馮延奇，孫大鵬，吳 浩，行天強(qiáng)，夏志盛，董 浩

（大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，大連116024）

明基床上開孔沉箱不規(guī)則波水平力試驗(yàn)研究

馮延奇，孫大鵬，吳 浩，行天強(qiáng)，夏志盛，董 浩

（大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，大連116024）

通過不規(guī)則波作用下明基床上開孔沉箱的波浪力物模試驗(yàn)，并綜合考慮消浪室相對(duì)寬度、相對(duì)基床高度、波陡、相對(duì)水深、開孔率等影響因素，采用多元回歸的方法，擬合給出開孔沉箱所受波浪總垂直力極值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力的計(jì)算關(guān)系式。經(jīng)對(duì)比分析，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。

明基床；開孔沉箱；不規(guī)則波；水平力

開孔沉箱結(jié)構(gòu)最早由Jarlan［1］于20世紀(jì)60年代提出，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得入射波與反射波在沉箱前形成相位差，從而顯著減小結(jié)構(gòu)物的波浪反射系數(shù)、波浪力，故近些年在港口與海岸工程中受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。Tanimoto［2］等利用物理模型試驗(yàn)結(jié)合理論分析研究了開孔沉箱的反射特性。Bergmann H［3］等研究了波浪作用下開孔直墻的波浪力特性。張芹、戴冠英［5］等對(duì)波浪作用下開孔直立結(jié)構(gòu)的反射、透射性能及波浪對(duì)開孔直立結(jié)構(gòu)作用力進(jìn)行了試驗(yàn)分析。李玉成［4］、陳雪峰［6-7］、姜俊杰等［8］利用物模試驗(yàn)結(jié)合理論分析研究了暗基床上開孔沉箱反射系數(shù)及波浪力并給出計(jì)算關(guān)系式。萬(wàn)慶宇［9］、路偉［10］、夏志盛［11］等對(duì)中、低基床上開孔沉箱波浪水平力、垂直力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)際工程中開孔沉箱常常修建于明基床之上，而目前明基床上開孔沉箱所受波浪力的研究成果尚鮮見報(bào)道，本文對(duì)明基床上的開孔沉箱所受水平波浪力進(jìn)行研究分析，對(duì)實(shí)際工程具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)50 m，寬0.7 m，深1 m，最大工作水深為0.7 m。開孔沉箱模型由有機(jī)玻璃制成，開孔沉箱物理模型及試驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 物理模型試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Sketch of experimental model

點(diǎn)壓力儀布置、開孔型式及細(xì)部尺寸如圖2所示，試驗(yàn)中開孔率μ分別取0.2、0.4；消浪室寬度bc分別取0.15 m、0.20 m、0.30 m；基床高度分別取0 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m，前后肩寬均為0.25 m。在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)水深d保持0.40 m不變。

在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)水深d保持0.40 m不變。圖2-a，2-b中實(shí)心點(diǎn)表示點(diǎn)壓力正方向?yàn)橛嗣娣较?，空心點(diǎn)表示點(diǎn)壓力正方向?yàn)楸忱嗣娣较?；圖2-c中實(shí)心點(diǎn)表示點(diǎn)壓力正方向垂直向下，空心點(diǎn)表示點(diǎn)壓力正方向垂直向上。不規(guī)則波試驗(yàn)波要素如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)參數(shù)變化范圍Tab.1 Experimental conditions and the scope of experimental parameters

圖2 開孔沉箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图包c(diǎn)壓力安裝示意圖Fig.2 Sketch of distribution of the pressure transducers

2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中，開孔沉箱所受波浪力可分為總水平力與總垂直力?？偹搅槌料溆嗣?、背浪面與消浪室后實(shí)體板所受波浪力合力；總垂直力為消浪室中動(dòng)水壓力與沉箱底部所受浮托力的合力。如圖3所示，由于開孔沉箱的結(jié)構(gòu)特性，其所受到的總垂直力與總水平力之間存在一定的相位差，即兩者不在同一時(shí)刻到達(dá)峰值或谷值，總垂直力極值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力小于總水平力的極值。

圖3 不規(guī)則波作用下開孔沉箱受力的時(shí)間過程線Fig.3 Time series of total force acting on the perforated caisson under the influence of irregular waves

