錢塘江古海塘水動(dòng)力作用試驗(yàn)研究

王立忠，吳有霞，徐有成，朱奚冰

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058;2.浙江省錢塘江管理局，浙江杭州 310016)

錢塘江古海塘水動(dòng)力作用試驗(yàn)研究

王立忠1，吳有霞1，徐有成2，朱奚冰2

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058;2.浙江省錢塘江管理局，浙江杭州 310016)

通過(guò)古海塘原型資料調(diào)查得出古海塘現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，結(jié)合歷年水文資料的調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)水體運(yùn)動(dòng)形式的觀測(cè)，獲得荷載形式，通過(guò)波浪槽在模型比尺試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)錢塘江古海塘水動(dòng)力作用進(jìn)行室內(nèi)模擬。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用規(guī)則波模擬水動(dòng)力荷載的可行性，并得出波浪對(duì)塘體的作用力受波高和波浪破碎情況的影響，波高相同時(shí)破碎點(diǎn)越接近海塘，破碎作用力越大;波高越大，波浪-塘體-土體相互作用越強(qiáng)，塘下土體中產(chǎn)生較大的瞬時(shí)孔隙水壓力并產(chǎn)生孔壓的累積;塘體前趾和后趾出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，周期1.5 s波高0.2 m時(shí)前趾壓力增大后趾壓力減小。

錢塘江古海塘;臨江防洪;比尺試驗(yàn);水動(dòng)力;波浪破碎

錢塘江是我國(guó)東南沿海以涌潮聞名于世的獨(dú)特河流，大潮小潮夜以繼日，而錢塘江古海塘是錢塘江河口地區(qū)防洪御潮的重要屏障，用于抵御涌潮、臺(tái)風(fēng)暴潮、洪水等自然災(zāi)害。歷時(shí)250年建成的長(zhǎng)達(dá)280余公里的錢塘江明清古海塘現(xiàn)因江道變遷和治江圍墾大部分已經(jīng)退居二線，但仍有40余公里的老海塘成為20世紀(jì)90年代標(biāo)準(zhǔn)塘的重要組成部分，為防洪御潮一線海塘，其主要分布區(qū)域?yàn)殄X塘江北岸的海寧市、海鹽縣和南岸的蕭山境內(nèi)，圖1所示為錢塘江河口地形和斷面分布。

根據(jù)1958年整理的《錢塘江調(diào)查報(bào)告》，錢塘江古海塘存在坍毀和塘身傾斜現(xiàn)象(如圖2所示)，并將坍毀和塘身傾斜的原因歸結(jié)為江床刷深、坦水損毀和塘身砌筑工藝，并指出海寧一帶塘身受水動(dòng)力影響最為頻繁。

1980年《錢塘江海塘調(diào)查資料》顯示塘身下半部分條石易抽失，部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)塘身沉陷(如圖3所示)。

圖1 錢塘江河口地形與臨江古海塘分布Fig.1 Qiantang River topography(left)and the distribution of the ancient sea wall(right)

圖2 海寧段古海塘塘身整體坍毀和傾斜Fig.2 Collapse and inclination of the Haining ancient sea wall

圖3 海寧段古海塘塘身?xiàng)l石抽失和下沉Fig.3 The lost of stone and sinking of the Haining ancient sea wall

以海寧段為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，表觀缺陷除上述以外還包括塘身前趾水平方向流土和向上冒砂現(xiàn)象，如圖4所示。

