CN110020477B - 圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体力学领域。目的是提供一种计算圆柱型构筑物上涌潮作用力的方法。该方法可根据现场极易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，利用理论推导与室内试验得到的公式计算涌潮冲击圆柱型构筑物时的作用力。技术方案是：圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，包括以下步骤：步骤一、获取相关数据：通过现场观测或试验测量的方法，获取某一涌潮的潮前水深、潮前流速、涌潮高度H、圆柱型构筑物直径D；步骤二、计算涌潮传播速度；步骤三、计算涌潮冲击力；步骤四、计算涌潮静水压差力；步骤五、计算涌潮绕流力；步骤六、计算涌潮作用力。

Description

圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法

技术领域

本发明涉及流体力学领域，尤其涉及涌潮作用力的计算方法。

背景技术

涌潮是水位骤然上升的涨潮波前峰，是一定条件下潮波非线性畸变的结果。涌潮形成后，水流特性发生极大的改变。涌潮到达前后，水位骤然上涨2～3m，水流急速从落潮状态转为涨潮状态，并迅速达到极值，极值流速达6～10m/s，实测最大测点流速12m/s，比一般水流大一个量级。

涌潮对涉水建筑物的威胁很大，其作用力是桥梁、码头等基础工程设计的控制性因素。1953年海宁盐官海塘塘顶一头重1.5t的“镇海铁牛”被涌潮冲离原地十余米；石塘顶用铁锭浇连的条石，尽管每块重约400kg且呈三五相连，仍受涌潮的顶托翻越1.5m高的土埝，抛至海塘后的农田中；钱江四桥施工过程中搭设的栈桥也曾被汹涌的涌潮破坏。因此，为了确保涉水建筑物的施工与运行安全，工程界始终关心涌潮对涉水建筑物的作用以及结构响应问题。

圆柱桩是桥墩、码头等工程建筑下部结构常见的形状类型，钱塘江河口已建的复兴大桥、江东大桥、嘉绍大桥等桥墩大多采用圆柱桩。影响构筑物上涌潮作用力的因素包括涌潮高度、潮前水深、涌潮坡度、建筑物形状等。至今人们对构筑物上的涌潮作用机理认识不够清楚，以致还不能用严密的理论方法对涌潮作用力进行分析计算。现阶段针对特定型式的构筑物进行物理模型试验是取得涌潮作用力最为直接可靠的方法。由于缺乏系统的研究与总结，尚未形成具有普适意义的涌潮作用力计算公式或方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计算圆柱型构筑物上涌潮作用力的方法。该方法可根据现场极易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，利用理论推导与室内试验得到的公式计算涌潮冲击圆柱型构筑物时的作用力。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，包括以下步骤：

步骤一、获取相关数据

通过现场观测或试验测量的方法，获取某一涌潮的潮前水深h₀、潮前流速V₀、涌潮高度H、圆柱型构筑物直径D；

步骤二、计算涌潮传播速度

将步骤一获取的相关数据，代入涌潮传播速度理论公式(1)，计算出涌潮传播速度c；

h₁＝h₀+H (2)

式中：c为涌潮传播速度，V₀为潮前流速，h₀为潮前水深，h₁为涌潮过后的水深，H为涌潮高度；

步骤三、计算涌潮冲击力

借鉴水流冲击力计算公式，利用室内试验结果率定冲击系数，推导出涌潮冲击力的计算公式(3)；将步骤二获取的涌潮传播速度数据，代入涌潮冲击力的计算公式(3)，计算出涌潮冲击力F_I：

λ＝0.058H+0.05 (4)

式中：c为涌潮传播速度，ρ为水的密度；D为圆柱型构筑物直径；C_s为涌潮冲击系数；C_s取值1.0～1.4，均值1.2；

步骤四、计算涌潮静水压差力

在涌潮冲击圆柱型构筑物时，由于潮头坡度的存在，圆柱型构筑物两侧会产生静水压力差，涌潮静水压差力F_s计算公式为：

F_s＝ρgh_s(h₀+H-h_s)D (5)

h_s＝λD (6)

