准椭圆沉箱在规则波作用下水平波浪力的计算

口宙囫圜　施工技术与应用　

准椭圆沉箱在规则波作用下水平波浪力的计算　

任效忠　张源　纪师明。孟宇凡　大连　青岛　大连。　

大连九成市政设计有限公司　１　１　６０００，　中交一航局第二工程有限公司２６６０００　中交一航局第三工程有限公司　１　１　６０００。　

摘要：本文主要介绍了基于二维源分布法计算准椭圆沉箱规则波水平波浪力。数值模型的计算可靠性进行了验证，充分说明本　

模型的计算结果成立、可靠。应用本计算模型对入射波向。、沉箱相对宽度ｋＤ、相对长宽比西曰与无量纲波浪力之间的关系进行了讨　

论，得出一些对工程实际有应用价值的结论。　

关键词：准椭圆沉箱；二维源分布法；入射波向；水平波浪力　

１引言　３数值模型的验证　

基于世界贸易远距离海运的需要及船舶大型化的航运业发展趋势，开敞　

式深水码头建设逐渐增多。开敝式深水码头的结构型式中，重力墩式码头始　终是开敞式深水码头优先考虑的结构型式＿】Ｉ，尤其目前软基处理能力有了很　

大的提高，重力式码头的应用空间更为广阔。　

准椭圆沉箱目作为新型深水开敞式码头结构形式，其水平断面由前后两　

个半圆和中间一个矩形构成，突破了以往多为圆沉箱的结构型式。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，具有波浪壅　

高明显减小，降低码头作业高程，实现良好的使用性能，具有突出经济效益，　

具备良好的推广应用前景　。　

２数值模型　

二维源分布法模型基于线性简谐波理论，假定流体是无旋的，不可压缩　

的，水深为定值，水底及结构物表面是不可渗透的。图ｌ所示为平面坐标系统，　

两边省去ｅ蛔　的二维入射波势函数巾　（　，Ｙ）　

（　，Ｙ）＝ｅ　“。。　。　∞　（１）　

其中　为人射波数，。为人射波传播方向与ｘ轴正向的夹角。　

引用单层势函数理论第ｆ个墩柱对水域中任意点ｐ的二维散射波势函数　

（ｐ）为　

）　』　（Ｑ）　）］　（２）　

式中　（Ｑ）为第，个墩柱边界上Ｑ点的源分布强度，棚　（　）为零阶第　

一类Ｈａｎｋｅｌ￣数，是满足Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ辐射条件Ｉ￣ＪＨｅｌｍｈｏｌｔｓ方程的一个解。　

Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ辐射条件：　

ｎｒｎ　［警一　１－０　

Ｈｅｌｍｈｏｈｓ方程：　

＋　州＝。　（４）　

准椭圆沉箱上的水平波浪力可以通过结构物物面上的水动压力积分得　

到，水动压力由伯努利方程的线性化形式给出。压力ｐ和波面为：　

ｐ＝一ｐ．Ｒｅ（　］　＝Ｒｅ　ｐ　（五　，ｚ，，）】　（５）　

一吉．　（詈）一　］　㈣　

・　

｜　—Ｔ、＼　

．　

。４ｏｏ’　一　

厂　’　］　

Ｌ．　Ｉ／。　．．．．．１／　

图１平面坐标及沉箱示意图　Ｘ　本文建立数值模型计算了直立圆柱水平波浪力，与有限水深中直立圆柱　

的波浪绕射解析解相比较，进行对本文建立数值模型的验证。　

准椭圆沉箱的模型尺度及波浪要素为：圆柱半径ａ＝７．５ｍ，波浪周期　

６．５～１２．５ｓ，波高Ｈ＝２．０ｍ，水深ｄ＝２０ｍ。入射波向ａ＝０。。　

直立圆柱水平波浪力的数值计算结果与解析解表明，两者结果吻合的非　

常好；周期为６．５ｓ、９．５ｓ、１２．５ｓ，对应的数值解为２８９５ＫＮ、２８５２ＫＮ、２３４３ＫＮ，相　

应的解析解为２９７０ＫＮ、２９２０ＫＮ、２４０１ＫＮ。数值结果略小于解析解，幅度约为　

２．５％。验证结果说明：本模型的计算结果成立、可靠。　

４计算结果讨论　

在数值模型验证的基础上，对单个准椭圆沉箱墩柱水平波浪力进行了系　

统的计算。沉箱波浪力的影响因素较多，通过量纲分析　可以消除变量量纲上　

的差异。将规则波数值模拟的准椭圆沉箱波浪力无量纲化，得到无量纲波浪　

总力　。　

Ｆ＝Ｆ／｛ｐｇ（Ｂ＋Ｄ）ｄＨ［ｔａｎｈ（ｋｄ）／／￣／Ｉ｝　（７）　

图２给出无量纲规则波波浪总力Ｆ不同波向时的比较。图中，横坐标为相　

对沉箱宽度，纵坐标为无量纲规则波波浪总力Ｆ。　

沉箱相对长宽比Ｂ／Ｄ为Ｏ是准椭圆沉箱的特例，此时准椭圆沉箱变为圆沉　

箱；对不同入射波向，无量纲波浪总力Ｆ相等。沉箱相对长宽比Ｂ，Ｄ大于０时，　

呈现出准椭圆沉箱有别于圆沉箱的特征。波浪人射角度的增大，沉箱侧面受　

到了波浪作用，它此时承受的波浪力相对于沉箱波浪总力已经不容忽略；虽　

然沉箱正面半圆部分有效受力面积减少，但沉箱侧面有效受力面积快速增　

加，所以波浪迎浪面总的有效受力面积增大；随着波浪入射角度的增大，尤量　

纲波浪总力Ｆ增大。　

随着相对长宽Ｉ￣Ｂ／Ｄ的增大，　

波浪人射角度对无量纲波浪总力　

Ｆ的影响增大。相对长宽比Ｂ／Ｄ越　

大，不同波浪入射角度对应的无　

量纲波浪总力　相差越大。Ｂ／Ｄ为　

０时，各个人射波向无量纲波浪总　

力Ｆ相等；Ｂ／Ｄ为０．６时，入射波向　

为４５。的计算结果约为入射波向　

为０。的计算结果的１．５倍；Ｂ／Ｄ为　

１．２时，入射波向为４５。的计算结果　

约为入射波向为０。的计算结果的　

２．Ｏ倍。　（ａ）【Ｂ＝０．０Ｄ）　

（ｂ）∞＝０．６Ｄ）　（ｃ）　＝１．２Ｄ）　

图２无量纲波浪总力　不同入射波向时的比较　５结论　施工技术与应用　

本文建立了基于二维源分布法计算准椭圆沉箱规则波水平波浪力的数　

学模型，研究了入射波向对准椭圆沉箱水平波浪力的影响，得到如下结论：　

ｌ、本数值模型的验证结果表明：基于二维源分布法建立的数值模型适合　

应用于准椭圆沉箱水平波浪力的计算，本模型的计算结果成立、可靠。　

２、除圆沉箱外，随着波浪入射角度的增大，无量纲波浪总力　增大。随着　

相对长宽比Ｂ／Ｄ的增大，波浪人射角度对无量纲波浪总力Ｆ的影响增大。　

３、Ｂ／Ｄ为０．６时，入射波向为４５。的计算结果约为入射波向为０ｏ的计算结果　

的１．５倍；Ｂ／Ｄ为１．２时，入射波向为４５。的计算结果约为人射波向为０。的计算结　

果的２．０倍。　

４、本文所建立的数学模型计算准椭圆沉箱水平波浪力具备模型实用、计　ｊ日墨团圆！　

算简单、运算高效、计算精度可靠、适合多种设计边界条件的快速计算等优　

点，可为工程设计及时提供成果，服务于工程设计。　

参考文献　

［１】昊涛，孙树民深水开敞式码头结构型式的发展概况Ⅱ】＿广东造船，２００１，（３）：　

４９－５１　『２Ｉ白景涛，胡家顺．椭圆沉箱墩式码头新结构的研究与设计ｏ】．水运工程，２００６，　

（１１）：２５—３０．　・　［３］董中亚．椭圆沉箱浮游稳定的计算法【Ｉ１．水运工程，２ｏｏ８（１）：５３—５９．　

【４］Ｋｙｕｎｇ—Ｄｕｃｋ　Ｓｕｈ，８ｕｎｇｗｏｎ　Ｓｈｉｎ，Ｄａｎｉｅｌ　Ｔ．Ｃｏｘ．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　

Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｐｉｌｅ—Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｗａｌｌ　Ｂｒｅａｋｗａｔｅｒｓ　Ｕ１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　

Ｗａｔｅｒｗａｙ，Ｐｏｒｔ，Ｃｏａｓｔａｌ，ａｎｄ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，１３２（２）：８３—９６．　

