唐 云，劉 堃

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

波浪作用下，直墻式建筑物的受力特性一直是實際工程中需要關心的問題。低樁承臺直立式結構在外形上類似于常規(guī)直墻式建筑物，但由于承臺下方存在空腔，使得承臺前沿線與承臺下方的直立墻不在同一直線上，這也使得其受力特性有類似于直墻式建筑物的地方，又有別于直墻式建筑物。1928年，在Boussinesq等人關于直立式建筑物前立波理論的基礎上，法國工程師Sainflou[1]根據橢圓余擺線波理論求得有限水深情況下直立墻前的波壓力數學解；Goda[2]在大量試驗研究數據和現場資料分析的基礎上，于1967年提出了計算直墻式建筑物上波浪壓力的方法，自1979年4月起日本將Goda法作為新的設計標準；自1991年開始，Kirkgoz[3]系統(tǒng)研究了破碎波對直墻的作用，認為波浪對港工結構的荷載主要為沖擊瞬間的破波類型，當波浪正面垂直作用到直墻上時產生最大沖擊荷載；2010年，Cuomo[4]基于物理模型試驗探究了破碎波作用到直墻建筑物上的力。國內學者對直墻波浪力的研究由來已久，早在1975年，大連理工大學對破碎波浪做了系統(tǒng)研究，給出了相關計算公式。自1992年開始，李玉成[5]對不規(guī)則波作用下波浪對直墻的作用進行了較為全面的分析，將直立堤前不規(guī)則波分為立波、近破波和遠破波3種，給出不同波態(tài)的判斷標準，研究波浪力的統(tǒng)計分布，并分別給出各種波態(tài)的波浪力計算公式。

可見，國內外學者針對波浪對直墻式建筑物作用的研究較多，但對低樁承臺直立式結構在波浪作用力的研究較少。本文結合深圳機場三跑道海堤采用的低樁承臺直立式結構方案，通過物理模型試驗研究該結構的波浪力受力規(guī)律，為類似工程設計提供參考。

1 設備儀器和試驗方法

試驗以深圳機場三跑道海堤設計斷面(圖1)為基礎。由于受機場平面布置限高、堤外側沿江高速特大橋的安全影響及地質條件限制，經分析比較后確定采用低樁承臺直立堤結構，即下部為斜撐樁鋼管板樁直立墻、上部為現澆直立式承臺防浪墻。斜撐樁采用φ1 600 mm鋼管樁，斜率為3:1，縱向間距為3.0 m，打至強風化巖層以下不小于2 m；板樁墻采用φ1 400 mm鋼管樁+Z型鋼板樁的組合結構，組合結構中鋼管樁為主樁，縱向間距為2.86 m，打至強風化巖層以下不小于2 m；鋼板樁為輔樁，僅須穿透軟弱土層至殘積土或風化巖層頂面。斜撐樁和鋼管板樁墻通過頂部現澆鋼筋混凝土承臺連為一體，后方吹填砂形成陸域。承臺上方回填10～100 kg塊石，頂部設置7.5 m凈寬防洪通道，頂高程6.66 m；承臺海側設置帶挑檐的擋浪墻。板樁墻前拋填150～300 kg塊石護底，基礎采用水泥攪拌樁加固處理。

圖1 低樁承臺直立結構典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

試驗在河海大學風、浪、流水槽中進行,水槽全長80 m、寬1 m、高1.5 m，水槽沿縱向分隔成各0.5 m寬兩部分，其中一部分用于鋪設模型，另一部分用于降低波的反射影響。水槽一端安裝有二次反射波浪自動吸收推板式造波機，由計算機自動生成所要求模擬的波浪要素，另一端設有消浪緩坡。試驗采用JONSWAP不規(guī)則波波譜，連續(xù)生波1 000個左右，模型比尺為1:28。試驗斷面在水槽中的布置見圖2。

圖2 波浪水槽布置

為了分析波浪壓力的變化規(guī)律，試驗分2部分進行：1)工程設計斷面試驗組次，按模型比尺，模擬承臺前沿直墻、承臺底面、承臺下方的樁基、板樁墻和后方塊石回填等；2)系列模型試驗組次，將斷面進行概化，采用有機玻璃模擬承臺前沿直墻、承臺前沿及底面和承臺下方的板樁墻結構(壓力測點布置見圖3)，不考慮樁基和后方回填的影響。采用壓阻式微型高頻壓力傳感器及東華測試公司開發(fā)的DH5922型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集和分析，該系統(tǒng)能實現多通道并行同步高速長時間連續(xù)采樣，其采樣頻率變化范圍為50～20 000 Hz。試驗的采集頻率取為5 000 Hz。系列試驗水深保持0.5 m不變，入射有效波高Hs變化范圍為0.05～0.15 m，相對波高Hs/d的變化范圍為0.10～0.25；平均周期T的變化范圍為1.19～1.98 s，其波陡Hs/L的變化范圍為0.025～0.050；試驗板寬B分別為0.3、0.5 m，相對板寬B/L變化范圍為0.09～0.25；承臺底面超高Δh分別為0.10、0.05、0.02、0、-0.02、-0.05和-0.10 m，相對超高Δh/Hs的變化范圍為-2～2。