用Ph′表示總垂直力極值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力，Ph表示對(duì)應(yīng)的總水平力極值，Ph′/Ph表示總垂直力極值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力相對(duì)于總水平力極值的折減系數(shù)。

根據(jù)Li［4］等人的研究分析可知，Ph′/Ph與各影響因素存在如下相關(guān)關(guān)系

式中：hm為基床高度；d為試驗(yàn)水深；bc為消浪室相對(duì)寬度。

2.1總垂直力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力分析

采用單因次分析方法逐一考查Ph′/Ph與消浪室相對(duì)寬度bc/L1/3、相對(duì)基床高度hm/L1/3、相對(duì)水深d/L1/3、波陡H1/3/L1/3及開孔率μ之間相關(guān)關(guān)系。

1）保持bc、hm、d、H1/3、μ不變，只改變消浪室相對(duì)寬度bc/L1/3，得到Ph′/Ph與bc/L1/3之間的相關(guān)關(guān)系。如圖4所示，Ph′/Ph與bc/L1/3非線性相關(guān)，兩者呈二次曲線關(guān)系。

圖4 消浪室相對(duì)寬度與Ph′/Ph之間的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relation between relative chamber width andPh′/Ph

2）保持bc、d、H1/3、μ不變，只改變相對(duì)基床高度hm/L1/3，得到Ph′/Ph與hm/L1/3之間的相關(guān)關(guān)系。如圖5所示，Ph′/Ph與hm/L1/3非線性相關(guān)，兩者呈二次曲線關(guān)系。

圖5 相對(duì)基床高度與Ph′/Ph之間的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relation between relative foundation height andPh′/Ph

3）保持bc、hm、d、μ不變，只改變波陡H1/3/L1/3，得到Ph′/Ph與H1/3/L1/3之間的相關(guān)關(guān)系。如圖6所示，Ph′/Ph與H1/3/L1/3之間呈線性關(guān)系。

圖6 波陡與Ph′/Ph之間的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relation between wave steepness andPh′/Ph

4）考察Ph′/Ph與d/L1/3之間的相關(guān)關(guān)系時(shí)，選取適當(dāng)?shù)腷c、hm、d、μ保持bc/L1/3、H1/3/L1/3基本不變，只改變相對(duì)水深d/L1/3，得到Ph′/Ph與d/L1/3之間的相關(guān)關(guān)系。如圖7所示，Ph′/Ph與d/L1/3非線性相關(guān)，兩者呈二次曲線關(guān)系。

圖7 相對(duì)水深與Ph′/Ph之間的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Relation between relative depth andPh′/Ph

5）由圖8可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，Ph′/Ph隨開孔率的增大而減小，由于本次試驗(yàn)只選取0.2、0.4兩種開孔率，所以假設(shè)Ph′/Ph與開孔率μ之間呈線性關(guān)系。

圖8 開孔率與Ph′/Ph之間的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relation between porosity andPh′/Ph

綜上所述，總垂直力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力相對(duì)于總水平力峰值的折減系數(shù)Ph′/Ph與bc/L1/3、hm/L1/3、d/L1/3之間呈非線性關(guān)系，與H1/3/L1/3、μ之間呈線性關(guān)系。采用最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到折減系數(shù)Ph′/Ph與各影響因素的計(jì)算關(guān)系公式如下

圖9 Ph′計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Fig.9 Comparison ofPh′between calculated and measured values

式（1）的相關(guān)性系數(shù)R=0.930，說明擬合公式的相關(guān)性良好。

為驗(yàn)證式（1）的準(zhǔn)確性，將不規(guī)則波作用下的總水平力峰值的試驗(yàn)值代入式（1），并將所得到的P′h的計(jì)算值與其試驗(yàn)值比較。如圖9所示，表明計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。綜上，式（1）可供計(jì)算明基床上開孔沉箱總垂直力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力時(shí)參考和應(yīng)用。

2.2總垂直力谷值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力分析

沿用總垂直力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力分析方法，得到折減系數(shù)Ph′/Ph與各影響因素的計(jì)算關(guān)系公式如下

