任效忠，于博，马玉祥，郭为军，孟宇凡，吴迪

(1.连九成市政设计有限公司，辽宁 大连 116000;2.大连中交理工交通技术研究院有限公司，辽宁 大连 116000; 3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024; 4.大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连 116000)

规则波作用下准椭圆沉箱群墩波浪力试验分析

任效忠1，于博2，马玉祥3，郭为军4，孟宇凡1，吴迪1

(1.连九成市政设计有限公司，辽宁 大连 116000;2.大连中交理工交通技术研究院有限公司，辽宁 大连 116000; 3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024; 4.大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连 116000)

为了更好地推广准椭圆箱结构形式，了解该结构的水动力特性，采用物理模型试验研究规则波对准椭圆沉箱群墩结构的波浪力，结果表明，与正向波浪力相比，群墩效应对横向波浪力的影响更大，结构侧壁开孔对消减沉箱横向力效果明显，但对消减沉箱正向力作用有限，对大型结构准椭圆沉箱，波浪非线性的影响不容忽视，群墩代替单墩进行准椭圆沉箱的水动力研究与设计是必要的。

准椭圆沉箱;波浪力;群墩效应系数

大宗商品的远距离交易以及我国海洋发展战略推动了航运业船舶向大型化发展，专业的开敞式深水码头需求稳步增加［1］。桩基梁板式、墩式引桥结构、导管框架结构、重力墩式码头等结构型式是开敞式深水码头的常见结构形式［2］，而重力墩式码头始终是开敞式深水码头优先使用的结构形式，尤其是软基处理技术快速发展的特点，重力墩式码头的应用空间更为广阔。

开敞式深水码头结构形式具备结构整体性好、坚固耐久、抗冰冻性能和抗震性能好的特点，这正是重力墩式码头的突出优势。此外，重力墩式码头能承受较大荷载，施工周期短，采用陆上预制、下水拖运、现场安放，水下施工量及后期维护工程量都较少，且施工质量有保证。

准椭圆沉箱［3-4］作为新型深水开敞式码头结构形式，其水平断面由前后两个半圆和中间矩形构成，突破了以往多为圆沉箱的结构形式。与传统的圆沉箱结构相比较，它在使用性能、安全性能以及经济性方面都有优势。采用准椭圆沉箱较采用一个大型圆沉箱对应的强浪方向上的断面小，沉箱周围波浪壅高明显减小，降低码头高程，具有良好的使用性能和突出的经济效益，有良好的推广应用前景［5］。

圆沉箱从解析解、数值解到试验研究，学者做了相关的研究工作［6-11］，不开孔与开孔结构都取得了可以推广应用的研究成果。针对准椭圆沉箱的水动力特性研究还处于起步阶段，相关的研究有基于二维源分布法建立数值计算方法用于计算准椭圆沉箱单墩波浪力［12-13］，同时成功发展了准椭圆沉箱单墩波浪力的三维数值模型［14-15］。目前，这些计算还局限于单个准椭圆沉箱，而工程实际应用准椭圆沉箱以群墩形式排列。为此，在已有的研究基础上，对准椭圆沉箱群墩进行物理模型试验，研究规则波作用下的水平波浪力，通过对单墩与群墩波浪力时间过程的频谱分析揭示产生群墩效应的机理，经过试验分析不同试验条件下群墩效应的影响及规律，供设计与工程推广应用参考。

1 试验设计

大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的海洋环境水槽为模型试验提供造波条件。试验水槽长50 m，宽3 m，深1 m，水槽前端配有液压伺服推板式造波机系统，计算机控制造波与数据采集，水槽的末端设有消能装置，消除波浪反射，保证试验数据的真实性。试验模型安放在水槽轴线上的后半部，避免模型受到造波机和消能设施的影响，见图1。

图1 试验设备示意

依据实际工程以1∶50缩微作为试验的模型尺度。模型采用尺寸:半圆直径d取28.2 cm，矩形长d取28.2 cm，宽B取17.8 cm，沉箱高度为47.2 cm。沉箱相对长宽比B/d采用0.63。考虑到沉箱迎浪面的强度要求与减小沉箱间波浪壅高的需要，沉箱侧壁开上下两排正方形孔，孔的边长为5 cm。试验模型见图2。

图2 模型示意

相对间距通过调整侧面沉箱与中间测力沉箱之间的间距，入射波向通过调整群墩轴向的迎浪角度。双向测力天平(中国船舶集团无锡702所生产)测定居中准椭圆沉箱长短轴方向的波浪力，试验设计中双向测力天平下端固定在测力模型上，上端固定在足够刚度的钢架上。

2 试验结果与分析

2．1 规则波波浪力时间过程线分析

图3 准椭圆沉箱群墩和波浪力示意

图4、5为单墩试验结果。图4显示波面和波浪力的历时曲线，图5是波面和波浪力对应的振幅谱分析结果。试验组次采样时长为20.46 s，图中为20 s采样时间的历时曲线。