圖3壓力測點分布(單位：mm)

2 承臺底部沖擊壓強分析

不規(guī)則波作用下承臺底部沖擊壓強的主要影響因素有入射波高、波長、周期、承臺寬度B和承臺底到靜水面的距離Δh等。采用入射波陡Hs/L、承臺相對寬度B/L和相對超高Δh/Hs等無因次量，分析不規(guī)則波作用下承臺底所受最大沖擊壓強的變化規(guī)律。

2.1 入射波陡對最大沖擊壓強的影響

圖4給出不規(guī)則波作用在不同承臺寬度的相對最大沖擊壓強與入射波波陡的關系。從圖4可以看出，在不規(guī)則波作用下，最大相對沖擊壓強與入射波波陡的關系較為復雜：當相對超高較小時(Δh/Hs=-0.5和-1.0)，最大相對沖擊壓強隨波陡的變化幅度較小，且總體為逐步減小的趨勢；當相對超高Δh/Hs在-0.2～0.2時，波浪沖擊作用較為強烈，承臺底面最大相對沖擊壓強呈現出隨著波陡的增大先減小后增大、進而減小的趨勢，且在Hs/L=0.035～0.040范圍內最大沖擊壓強出現峰值；當相對超高較大時(Δh/Hs=0.5和1.0)，承臺底面最大相對沖擊壓強隨著波陡的增大先增大后減小、再增大的趨勢。

注：入射波波陡Hs/L，承臺底面最大相對沖擊壓強P1/3(ρgHs)，ρ為水的密度。

圖4不規(guī)則波作用下承臺底部最大相對沖擊壓強與入射波陡的關系

2.2 承臺相對寬度對最大沖擊壓強的影響

圖5給出承臺底部最大相對沖擊壓強P1/3/(ρgHs)與承臺相對寬度B/L的影響。由圖5可以看出，在不規(guī)則波作用下，多數情況下承臺底最大相對沖擊壓強隨著相對板寬的增大先減小后增大，并在B/L=0.185處出現極小值。

圖5 不規(guī)則波作用下承臺底部最大相對沖擊壓強與承臺相對寬度的關系(Hs=0.1 m,T=1.45 s)

2.3 相對超高對最大沖擊壓強的影響

圖6給出不規(guī)則波作用下承臺底所受最大相對沖擊壓強與相對超高(承臺底面至靜水面的距離與有效波高的比值)Δh/Hs的關系?？梢钥闯?，承臺底面最大相對沖擊壓強隨著相對超高的增大先增大后減小。其中，當相對超高Δh/Hs< -0.5時，最大相對沖擊壓強的變化幅度迅速變緩；當相對超高在-0.5～0.5范圍內時變化幅度較大，并且多數情況下在Δh/Hs=0.2附近出現峰值。

圖6 不規(guī)則波作用下承臺底部所受最大相對沖擊壓強與相對超高的關系

3 承臺前沿及板樁墻沖擊壓強分析

3.1 入射波陡對沖擊壓強的影響

波長作為設計波要素的重要參數之一，其對描述波浪的形態(tài)以及分析波浪對結構物的作用具有重要意義。相關研究結果表明，波浪對直墻建筑的作用主要與波浪能量以及波浪作用在建筑上的角度有關。當入射波波高一定時，波長的變化不僅影響到波浪作用在建筑物上的入射角度，使得建筑物上的波壓力不同，而且針對本文所研究的模型結構，波長的變化影響波浪進入承臺下方空間的程度(波長與承臺寬度的比值越小，波浪進入承臺下方越充分)，從而造成板樁墻迎浪面波壓強的變化。

圖7為不同波浪要素和超高條件下，結構迎浪面各測點波浪壓強隨入射波波陡之間的變化關系。其中Hs/L表示入射波波陡，Pc/(ρgHs)表示相對水平壓強，z表示各測點距離模型底面的距離(單位：m)。由圖7可知，盡管承臺底面在靜水位附近時對相對波壓強分布規(guī)律產生較大影響，但總體而言承臺前沿上各測點波壓強值隨波陡的減小而增大，隨波長的增大而增大；板樁墻上測點的波壓強隨波陡的變化情況較為復雜，無明顯的規(guī)律。

