波浪对重力墩式结构码头的影响.pdf

-173-摘要：当前，海港码头难以采用方块式、连片沉箱式等传统重力式结构，重力墩式码头结构越来越广泛应用于基岩埋藏较浅的码头工程中。针对该类码头的结构特点，通过建立某码头整体物理模型，研究波浪对重力墩式码头的影响，给出波高、波浪力分布规律，可供重力墩码头设计借鉴。关键词：码头；波浪；整体物理模型；重力墩结构中图分类号：U656.1文献标识码：AEffect to gravity pier structure by waveLIU Wei（Rizhao Port Group Co.,Ltd.,Shandong Rizhao 276826 China）Abstract:Atpresent,itisdifficulttoadoptthetraditionalgravitystructuresuchasblockgravitytypeandcontinuouscaissontype.Thegravitypierstructureismoreandmorewidelyusedinthewharfengineeringwithshallowburiedbedrock.Inviewofthestructuralcharacteristicsofthiskindofwharf,theinfluenceofwavesongravitypierstructureisresearchedbyestablishingtheglobalphysicalmodel,andthedistributionlawofwaveheightandwaveforceisgiven,whichcanbeusedforreferenceinthedesignofgravitypierwharf.Key words:wharf;wave;globalphysicalmodel;gravitypierstructure引言对于基岩埋藏较浅、地质条件较好的港口工程，码头通常采用重力式水工结构。随着国家对于滨海湿地保护力度的加强、围填海工程的严格管控，海港码头难以采用方块式、连片沉箱式等传统重力式结构。由于对滨海湿地生态环境的影响较小、可按透水构筑物申请用海，重力墩式码头结构得到越来越广泛的应用。目前国内关于波浪对重力墩式码头结构作用的研究较少，结合日照港岚山港区岚南作业区#12、#16泊位工程，建立整体物理模型，研究重力墩码头波高、波浪力分布规律，为重力墩结构码头建设及本工程设计提供依据。1 项目概况#12、#16泊位工程地处日照港岚山港区南作业区，平面布置见图1。码头采用重力墩式结构，下部沉箱墩+上部叠合板结构（沉箱墩中心距16.5m），为便于与已建泊位码头顶面高程衔接，码头顶面高程与已建码头顶面高程一致，为7.0m（见图2）。拟建码头设引桥与后方陆域相接，采用单跨箱梁结构。后波浪对重力墩式结构码头的影响刘 威（山东港口日照港集团有限公司，山东 日照 276826）收稿日期：2022-10-08作者简介：刘威（1993），男，山东菏泽人，工程师。58017.7705.5图 1 总平面布置/m工作船泊4151231083158360010831046.5方案一用海方案二用海港作船泊位#12 泊位#16 泊位-20.0289-20.028930600234.4拟建#12、#16 泊位4200018000500500138401826042004200A型沉箱2500-20.00150020260-21.5010100kg抛石基床-20.5011400mm栅栏板码头前沿设计底高程B型沉箱420042004200420042004002202204004004002202202201500689015102.502040现浇下墩台素混凝土垫层100mm 素混凝土垫层100mm碎石垫层300mm碎石垫层300mm500600kg块石1200mm50100kg块石600mm2000-100kg块石10100kg抛石基床4999.850-20.5-21.5014840489042490码头断面图（1-1）1000-18.611.512（临时边坡）11.5（临时边坡）11码头前沿线350011007.06.08Y-MB2Y-MB3 Y-MB4 Y-MB5Y-MB6 Y-MB7 Y-MB8 Y-MB9Y-MB10 Y-MB11Y-MB12 Y-MB133000Y-MB146.480.632.50现浇下墩台素混凝土垫层100mm素混凝土垫层100mm碎石垫层300mm碎石垫层300mm-0.55极端低水位极端高水位5.346.486.084.04.07.0卸船机后轨（预留）门机前轨现浇胸墙2000H橡胶护舷（一鼓一板标准反力）设计低水位设计高水位现浇支座梁现浇轨道梁预制横梁现浇轨道梁现浇支座梁现浇面层400mm门机后轨预制面板500mm2000KN系船柱120008500图 2 结构断面/mm刘 威：波浪对重力墩式结构码头的影响-174-方陆域护岸采用斜坡式结构，堤顶高程为+10.0m，斜坡坡度11.5，护面采用7t扭王字块体。2 物理模型介绍2.1 试验水位试验水位见表1。表 1 试验水位设计高水位/m 设计低水位/m 极端高水位/m 极端低水位/m5.340.636.48-0.552.2 试验波浪要素试验波浪为ESE和SE两个波向，试验波浪要素取自日照港岚山港区南作业区波浪整体物理模型试验研究报告1，见表2。表 2 试验波浪要素水位/m波向波浪重现期/a波浪要素H1%/mH4%/mH13%/mT/s极端高水位6.48ESESE50503.843.843.263.262.672.678.98.4设计高水位5.34ESESE5025023.402.003.401.902.881.682.881.602.361.352.361.288.96.28.46.2设计低水位0.63ESESE50502.862.862.422.422.002.008.98.4极端低水位-0.55ESESE50502.862.862.422.422.002.008.98.4注：H1%累积频率为1%的波高，H4%累积频率为4%的波高，H13%累积频率为13%的波高，T周期。