李江文

(中交水运规划设计院深圳有限公司，广东 深圳 518054)

墩式沉箱结构是广泛应用于海洋工程建筑物的结构形式之一，作用于沉箱底面的波浪浮托力是影响结构抗倾、抗滑稳定的主要外荷载之一。墩柱底面的浮托力是基床内渗流在结构底面上的上扬压力，其精确解答是一定范围内的渗流问题[1]。国内外学者针对此问题做过系列的研究：邱大洪等[2-3]给出圆柱墩在波浪作用下底部浮托力的解析解，但由于墩柱底面波浪浮托力的影响因素较多，所以其实际工程应用尚有一定难度。因此，JTS 145—2015《港口与航道水文规范》中墩柱底面上周边的浮托力强度近似地采用相应点的环向波浪压力强度[4]，并假定墩柱底周边压强在波向上按线性分布，计算最大浮托力和同步浮托力[5]。

规范虽然给出圆柱底面波浪浮托力的计算方法，但其对于有一定埋深情况下的沉箱底面波浪浮托力如何计算未做说明。埋深的存在导致渗流中的水头损失，进而实际传递到墩柱底面的浮托力有所折减。但至于如何折减，因为理论的不成熟以及实际工程经验较少，有待进一步研究。

本文结合具体工程，通过规范计算与物理模型试验数据的对比分析，探讨埋深对于墩式沉箱底面波浪浮托力的影响。

1 工程概况

1.1 水文波浪条件

设计水位如下(当地理论最低潮面)：

极端高水位：3.12 m；

设计高水位：1.87 m；

设计低水位：0.30 m；

极端低水位：-0.16 m。

本工程水深浪大，波周期较长。极端高水位时，前沿水深为24.12 m，H1%波高为11.38 m，周期为11.1s。设计波要素见表1。

表1 50 a一遇设计波要素

1.2 转换平台结构方案

工程预留转换平台拟采用墩式方沉箱结构，沉箱尺寸为24.2 m×24.2 m(长×宽)(含趾宽1.7 m)，纵横向各5个仓隔。沉箱底高程为-24.0 m，为改善沉箱基底应力、保护沉箱基床防止冲刷等，沉箱周边抛填3 m厚、20 m宽护底块石，沉箱前沿底高程为-21.0 m，基本与原泥面齐平。沉箱上部盖板顶高程3.8 m，盖板通过立柱与上部墩台连接(图1)。

图1 预留转换平台结构断面(单位：m)

2 波浪整体物理模型试验结果

针对预留转换平台，波浪作用主要有直接作用在结构上的水平波浪力和沉箱底面的波浪浮托力。对于水平波浪力，规范中有较为可靠实用的计算方法；但对于一定埋深情况下沉箱底面波浪浮托力如何计算，尚缺乏依据。

为保障结构安全可靠，对预留转换平台进行了波浪整体物理模型试验研究。试验采用1:52正态物理模型，观测沉箱水平波压力和底面浮托力的大小及分布情况。沉箱水平波压力观测结果与规范计算结果基本相当。本文主要介绍沉箱底面浮托力观测结果。

为测量沉箱底面浮托力，在沉箱底板上布置6个传感器(图2)。

图2 沉箱底板浮托力测点布置

2.1 沉箱底部不同位置最大浮托力分布

图3a)、b)分别为极端高水位时E向和SSE向50 a一遇波浪作用下(2个方向波浪大小相同，均为设计波要素，见表1)、沉箱底板不同位置最大波浪浮托力分布情况。从图3可知，平行于波浪前进方向的沉箱底面最大波浪浮托力从迎浪面到背浪面递减。

图3 沉箱底最大波浪浮托力分布(单位：kPa)

另外，如果将矩形沉箱等效为圆沉箱，以沉箱中心为圆心，E向波浪作用时，沉箱底部不同位置的浮托力中的最大值出现的位置，即图3a)中27#点与波浪前进方向存在一定的夹角，这一结果与文献[6]中圆沉箱底部波浪浮托力分布有类似之处。