式（2）的相關(guān)性系數(shù)R=0.881，說明擬合公式的相關(guān)性良好。

為驗(yàn)證式（2）的準(zhǔn)確性，將不規(guī)則波作用下的總水平力峰值的試驗(yàn)值代入式（2），并將所得到的Ph′的計(jì)算值與其試驗(yàn)值比較，如圖10所示，表明試驗(yàn)值與計(jì)算值的擬合良好。綜上，式（2）可供計(jì)算明基床上開孔沉箱總垂直力谷值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力時(shí)參考和應(yīng)用。

圖10 Ph′計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Fig.10 Comparison ofPh′between calculated and measured values

2.3試驗(yàn)計(jì)算公式應(yīng)用范圍的討論

李玉成［4］研究不規(guī)則波作用下暗基床開孔沉箱所受總垂直力極值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力與總水平力之比，擬合出計(jì)算關(guān)系公式，并已納入《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》［12］，其中，不規(guī)則波作用下總垂直力達(dá)到峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力計(jì)算公式

不規(guī)則波作用下總垂直力達(dá)到谷值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力計(jì)算公式

式中：P′hc1表示總垂直力峰（谷）值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力；Phc0表示實(shí)體沉箱總水平力的峰（谷）值。

在暗基床的條件下，采用本文公式（1）、（2）和公式（3）、（4）得到的總垂直力峰（谷）值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比如圖11所示，可見本文公式得到的計(jì)算值較好地吻合試驗(yàn)值，故本文公式能夠適用于暗基床的結(jié)構(gòu)型式。

在明基床條件下，同樣分析總垂直力峰（谷）值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力，本文公式（1）、（2）和公式（3）、（4）的計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比如圖12所示，可見本文公式與規(guī)范公式計(jì)算值相比，本文公式和試驗(yàn)值吻合得更好一些。

圖11、圖12的對(duì)比分析表明，規(guī)范公式在明基床條件下的使用具有局限性，而本文公式可通用于暗基床與明基床的結(jié)構(gòu)型式。

圖11 暗基床上總垂直力極值時(shí)刻P′h計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.11 Comparison ofP′hbetween calculated and measured values when total vertical force reach its peak（valley）

3結(jié)論

（1）物模試驗(yàn)過程中，綜合考慮消浪室相對(duì)寬度、相對(duì)基床高度、相對(duì)水深、波陡、開孔率等諸多影響因素，分析給出不規(guī)則波作用下明基床上開孔沉箱所受總垂直力峰（谷）值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力與總水平力峰（谷）值比值的計(jì)算關(guān)系式，且計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。

（2）現(xiàn)行《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》僅給出暗基床條件下的開孔沉箱波浪力計(jì)算公式，且在計(jì)算式中引入相位差，公式較為復(fù)雜。本文直接討論開孔沉箱所受波浪總垂直力極值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的總水平力與總水平力極值之比與各影響因素之間的相關(guān)關(guān)系。通過對(duì)比分析，規(guī)范公式在明基床條件下有局限性，而本文計(jì)算公式通用于明基床與暗基床的結(jié)構(gòu)形式。

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［11］孫大鵬，張玉彬，夏志盛，等.明基床上開孔沉箱垂直力峰值對(duì)應(yīng)的水平力分析［J］.海洋工程,2014（5）:49-58. SUN D P,ZHANG Y B,XIA Z S,et al.Analysis on total horizontal forces of perforated caisson sitting on rubblemound foundation while total vertical force reaches its peak［J］.The Ocean Engineering,2014（5）:49-58.

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Experimental study of horizontal forces acting on perforated caisson on rubble mound foundation under irregular waves

FENG Yan?qi,SUN Da?peng,WU Hao,XING Tian?qiang,XIA Zhi?sheng,DONG Hao
(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024，China)

Through the experiments of the interaction between waves and perforated caisson,under the condi?tion of irregular waves with rubble foundation,the relationships between the total horizontal force corresponding the moment of crest(valley)value of total vertical force and main influencing factors including the relative chamber width,the relative foundation height,the wave steepness,the relative depth and the porosity of perforated caisson have been systematically investigated.The empirical formula of these relationships has been presented and the re?sults of empirical and the experimental data show good consistency with each other.

rubble mound foundation;perforated caisson;irregular wave;horizontal force

TV 139.2

A

1005-8443（2016）04-0325-06

2016-01-27；

2016-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279027；51221961）

馮延奇（1991-），男，江蘇省沛縣人，碩士研究生，主要從事海岸和近海工程研究。

Biography：FENG Yan?qi(1991-),male,master student.