圖7 不同超高下承臺前沿及板樁墻沖擊壓強與入射波陡關系

3.2 承臺相對寬度對沖擊壓強影響

圖8給出各級波浪要素以及承臺底面超高條件下承臺寬度變化對波壓強值以及波壓強分布的影響，其中B/L表示承臺的相對寬度。承臺的存在對水平沖擊壓強的大小和分布有一定的影響，其影響主要體現在結構靜水位及以下部位相對沖擊壓強在量級上有較大的差距,有承臺的靜水位附近最大相對沖擊壓強是無承臺的10余倍。承臺寬度的變化主要影響承臺與板樁墻以及波面間形成的空氣層的大小，承臺寬度越大，三者間形成的封閉空間越大，波浪的沖擊特性越強，耗散的能量越多，作用在板樁墻上的波壓強值越大。根據能量守恒定律可知，作用到承臺前沿的能量變少，從而減少了對承臺前沿的作用。

圖8 不同超高下承臺前沿與板樁墻沖擊壓強與承臺相對寬度的關系

3.3 相對超高對沖擊壓強的影響

承臺超高(底面距靜水面的距離)Δh對波壓強值大小及分布有較大的影響，其影響程度與承臺相對超高Δh/Hs有關。圖9給出不同波要素作用下承臺和板樁墻迎浪面模型各測點相對波壓強值與承臺底面相對超高之間的關系。整個結構迎浪面各測點相對波壓強值隨相對超高的增大先增大后減?。寒?≤Δh/Hs< 0.2時，即承臺底面在靜水位及略向上時，板樁墻前波壓強值出現最大值;當Δh/Hs≤-0.5時，承臺前沿的存在阻擋了部分波浪向板樁墻的傳播，波面不會與承臺底面脫離形成空氣層；當Δh/Hs> 1.5時，沒有水體作用到承臺底面，波浪作用到結構時相當于作用在直墻上，在上述兩種情況波浪在深水條件下對直墻的作用主要以緩變壓強為主，波浪壓強不具備沖擊荷載的特性；當-0.5< Δh/Hs≤1.5時，波浪作用時波面與承臺底部脫離，同時因超高較小，波浪能量較大，空氣難以及時排出，波浪直接沖擊承臺底部和板樁墻上部，此時波壓強值出現突增。以Δh/Hs=0.2為例，最大波壓強約為同條件下直墻式建筑物波浪壓強的3倍。靜水位以上測點隨相對超高變化幅度較小。

從圖9可以看出，低樁承臺結構每個工況下最大相對沖擊壓強發(fā)生的位置與承臺底面的相對超高有著較為明顯的關系，隨著相對超高的增大，最大相對沖擊壓強出現的位置隨著上移。當Δh/Hs> 0時，出現在靜水面以上；當Δh/Hs=0，發(fā)生在靜水面附近略偏靜水位以下；當Δh/Hs< 0時，出現在靜水面以下。經過對發(fā)生最大沖擊壓強位置的統(tǒng)計分析可知，絕大多數組次下最大水平壓強發(fā)生的位置在承臺底面與板樁墻的交界處，即板樁墻的最上部。

圖9 承臺前沿及板樁墻沖擊壓強與相對超高的關系

以上現象可解釋為：當Δh/Hs> 0時，波浪會在波面和結構形成的封閉水體內劇烈破碎，這是一個復雜的動能、勢能等的相互轉化過程，可能會導致增水或減水，國內外學者通過理論分析和試驗表明：波浪未破碎時，隨著波浪向岸邊傳播其動能和輻射應力有增大的趨勢，此時會造成水位的降低；反之，當波浪破碎后則會導致平均水位的升高。其次，波浪破碎后摻混空氣產生的沖擊作用是多向的，不僅會對承臺底部產生較大的沖擊壓強也會對板樁墻上部產生強烈沖擊。當Δh/Hs≤0時，一方面，當Δh/Hs≤-0.5時，波浪作用到結構上是類似于立波作用到直墻結構上的緩變作用，波浪未發(fā)生破碎，會導致平均水位降低，從而導致最大相對沖擊壓強發(fā)生位置在靜水位以下；另一方面，當-0.5< Δh/Hs≤0時，波浪作用到結構上時會脫離承臺地面，此時空氣摻入形成空氣層會對水下的板樁墻造成強烈沖擊，這也解釋了最大相對沖擊壓強會出現在靜水位以下的原因。

4 結論

1)不規(guī)則波作用下,承臺底所受最大相對沖擊壓強與波陡、承臺底部寬度和相對超高有關，尤其相對超高對沖擊壓強影響非常明顯：當相對超高在-0.5～0.5范圍內時變化幅度較大，沖擊壓強隨超高的增大，呈先增大后減小的趨勢，并且多數情況下在Δh/Hs=0.2附近出現峰值。

2)承臺前沿波浪壓強受承臺結構的影響較小，其變化規(guī)律與直墻式建筑物波浪壓強相似。

3)承臺下方板樁墻波浪壓強受承臺結構的影響較大，當-0.5< Δh/Hs≤1.5時，波浪壓強具有明顯的沖擊特性，是同條件下直墻式建筑物波浪壓強的2～3.5倍。因此，在承臺結構設計中，盡量避開此高程區(qū)間。