2.2 沉箱底面同步浮托力总力

以上给出最大波浪浮托力分布，但结构稳定核算更关注水平波浪力最大时的墩柱底面浮托力，即同步浮托力。表2为典型波浪作用下，水平波浪力最大时的沉箱底板同步浮托力总力测量统计结果。

表2 50 a一遇波浪作用，水平波浪力最大时的沉箱底板同步浮托力

由于试验未给出沉箱底板同步浮托力的具体分布情况，笔者假设波浪正向作用时，浮托力沿沉箱长度方向均匀分布，且沉箱底部波浪浮托力在波浪前进方向上线性分布。对E向波浪作用时的试验结果进行分析，极端高水位时，沉箱底部同步浮托力为8 077 kN，即333.76 kN/m，此时的沉箱迎浪面底部3个测点的最大浮托力平均值为32.7 kPa。可以反求出沉箱底部浮托力分布宽度约为20.41 m，小于沉箱宽度24.2 m，即沉箱底部浮托力近似三角形分布，且浮托力为0处在沉箱底板中后部(图4)。

图4 基于线性分布假设的沉箱底板浮托力分布

沉箱底部浮托力分布范围与沉箱尺度、波浪参数均有直接关系，波浪浮托力0点不一定出现在沉箱后趾，可能出现在沉箱中部，也可能后趾处浮托力> 0。

3 埋深对墩式沉箱底面波浪浮托力的影响分析

3.1 迎浪面位置最大浮托力强度对比

墩柱底面上的浮托力强度近似采用z=0时的的环向波压力强度。根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》10.3.6条，在不考虑沉箱埋深情况下，任何相位时的圆柱体表面上环向波压力强度p按下式计算：

f2sinωt-f0cosωt)

(1)

式中：H、L分别为建筑物所在处的行进波波高(m)和波长(m)；z为计算点距水底的高度(m)；ω为圆频率(s-1)；t为时间(s)；θ为计算点同柱体圆心的连线与波向线间的夹角(°)；f0、f1、f2、f3为与柱体直径D与波长比值D/L相关的系数。

迎浪面位置的最大浮托力强度p计算值与物模试验结果对比见表3。

表3 迎浪面位置最大浮托力强度与物理模型试验结果对比

注：1.规范计算结果未考虑埋深对浮托力影响；2.物模试验结果为E向浪时，迎浪面27#、30#、33#3个测点的平均值(图3)。

3.2 沉箱底部同步浮托力总力对比

按照《港口与航道水文规范》附录Q计算了沉箱底部同步浮托力总力，并与物模试验结果进行对比(表4)。

表4 沉箱底面同步浮托力规范计算结果与物理模型试验结果对比

注：规范计算结果未考虑埋深对浮托力影响；物模试验结果，选取浮托力实测最大时的SSE向浪。

4 结语

1)规范计算与模型试验的波浪浮托力与水位变化趋势一致：对于本工程而言，沉箱底面波浪浮托力在极端低水位时最大、极端高水位时最小。

2)沉箱底面不同位置的最大波浪浮托力强度总体上从迎浪面到背浪面递减；极端高水位时，迎浪面位置最大浮托力强度物模试验实测值/规范计算值=0.58。

3)对于本工程而言，不同水位时，沉箱底面同步浮托力总力的物模试验实测值与规范计算值的比值在0.55～0.61之间，且水位越低时，此比值越大。

4)埋深对沉箱底面波浪浮托力有一定的折减作用，具体折减程度须结合埋深、土质、沉箱尺寸、波浪参数等综合确定。沉箱尺度较大时，波浪在墩柱底面传播过程中的能量耗散相对较大；波高、波长及周期较大时，非线性影响较强，也导致规范计算的浮托力偏大。

5)本文结果仅为本工程个例，类似情况建议通过模型试验确定沉箱底部波浪浮托力。