑物最大壓強發(fā)生在靜水位處，隨水深的增加迎浪面上波壓力減小。波要素相同，迎浪面波壓力隨著水位的降低，靜水位以上測點波壓強減小，靜水位以下各測點波壓強增大。

2）不同水深，相同波要素下，大水深時波峰作用下迎浪面水平總力比小水深時大，而大水深時波谷作用下迎浪面水平總力比小水深時小。

3）與傳統(tǒng)水工建筑物相比，模型底部透空不透水時底面測點波壓力數(shù)值較為接近，波壓力分布既不是呈梯形分布，也不是呈合田良實[10]提出的三角形分布。

4）通過對該型直立建筑物試驗研究及波壓力計算結(jié)果比較，波峰作用下各點波壓力試驗值小于規(guī)范計算值，波谷作用下受底部透空結(jié)構(gòu)的影響，試驗值大于規(guī)范計算值。