MIKE21在码头桩基“群桩”效应分析中的应用

2017-04-17李坡

治淮 2017年4期

李坡

李坡

河道范围内建设桩基必然产生阻水，导致局部水位、流场发生变化，防洪影响评价中往往需要对其进行分析，目前主要是采用桥涵水文公式分析水位、流速变化，但该方法停留在一维计算层面。码头下部桩基数量较多，对水位、流场影响相互叠加，形成“群桩效应”，一维计算难以定量分析水位、流场变化，为此，引入MIKE21软件进行二维水动力模型分析，可快速分析出工程前后河段水位、流场变化。

一、工程概况

某码头工程左岸为淮北大堤饶荆段、右岸为淮南工矿圈堤以及淮河左右汊间上、下六坊堤行洪区。工程从上游向下游依次布置1个件杂货泊位、3个散货泊位，泊位总长322m。码头为直立高桩梁板式结构，泊位顺岸连片引桥式布置，前沿线位于河唇线以内，港池采用后退切滩形成。码头前沿设计平台高程25.00m，前沿设计河底高程12.5m。港池开挖坡度采用1∶3。

码头平台尺寸88m×25m，采用7m的排架间距，设13榀排架，排架基础为φ100cm钻孔灌注桩，每榀排架设5根桩。平台后方上、下游端部设置1#和2#汽车引桥，长分别为119.4m、111.1m，宽均为9m。引桥基础采用φ100cm钻孔灌注桩，桩顶设1.5m厚承台，上部接φ80cm立柱，排架间距为16m，每榀排架设有2根桩。

散货泊位码头平台尺寸234m× 15m，采用7m的排架间距，设34榀排架，排架基础φ100cm钻孔灌注桩，每榀排架设3根桩。装船机支墩尺寸9m×6m，基础为4根φ100cm钻孔灌注桩。2#泊位与3#泊位之间的码头平台后方设置配电房平台1座，尺寸20m×12m，上部为现浇钢筋混凝土墩台，基础为6根φ100cm钻孔灌注桩。

二、二维水动力模型分析

1.计算范围

模型计算范围取淮干峡山口～田家庵全长约30km的河段，涵盖灯草窝、上六坊堤、下六坊堤行洪区。模型采用三角形网格，并对主河槽内及码头工程区网格进行加密。尺寸为1～35m不等，其中主河槽及规划航道内为8～12m，工程区最小网格尺寸为 1m，边滩河槽网格20～35m。

2.边界条件

模型设置上下游2条开边界，其中上游为 100年一遇流量控制边界10000m3/s、下游为百年一遇水位控制边界24.94m。

图1 码头总平面布置图

图2 码头桩基平面分布图

图3 工程河段计算网格图

图4 码头网格局部加密图

3.桩柱工程概化

计算区域中有大量墩柱，因此须考虑桩群阻力，在数学模型中对于桩群的模拟按照实际工程尺度进行模拟通常存在一定困难，现有的处理方法主要有加密网格法和附加糙率法。加密网格法对于含墩柱较多、尺度较小且形状较为复杂的情况，其适用性就会受到影响；附加糙率法是认为在河床底部布置众多竖向条杆加糙后的水流状况与绕过墩柱群的水流流态具有一定的相似之处，因此，可以考虑通过加大墩柱群区域河底糙率的方法来模拟工程实施后对水流的影响。此次在数模计算过程中，采用网格加密法与加糙法相结合的方法，码头引桥下方桩柱较为稀疏，按桩柱实际尺寸对附近网格进行加密，对码头承台下方桩柱较为密集，采用加糙的方法来模拟桩基群的阻水效应。

图5 工程前码头位置地形图

图6 工程后码头位置地形图

图8 工程后码头处流场图

图9 工程前水位分布图

图10 工程后水位分布图

4.参数选取

根据淮河的河道特征并综合以往淮河数学模型的糙率取值，此次n0= 0.015，n1=0.04。河槽的糙率约在0.015～0.025之间，边滩和近岸糙率在0.03～0.04之间。时间步长120s。干水深0.005m，淹没水深0.05m，湿水深度0.1m。

5.计算工况

分别按照工程前、工程后进行分析。计算工况分现状工况和规划工况两种工况：其中现状工况为下六坊堤不铲除，规划工况为下六坊堤全铲除。

6.计算结果

（1）现状工况

现状100年一遇洪水条件下，工程前原河道主槽流速在0.8～1.05m/s之间，边滩流速在0.1～0.4m/s之间，工程后受码头引桥桩基群的阻水效应以及码头港池的开挖影响，码头附近流速有所减小，河道主槽流速在0.7～0.9m/s之间，边滩流速在0.1～0.3m/s。此外受桩柱的束水作用，桩柱间流速呈增加趋势，相比工程前约增加0.01～0.03m/s；桩柱（下游）背水面约10m范围内流速呈减小趋势，减小幅度约为0.05m/s。

由于码头引桥下方存在大量桩基，形成群桩阻水效应，码头附近河段水位工程后较工程前有所增加，平均增加幅度在0.03m，其中引桥桩基上下游5m范围内水位增幅较大，局部达到了0.05m。

（2）规划工况

规划100年一遇洪水条件下，工程前原河道主槽流速在0.8～1.0m/s之间，边滩流速在0.1～0.4m/s之间，工程后受码头引桥桩基群的阻水效应以及码头港池的开挖影响，码头附近流速有所减小，河道主槽流速在0.7～0.85m/s之间，边滩流速在0.1～0.3m/s。此外受桩柱的束水作用，桩柱间流速呈增加趋势，相比工程前约增加0.01～0.03m/s；单个桩柱（下游）背水面约10m范围内流速呈减小趋势，减小幅度约为0.05m/s。

码头附近河段水位工程后较工程前有所增加，平均增加幅度在0.05m，其中桩基上下游5m范围内水位增幅较大，局部达到了0.07m。