李坡

MIKE21在碼頭樁基“群樁”效應(yīng)分析中的應(yīng)用

李坡

河道范圍內(nèi)建設(shè)樁基必然產(chǎn)生阻水，導(dǎo)致局部水位、流場(chǎng)發(fā)生變化，防洪影響評(píng)價(jià)中往往需要對(duì)其進(jìn)行分析，目前主要是采用橋涵水文公式分析水位、流速變化，但該方法停留在一維計(jì)算層面。碼頭下部樁基數(shù)量較多，對(duì)水位、流場(chǎng)影響相互疊加，形成“群樁效應(yīng)”，一維計(jì)算難以定量分析水位、流場(chǎng)變化，為此，引入MIKE21軟件進(jìn)行二維水動(dòng)力模型分析，可快速分析出工程前后河段水位、流場(chǎng)變化。

一、工程概況

某碼頭工程左岸為淮北大堤饒荊段、右岸為淮南工礦圈堤以及淮河左右汊間上、下六坊堤行洪區(qū)。工程從上游向下游依次布置1個(gè)件雜貨泊位、3個(gè)散貨泊位，泊位總長(zhǎng)322m。碼頭為直立高樁梁板式結(jié)構(gòu)，泊位順岸連片引橋式布置，前沿線位于河唇線以內(nèi)，港池采用后退切灘形成。碼頭前沿設(shè)計(jì)平臺(tái)高程25.00m，前沿設(shè)計(jì)河底高程12.5m。港池開(kāi)挖坡度采用1∶3。

碼頭平臺(tái)尺寸88m×25m，采用7m的排架間距，設(shè)13榀排架，排架基礎(chǔ)為φ100cm鉆孔灌注樁，每榀排架設(shè)5根樁。平臺(tái)后方上、下游端部設(shè)置1#和2#汽車(chē)引橋，長(zhǎng)分別為119.4m、111.1m，寬均為9m。引橋基礎(chǔ)采用φ100cm鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)1.5m厚承臺(tái)，上部接φ80cm立柱，排架間距為16m，每榀排架設(shè)有2根樁。

散貨泊位碼頭平臺(tái)尺寸234m× 15m，采用7m的排架間距，設(shè)34榀排架，排架基礎(chǔ)φ100cm鉆孔灌注樁，每榀排架設(shè)3根樁。裝船機(jī)支墩尺寸9m×6m，基礎(chǔ)為4根φ100cm鉆孔灌注樁。2#泊位與3#泊位之間的碼頭平臺(tái)后方設(shè)置配電房平臺(tái)1座，尺寸20m×12m，上部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺(tái)，基礎(chǔ)為6根φ100cm鉆孔灌注樁。

二、二維水動(dòng)力模型分析

1.計(jì)算范圍

模型計(jì)算范圍取淮干峽山口～田家庵全長(zhǎng)約30km的河段，涵蓋燈草窩、上六坊堤、下六坊堤行洪區(qū)。模型采用三角形網(wǎng)格，并對(duì)主河槽內(nèi)及碼頭工程區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密。尺寸為1～35m不等，其中主河槽及規(guī)劃航道內(nèi)為8～12m，工程區(qū)最小網(wǎng)格尺寸為 1m，邊灘河槽網(wǎng)格20～35m。