图4 开孔准椭圆沉箱单墩规则波作用下波面和波浪力历时曲线

由图4、5可见:正向波浪力历时曲线与波面历时曲线形状相似，谱分析中正向波浪力和波面的谱形状也一致，谱峰频率相同。由于相对波高H/d较大，波浪呈现较强的非线性特征，二阶频率影响不容忽视，高阶频率对正向力的影响较小。横向波浪力历时曲线与波面历时曲线形状不同，波浪遇到结构物而发生变形，伴随频率色散有高阶频率波的出现，因此横向波浪力历时曲线呈现锯齿形双峰现象。横向波浪力和波面的谱形状相似，谱峰频率相同。由于波浪非线性的特性，横向力谱分析以一阶、二阶频率为主，高阶频率对其有影响。

图5 开孔准椭圆沉箱单墩规则波波面和波浪力振幅谱

图6、7群墩试验结果显示:正向波浪力历时曲线与波面历时曲线比较，两者形状相似，周期相同;谱分析中正向波浪力和波面的谱形状也一致，谱峰频率相同。群墩与单墩相比，正向力与波面在历时曲线形状、周期、谱形状、谱峰频率、波浪非线性影响的规律基本一致，无明显变化。

图6 开孔准椭圆沉箱群墩规则波作用下波面和波浪力历时曲线

横向波浪力历时曲线与波面历时曲线形状呈现出很大区别，两侧沉箱对中间沉箱波浪反射的影响使得沉箱群墩间存在横向波，沉箱群墩间存在复杂流场，横向波浪力历时曲线多峰现象明显，横向波浪力周期比入射波浪周期短。谱分析发现横向波浪力与波面的谱形状有较大差异，横向波浪力的谱分析出现多个频率，一、二阶频率振幅基本相同，高阶频率也有较大振幅，沉箱群墩横向波浪力与高阶频率有关，且高阶频率影响很大。

图7 开孔准椭圆沉箱群墩规则波波面和波浪力振幅谱

群墩与单墩相比，沉箱迎浪面流场变化不大，沉箱侧面周围流场有较大区别，谱分析发现群墩横向波浪力出现多个频率。与正向波浪力相比，群墩效应对横向波浪力的影响更大。在研究准椭圆沉箱这种大结构时，需要考虑波浪非线性的影响;群墩与单墩在受力、流场等方面特征不同，尤其是作用于沉箱上的横向力与沉箱侧壁附近流场，群墩代替单墩进行准椭圆沉箱的水动力研究与设计是必要的。

2．2 群墩效应系数

图8和图9给出波浪以β=0°和β=22.5°入射时，规则波群墩效应系数随相对沉箱宽度变化的试验分析结果。横坐标KD为相对沉箱宽度，纵坐标为群墩效应系数。实心图例和实线是不开孔的试验分析结果;空心图例和虚线为开孔的试验分析结果。

图8 群墩效应系数与相对沉箱宽度的关系(β=0o，H/d=0．323)

图9 群墩效应系数与相对沉箱宽度的关系(β=22．5o，H/d=0．323)

3 结论

1)群墩效应对群墩间的流场改变较大，因而群墩与单墩相比，横向力的频谱不同。单墩谱分析显示横向力以一阶、二阶频率为主，群墩谱分析显示横向力除了一、二阶频率，高阶频率也有较大振幅，且高阶频率产生显著影响。

2)对大型结构准椭圆沉箱，波浪非线性的影响不容忽视，群墩代替单墩进行准椭圆沉箱的水动力研究与设计是必要的。

3)关于准椭圆沉箱的水动力特性需要进行系统研究，需考虑不规则波的作用，完善非线性波浪与复杂三维结构物相互作用的三维时域数值模型，为该结构形式的推广应用提供更好的技术支持。

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Experimental Study of the Regular Wave Force on the Multiple Quasi-ellipse Caissons

REN Xiao-zhong1，YU Bo2，MA Yu-4-xiang3，GUO Wei-jun4，MENG Yu-fan1，WU Di1
(1.Dalian Jiucheng Municipal Design Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116000，China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China; 3.CCCC and DUT Institute of Communication Technology Co.，Ltd.，Dalian Liaoning，116000，China;
4.Environmental Science and Technology College，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116000，China)

It is essential to investigate the hydrodynamic characteristic of quasi-ellipse caisson for its wider application.The experimental investigation of the regular wave forces on the multiple quasi-ellipse caissons is conducted.The experimental results indicate that the group effects of quasi-ellipse caissons on transverse wave forces are greater than that on positive wave forces.The perforated quasi-ellipse caisson on the sidewall has obvious effects on reducing the wave force in the transverse direction，but rather limited effects for positive wave forces.The nonlinear wave effect is vital for investigating the large-scale quasi-ellipse caissons.It is necessary to investigate the hydrodynamic characteristics of group caissons，rather than a single caisson.

quasi-ellipse caisson;wave loading;coefficients of the group caissons

U656.22

A

1671-7953(2015)02-0125-06

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.032

2014-11-07

修回日期:2014-12-17

国家自然科学基金(51109032);交通运输部应用基础研究项目(2013329225240)

任效忠(1981-)，男，博士，工程师

研究方向:海洋工程设计与研究

E-mail:renxiaozhong2000@163.com