式中：h_s为迎流面和背流面之间的水位差；

步骤五、计算涌潮绕流力

用Morison公式，并忽略惯性力，可得到绕流力F_m的计算公式(7)：

式中：

为涌潮垂线平均流速；C_D为阻力系数，取值0.3～0.5，均值0.4；

步骤六、计算涌潮作用力

由步骤三至步骤五计算得到的涌潮冲击力、静水压差力以及绕流力，三者合计可计算涌潮作用力F_T，即式(9)。具体方法如下：

F_T＝F_I+F_s+F_m (9)

所述步骤三中，涌潮冲击力F₁的计算公式(3)的推导过程是：涌潮冲击力是由于涌潮潮头变成直立的波峰前部与圆柱型构筑物发生撞击所引起的，属于水流冲击问题。常用的水流冲击力计算采用半理论半经验公式(10)，式中的冲击系数C_d取决于水流特性。由于涌潮水流特性的复杂性，以式(10)为基础，利用室内试验所获取的涌潮作用力最大时所对应的涌潮冲击力率定涌潮冲击系数C_s，经率定其值为1.0～1.4，均值1.2。

式中，F为水流冲击力，C_d为水流冲击系数，ρ为水的密度，u为水流流速，S为水流冲击圆柱型构筑物的面积。

本发明的原理是：本发明采用涌潮水槽试验的方法对圆柱型构筑物的涌潮作用力进行了系统研究。涌潮水槽通过Bore 2010涌潮测控系统生成不同潮前水深、潮前流速及涌潮高度的涌潮，分别采用电容式波高仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、硅横向压力传感器、S型拉压力传感器测量涌潮高度、流速、压力、作用力等要素。试验结果表明，涌潮通过圆柱型构筑物(例如圆柱桩；以下简称圆柱)将经历拍击接触－部分淹没－完全淹没－逐步脱离接触的过程，涌潮作用力的最大值出现在涌潮潮头水位最高点撞击圆柱的时刻。其作用可分成两个区域:涌潮潮头水位最高点区域(λD的范围)为不完全绕流区域，这一区域内涌潮作用力从形成机理上可分为两种：一是由于涌潮峰面通过圆柱时动量迅速变化引起的冲击力，二是由于圆柱前、后水面高度差引起的压差力，这两种作用力的大小除受到涌潮特性影响外,还与桥墩大小有关；另一个区域为涌潮潮头水位最高点区域以下部分，圆柱始终淹没于水中，属于完全绕流，这同一般的动水与圆柱的作用没有本质区别，其所受作用力主要包括速度力。基于上述作用机理的认识，结合涌潮水槽的试验数据，率定相关系数，提出了涌潮作用力的计算公式，即式(9)。

本发明的有益效果是：本发明以水槽试验数据为依据，基于理论分析，通过数理统计的方法，提出了涌潮作用力的计算方法，即式(9)。其中涌潮作用力由三部分作用力组成，分别是涌潮冲击力、静水压差力及绕流力，它们的计算公式分别是式(3)(5)(7)。根据上述公式可知：利用潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，可分别计算出涌潮冲击圆柱时的涌潮冲击力、静水压力差以及绕流力。经实测数据和试验数据验证，所提出的计算公式能较好的反映出涌潮作用力，计算误差较小。采用该公式可计算特定涌潮条件下任一直径圆柱的涌潮作用力大小，为桥墩、码头等下部结构的设计或工程安全运营提供关键的参数。

附图说明

图1为本发明的实施步骤流程图。

图2为涌潮发生时的相关参数示意图。图2中：c为涌潮传播速度，V₀为潮前流速，h₀为潮前水深，h₁为涌潮过后的水深，H为涌潮高度，V₁涌潮过后的流速，h_s为涌潮冲击圆柱桩时迎流面和背流面之间的水位差。