2.3 物理模型设计2.3.1 模型比尺遵照波浪模型试验规程（JTJ/T2342001）2 的规定，采用正态模型，按重力相似模型设计。根据场地条件和工程的平面尺寸，模型比尺取为145。主要物理量的比尺：h=1=45 （1）t=11/2 （2）W=13 （3）F=13 （4）p=1 （5）式中：h几何比尺；t时间比尺；w重量比尺；F波浪力比尺；P压强比尺；1模型比尺。2.3.2 模型布置根据技术要求，本次试验的波向为ESE和SE两个波向。模型范围包括拟建#12、#16泊位及后方护岸，模型布置见图3。海域工程模型布置于距离造波机约10m左右处，大于6倍波长，符合波浪模型试验规程（JTJ/T2342001）2的规定。52 m消浪设施20 m20 m 24 m造波机造波机规划岸线ESE 向SE 向-20.0#12泊位#16泊位-15.17.07.07.07.0-20.0图 3 模型布置/m2.3.3 波浪模拟波浪按重力相似准则模拟，不规则波的波谱采用JONSWAP谱，其表达式：expexpPSPs（6）式中：，PP;有效波高，m；Tp谱峰值周期，s；谱峰值参数，取3.3；S（f）频谱，m2 s，f频率，S-1；fp谱峰频率，S-1。在模型建筑物建造前，在码头前位置布置波高仪进行入射波浪要素率定。对于各组波浪，首先将某一初始波高和周期输入造波系统，采集相应的波高和周期，将实测波高和周期与目标值比较，根据实测波高和周期结果调整输入造波系统的波高和周期，采集调整后的波高和周期，再次将实测波高和周期与目标值比较，循环此步，直至实测波高和周期与目标值的误差满足要求。3 波浪对重力墩码头作用的研究3.1 码头泊位区波高分布在码头泊位区布置波高仪测量码头泊位区波高，表3给出了码头建成后设计高水位下码头前半倍船宽处（1-2#1-14#测点）、一倍船宽处（2-2#2-14#测点）2a一遇波高。由试验结果可见：设计高水位及相应2a一遇ESE和SE向波浪作用下，泊位区半倍船宽处波高与一倍船宽处波高差别不大；由于码头的反射，泊位区波高略大于入射波高，ESE和SE向波浪最大波高2023 年第 3 期山东交通科技-175-（H4%）分别为1.85m和1.71m。表 3 泊位区波高位置测点ESE 向SE 向H1%/m H4%/m H13%/m H1%/m H4%/m H13%/m距码头半倍船宽1-2#1.981.671.361.901.591.281-4#2.191.851.501.881.581.271-6#2.081.761.432.021.701.371-8#2.081.761.431.941.621.311-10#1.931.621.322.021.701.371-12#2.121.791.451.971.651.331-14#2.141.801.461.991.671.34距码头一倍船宽2-2#2.191.851.501.941.621.312-4#2.081.761.431.951.641.322-6#2.081.761.431.941.621.312-8#2.171.831.491.811.521.222-10#2.011.701.382.041.711.382-12#2.031.711.391.941.621.312-14#2.011.701.382.041.711.383.2 引桥和护岸区波高分布在引桥、护岸位置布置波高仪测量引桥、护岸区波高，表4、表5给出了码头建成后各水位下引桥（16#、17#测点）、护岸区（19#、20#测点）50a一遇波高。表 4 引桥护岸区波高波向 位置测点极端高水位/m设计高水位/m设计低水位/mH1%H4%H13%H1%H4%H13%H1%H4%H13%ESE向引桥16#1.05 0.880.711.291.080.871.821.531.2317#1.10 0.920.741.421.190.961.951.641.32护岸19#1.12 0.940.761.481.241.002.091.751.4120#1.02 0.860.691.411.180.951.981.661.34SE向引桥16#0.90 0.760.611.110.930.751.811.511.2217#0.93 0.780.631.271.070.861.891.591.28护岸19#0.89 0.740.601.391.170.941.971.651.3320#0.92 0.770.621.361.140.921.841.541.24由试验结果可见：在50a一遇ESE和SE向波浪作用下，由于前方码头的掩护，后方引桥和护岸处波高较小；高水位时，水位超过码头面板底高程，透射波浪较小，最大波高出现在设计低水位，引桥和护岸最大波高（H13%）分别为1.32m和1.41m，波浪方向为ESE向。3.3 沉箱波浪力研究测量50a一遇波浪作用下极端高水位6.48m、设计高水位5.34m、设计低水位0.63m时泊位中间位置、泊位端部前排沉箱（即海侧沉箱）、后排沉箱（即陆侧沉箱）的水平压强、浮托压强，计算水平力、浮托力，见表5。表 5 沉箱波浪力沉箱位置波浪方向水位/m泊位中间位置泊位端部位置迎浪面水平力/kN侧面水平力/kN总水平力/kN总浮托力/kN迎浪面水平力/kN侧面水平力/kN总水平力/kN总浮托力/kN前排沉箱ESE6.48 3 999 4 636 6 122 8 293 3 872 4 665 6 063 6 6455.34 4 298 5 085 6 658 6 308 4 169 5 043 6 543 5 1690.63 3 380 3 084 4 567 2 564 3 351 3 112 4 573 2 634SE6.48 3 400 3 611