2.邊界條件

模型設(shè)置上下游2條開(kāi)邊界，其中上游為 100年一遇流量控制邊界10000m3/s、下游為百年一遇水位控制邊界24.94m。

圖1 碼頭總平面布置圖

圖2 碼頭樁基平面分布圖

圖3 工程河段計(jì)算網(wǎng)格圖

圖4 碼頭網(wǎng)格局部加密圖

3.樁柱工程概化

計(jì)算區(qū)域中有大量墩柱，因此須考慮樁群阻力，在數(shù)學(xué)模型中對(duì)于樁群的模擬按照實(shí)際工程尺度進(jìn)行模擬通常存在一定困難，現(xiàn)有的處理方法主要有加密網(wǎng)格法和附加糙率法。加密網(wǎng)格法對(duì)于含墩柱較多、尺度較小且形狀較為復(fù)雜的情況，其適用性就會(huì)受到影響；附加糙率法是認(rèn)為在河床底部布置眾多豎向條桿加糙后的水流狀況與繞過(guò)墩柱群的水流流態(tài)具有一定的相似之處，因此，可以考慮通過(guò)加大墩柱群區(qū)域河底糙率的方法來(lái)模擬工程實(shí)施后對(duì)水流的影響。此次在數(shù)模計(jì)算過(guò)程中，采用網(wǎng)格加密法與加糙法相結(jié)合的方法，碼頭引橋下方樁柱較為稀疏，按樁柱實(shí)際尺寸對(duì)附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，對(duì)碼頭承臺(tái)下方樁柱較為密集，采用加糙的方法來(lái)模擬樁基群的阻水效應(yīng)。

圖5 工程前碼頭位置地形圖

圖6 工程后碼頭位置地形圖

圖8 工程后碼頭處流場(chǎng)圖

圖9 工程前水位分布圖

圖10 工程后水位分布圖

4.參數(shù)選取

根據(jù)淮河的河道特征并綜合以往淮河數(shù)學(xué)模型的糙率取值，此次n0= 0.015，n1=0.04。河槽的糙率約在0.015～0.025之間，邊灘和近岸糙率在0.03～0.04之間。時(shí)間步長(zhǎng)120s。干水深0.005m，淹沒(méi)水深0.05m，濕水深度0.1m。

5.計(jì)算工況

分別按照工程前、工程后進(jìn)行分析。計(jì)算工況分現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況兩種工況：其中現(xiàn)狀工況為下六坊堤不鏟除，規(guī)劃工況為下六坊堤全鏟除。

6.計(jì)算結(jié)果

（1）現(xiàn)狀工況

現(xiàn)狀100年一遇洪水條件下，工程前原河道主槽流速在0.8～1.05m/s之間，邊灘流速在0.1～0.4m/s之間，工程后受碼頭引橋樁基群的阻水效應(yīng)以及碼頭港池的開(kāi)挖影響，碼頭附近流速有所減小，河道主槽流速在0.7～0.9m/s之間，邊灘流速在0.1～0.3m/s。此外受樁柱的束水作用，樁柱間流速呈增加趨勢(shì)，相比工程前約增加0.01～0.03m/s；樁柱（下游）背水面約10m范圍內(nèi)流速呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為0.05m/s。

由于碼頭引橋下方存在大量樁基，形成群樁阻水效應(yīng)，碼頭附近河段水位工程后較工程前有所增加，平均增加幅度在0.03m，其中引橋樁基上下游5m范圍內(nèi)水位增幅較大，局部達(dá)到了0.05m。

（2）規(guī)劃工況

規(guī)劃100年一遇洪水條件下，工程前原河道主槽流速在0.8～1.0m/s之間，邊灘流速在0.1～0.4m/s之間，工程后受碼頭引橋樁基群的阻水效應(yīng)以及碼頭港池的開(kāi)挖影響，碼頭附近流速有所減小，河道主槽流速在0.7～0.85m/s之間，邊灘流速在0.1～0.3m/s。此外受樁柱的束水作用，樁柱間流速呈增加趨勢(shì)，相比工程前約增加0.01～0.03m/s；單個(gè)樁柱（下游）背水面約10m范圍內(nèi)流速呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為0.05m/s。

碼頭附近河段水位工程后較工程前有所增加，平均增加幅度在0.05m，其中樁基上下游5m范圍內(nèi)水位增幅較大，局部達(dá)到了0.07m。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析，100年一遇洪水條件下，水利規(guī)劃實(shí)施前后，受碼頭引橋樁基群的阻水效應(yīng)以及碼頭港池的開(kāi)挖影響，碼頭附近流速均有所減小。受樁柱的束水作用，樁柱間流速呈增加趨勢(shì)；樁柱下游一定范圍內(nèi)流速呈減小趨勢(shì)。碼頭附近河段水位工程后較工程前后均有所增加。

碼頭平臺(tái)下方樁基數(shù)量較多，對(duì)水位、流場(chǎng)影響相互疊加。MIKE21可快速有效對(duì)流場(chǎng)、水位變化進(jìn)行定量分析，為主體設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，在設(shè)計(jì)中值得推廣

（作者單位：安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 230000）