（上接第３９３页）完成并接近初凝时要进行第二次的搓压，每半小时进行一　

次，进行３—５次即可。　

（５）在混凝土的建筑＿Ｔ作完毕之后，需要对混凝土进行必要的养护。在　

混凝土初凝之后，在其表面用一层塑料薄膜进行养护，其覆盖要严谨，不能出　

现漏盖现象。　

（６）混凝土有１００％的设计强度之后才能拆除转换层的支撑体系，转换梁　

的侧模需要在浇筑了混凝土７天后拆除，延迟其拆除时间将对转换梁混凝土　

的养护有利。　

３．总结　

本文对高层住宅楼的转换梁结构支撑体系的施工进行了仔细的研究，从　支撑体系的设计、稳定实施到工程的验收、检查及检测，本文均作出了具体的　

探究，并利用实例及其相关参数进行了具体说明，对高层建筑具有实践性的　

指导作用。　

参考文献：　

【１】祝群．某高层住宅楼转换梁结构支撑体系施工技术Ｕ】ｌ四川建筑科学研究，　

２０１３，３９（４）：３８４—４０１　

［２】肖翠兰．某住宅楼转换层施工技术　施工技术，２００９，３８（９）：１０８—１１０　

【３】常桂楫，修宽章高层住宅楼转换层施工方法卟施工技术，１９９８，７（２７）：４２—４３　

【４］郑字亮．高层建筑转换层工程施工问题研究　科技致富向导，２０１０，１６（５）：１０５　

（上接第３９８页）资的处理应该做好防护工作，避免大雨对物资造成的损害。在　

吊装机器进行施Ｔ的时候如果遇到大雨，那么可以先暂停作业，如果急需作　

业，那么一定要采取非常安全而有效的防风手段才能进行施工，如果不是，那　

么可以暂时停　，这样也有利于保护财产和人员的安全。因此，在雨天，对于　

不能施工的工序必须进行停止，合理安排施工顺序，在天气好转的时候才能　

再次进行施工。同时，我们也在上文中提到过，在泥浆的混合过程中，钻孔时　

要及时调整泥浆的混合比重，否则对于钻孔的危害是十分大的。　

４．总结　

桥梁建造的过程中，由于对技术要求以施工的具体方面为主，因此对方　案的执行能力牵扯到桥梁建造的好坏。在桥梁大直径超长桩基成孔施工技术　

中更是如此，本文从前期准备、中期技术、后期安全注意事项出发，分别说明　

了在施工中技术的应用和技术细节的处理措施。对于施工技术的掌控应该是　

非常有必要的。　

参考文献　

【１Ｊ１自杰，朱德利．大直径超长嵌岩桩基成孔施工技术【『１．城市道桥与防洪，　

２０１１，１０：８２－８６＋９．　（２］殷坤宇．山区陡坡桥梁桩基施工标准化技术研究【Ｄ１．长安大学，２０１２．　

【３】周政￣－ＲＣＭＬ灌注桩施工及承载试验研究ＥＤ】．长安大学，２０１２．　【４］卢普伟大直径超长钢管桩应用研究『Ｄ】．天津大学，２０１１．　

（上接第３９９页）４．３隧道防排水施工注意事项　

１、排水盲管管材及直径等参数、透水孔规格及间距、环向排水盲管沿纵　

向设置间距等要符合设计要求。　

２、排水盲管要紧贴着渗水岩壁进行安装和设置，以降低地下水由于围岩　

进入排水盲管阻力，布置时要注意圆顺，不能起伏不平。　

３、排水盲管要牢固固定，采取措施避免水泥浆窜入，堵塞排水盲管。纵向　

排水盲管安装坡度要符合相关要求，通向水沟的泄水管要具备一定的坡度。　

４、排水板铺设时要注意以下几点：铺设之前割除混凝土衬砌表面外露的　

锚杆头、钢筋头等，凹凸不平的地方要先喷平，确保混凝土表面平顺；局部漏　

水的地方先进行处理；防水板，尤其是凹凸较大的基面，预留出一定的松散系　数；防水板与泄水孔之间密闭性连接；防水板铺设地段和开挖工作面之间的　

距离要大于爆破安全距离；衬砌混凝土灌注之前进行防水板质量的检查；注　

意采取消防措施，严禁烟火。　

５、防水混凝土进行施工时每一组应当尽量一次灌注完成，施工时注意振　

捣密实，插入式振捣器插人间距要小于其有效半径的１．５倍，避免出现欠振、　

漏振等情况，施工缝和预埋部位尤其要振捣密实，避免振捣器直接接触到模　

板、止水带等。　

５、结语　

总而言之，隧道工程施工中应当对施工质量进行严格控制，施工要规范　管理，把握好防排水施工原则，其中防水是基础，排水是关键。根据隧道防排　

水施工原则，制定相关措施，确保每一道施工工序都能发挥出作用，使得工程　

质量得到保障。　

参考文献　

『１１１李金会，杨德，汪仲琦，陈坤，沈兴东．浅埋暗挖地铁车站隧道防排水施工技　

术ｌ　Ａ１．第二届全国地下、水下工程技术交流会论文集『ｃ１．２０１１　

『２１２章翠华．漳龙高速公路后祠隧道防排水设计与施工　２００１年全国公路隧　

道学术会议论文集ｆＣ１．２００１