图3为涌潮潮头坡度的计算值与试验值对比图。

图4为涌潮作用力的计算值与试验值对比图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

本文中的名词定义：

1)垂线：圆柱垂直于地面的轴线。

2)涌潮潮头坡度：涌潮潮头的垂直高度(涌潮高度H)和水平方向的距离之比。

3)涌潮垂线平均流速：涌潮时刻在单位时间内流过单位过流断面的水体体积。

实施例1：圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，其实施步骤如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、获取相关数据

通过现场观测或试验测量的方法，获取某一涌潮的潮前水深h₀、潮前流速V₀、涌潮高度H、圆柱直径D，通过数据对比，进一步核实上述数据的合理性。

步骤二、计算涌潮传播速度

利用现有的由一维连续性方程和动量方程推导出的涌潮传播速度理论公式(1)，计算涌潮传播速度c；

h₁＝h₀+H (2)

式中：V₀为潮前流速，h₀为潮前水深，h₁为涌潮过后的水深，H为涌潮高度。

公式(1)来自【潘存鸿,鲁海燕,曾剑.钱塘江涌潮特性及其数值模拟[J].水利水运工程学报,2008,(2):1-9.】。

步骤三、计算涌潮冲击力

涌潮冲击力属于水冲击问题。因此，借鉴水流冲击力计算公式，利用室内试验结果率定冲击系数，可推导涌潮冲击力F₁的计算公式(3)：

λ＝0.058H+0.05 (4)

式中：c为涌潮传播速度，ρ为水的密度，C_s为涌潮冲击系数(取值1.0～1.4，均值1.2)，λ为涌潮潮头坡度。

从式(4)可知，涌潮潮头坡度与涌潮高度呈线性关系，经与试验数据对比，该式具有较高的计算精度，如图2所示(图中：每个黑点均表示某一涌潮的涌潮潮头坡度的计算数据与试验数据，斜直线为倾斜角为45度的参考线；越靠近该直线，表示计算数据与试验数据的差异越小)。

步骤四、计算涌潮静水压差力

涌潮潮头总是存在一定的坡度，其坡度变化范围为0.10～0.35，可由式(4)计算得到；在涌潮冲击圆柱时，由于潮头坡度的存在，圆柱两侧会产生静水压力差，从而产生涌潮静水压差力F_s，其计算公式为式(5)：

F_s＝ρgh_s(h₀+H-h_s)D (5)

h_s＝λD (6)

式中：h_s为迎流面和背流面之间的水位差。

步骤五、计算涌潮绕流力

试验表明，涌潮作用力的最大值出现在涌潮潮头水位最高点撞击圆柱的时刻。由于潮头坡度的存在，涌潮冲击部位限于λD的范围。该范围以下位置，桥墩始终淹没于水中，属于完全绕流问题。利用Morison公式(莫里森公式)，并忽略惯性力，可得到绕流力F_m的计算公式(7)：

式中：C_D为阻力系数(取值0.3～0.5，均值0.4)，D为圆柱直径，V₀为潮前流速，

为涌潮垂线平均流速，h₀为潮前水深。

步骤六、计算涌潮作用力

涌潮作用力为涌潮冲击力、静水压差力以及绕流力三者之和，可由计算公式(9)获得：

F_T＝F_I+F_s+F_m (9)

涌潮作用力是三部分作用力组成，分别是涌潮冲击力、静水压差力及绕流力，它们的计算公式分别是式(3)(5)(7)；经与试验数据对比，式(9)具有较高的计算精度，如图3所示(图中：每个黑点均表示某一涌潮的涌潮作用力计算数据与试验数据，斜直线为倾斜角为45度的参考线，越靠近该直线，表示计算数据与试验数据的差异越小)。

实施例2：以下以嘉绍大桥桥墩涌潮作用力计算为例进行进一步说明。

嘉绍大桥建在钱塘江河口尖山河段的上虞九六丘和海宁05围区之间，堤线间桥梁总长约9km，是浙江省公路水运交通规划中“两纵、两横、十八连、三绕、三通道”的第二通道。嘉绍大桥南引桥、中引桥为预应力钢筋混凝土连续桥梁，采用直径分别为3.1m和3.6m的圆柱形桥墩。设计条件下，涌潮的潮前水深h＝3.0m，潮前流速v＝-0.54m/s、涌潮高度H＝3.0m。

首先，利用上述的潮前水深、涌潮高度、潮前流速，由式(1)计算得到涌潮传播速度c＝8.94m/s。

随后，由已知的涌潮高度，代入式(4)，计算其涌潮潮头坡度λ＝0.224，取C_s＝1.2，则由式(3)计算得到嘉绍大桥南引桥、中引桥的涌潮冲击力分别是103.2KN和139.2KN。

接着，由式(6)计算得到迎流面和背流面之间的水位差h_s＝0.672，并代入式(5)，计算得南引桥、中引桥的涌潮静水压差力分别为114.2KN和150.8KN。

然后，由式(8)计算涌潮垂线平均流速

从而由式(7)分别计算得到南引桥、中引桥的涌潮绕流力分别是74.0KN和84.1KN。

最后，由式(9)计算得到南引桥、中引桥的涌潮作用力分别是291.4KN和374.1KN。

嘉绍大桥的涌潮作用力曾采用室内涌潮水槽试验装置(长50m，宽4.0m)进行了试验，在上述设计条件下，试验结果表明嘉绍大桥南引桥、中引桥的涌潮作用力分别为294KN和361KN，对比本发明的计算，两者十分接近，进一步说明本发明的计算方法合理可信。

尽管已结合优选的实施例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims (2)

1.圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，包括以下步骤：

步骤一、获取相关数据

通过现场观测或试验测量的方法，获取某一涌潮的潮前水深h₀、潮前流速V₀、涌潮高度H、圆柱型构筑物直径D；

步骤二、计算涌潮传播速度

将步骤一获取的相关数据，代入涌潮传播速度理论公式(1)，计算出涌潮传播速度c；

h₁＝h₀+H (2)

式中：V₀为潮前流速，h₀为潮前水深，h₁为涌潮过后的水深，H为涌潮高度，g为重力加速度；

步骤三、计算涌潮冲击力

借鉴水流冲击力计算公式，利用室内试验结果率定冲击系数，推导出涌潮冲击力的计算公式(3)；再将步骤二获取的涌潮传播速度数据，代入涌潮冲击力的计算公式(3)，计算出涌潮冲击力F_I：

λ＝0.058H+0.05 (4)

式中：c为涌潮传播速度，ρ为水的密度；D为圆柱型构筑物直径；C_s为涌潮冲击系数，取值1.0～1.4，均值1.2；

步骤四、计算涌潮静水压差力

在涌潮冲击圆柱型构筑物时，由于潮头坡度的存在，圆柱型构筑物两侧会产生静水压力差，涌潮静水压差力F_s计算公式为：

F_s＝ρgh_s(h₀+H-h_s)D (5)

h_s＝λD (6)

式中：h_s为迎流面和背流面之间的水位差；

步骤五、计算涌潮绕流力

利用Morison公式，并忽略惯性力，可得到绕流力F_m的计算公式(7)：

式中，

为涌潮垂线平均流速；C_D为阻力系数，取值0.3～0.5，均值0.4；

步骤六，计算涌潮作用力

由步骤三至步骤五计算得到的涌潮冲击力、静水压差力以及绕流力，三者合计可计算涌潮作用力F_T：

F_T＝F_I+F_s+F_m (9)。

2.根据权利要求1所述的圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，其特征在于：所述步骤三中，涌潮冲击力F₁的计算公式(3)的推导过程是：以水流冲击力的半理论半经验计算公式为基础，利用室内试验所获取的涌潮作用力最大时所对应的涌潮冲击力率定涌潮冲击系数C_s，经率定其值为1.0～1.4，均值1.2。

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