本文通過(guò)比尺模型試驗(yàn)，完成錢塘江古海塘水動(dòng)力作用的試驗(yàn)研究，揭示一定的水動(dòng)力條件下古海塘的動(dòng)力響應(yīng)，包括水動(dòng)力作用力的大小和分布、古海塘前后趾隨水動(dòng)力作用的變化趨勢(shì)和下覆錢塘江粉土的水動(dòng)力響應(yīng)特征等，以分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。目前，對(duì)海堤、防波堤、濱海岸擋水防災(zāi)等結(jié)構(gòu)物的研究主要集中在波浪力分布［1］和大?。?］以及與越浪相關(guān)［3-4］的研究之上，并且以海洋阻水防災(zāi)結(jié)構(gòu)物為主。錢塘江古海塘地處杭州灣，其地理環(huán)境為典型的河口地形地貌(如圖1所示)，河床坡度不同于坡度極小的海床。浙江省水利河口研究院通過(guò)波浪水槽對(duì)風(fēng)暴潮的模擬，研究了錢塘江標(biāo)準(zhǔn)塘在波浪作用下的越浪量［5］，而將錢塘江古海塘作為阻水防災(zāi)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行水動(dòng)力試驗(yàn)研究為數(shù)甚少。因此，對(duì)錢塘江古海塘進(jìn)行水動(dòng)力試驗(yàn)研究，了解水動(dòng)力作用大小和特征，古海塘與塘基相互作用的特征尤為重要。

圖4 海寧段古海塘塘基土體流失和砂沸Fig.4 The phenomenon of soil erosion and emerging of the Haining ancient sea wall

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 比尺的確定

本實(shí)驗(yàn)研究水動(dòng)力作用下海塘、塘基的動(dòng)力響應(yīng)，在比尺的選擇上，不考慮流體的粘性和地基的相似性，只考慮重力相似和慣性力相似，即需保持模型與原型的相似比數(shù)Froude數(shù)和Strouhal數(shù)一致，即:

式中:V、L、T、g分別代表物體的線速度、線尺度、時(shí)間和重力加速度。

錢塘江古海塘海寧段主要考慮涌潮和波浪的作用，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)分析和研究波浪動(dòng)力荷載作用條件下塘體動(dòng)力響應(yīng)。試驗(yàn)在風(fēng)浪流多功能水槽中進(jìn)行，水槽的尺寸為70 m(長(zhǎng))×1.2 m(寬)×1.6 m(高)，最大波高400 mm，最大水深1.0 m，造波周期為0.5～5.0 s，頻率為0.2～2.0 Hz;造波機(jī)采用推板式造波機(jī)，由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，造波板后側(cè)和水槽的另一端設(shè)有傾斜的尼龍絲消波裝置，消波效率良好。綜合考慮了典型的波浪參數(shù)、試驗(yàn)室條件和造波機(jī)造波能力，采用的模型幾何比尺為16。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?/h3>

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝娉叽?/h4>

本次試驗(yàn)選擇的試驗(yàn)斷面為海寧段，具有典型的水動(dòng)力特征，試驗(yàn)對(duì)象為古海塘。海寧段古海塘塘型結(jié)構(gòu)為魚鱗石塘，如圖5所示，古海塘高5.44 m，塘前兩道坡度不同的坦水，第二道坦水外圍有一定的沖刷深度。按照國(guó)家85高程系，原型P=5%低潮位為-1.01 m，平均低潮位為0.88 m，平均高潮位為3.91 m，百年一遇高潮位為7.87 m，超過(guò)塘頂高程6.67 m。模型試驗(yàn)水深為模擬原型中的平均高潮位。

圖5 海寧段古海塘典型斷面示意Fig.5 The typical section of the Haining ancient sea wall

由上述可知，模型比尺為1∶16，可得試驗(yàn)斷面模型尺寸如表1所示。

模型總高度0.8 m，試驗(yàn)水深0.6 m，塘體迎水面布置6個(gè)水壓傳感器，傳感器垂直距離為d=5 cm;塘身前趾和后趾分別布置一個(gè)總壓力計(jì)，測(cè)量水動(dòng)力作用下塘身整體對(duì)下覆土體的作用力;塘下覆土體中前趾和后趾分別布置孔隙水壓力傳感器，測(cè)量水動(dòng)力作用于塘體時(shí)土體中的孔隙水壓的變化。數(shù)據(jù)采集儀為DJ800采集系統(tǒng)，所用傳感器均為動(dòng)態(tài)傳感器，采樣時(shí)間間隔為0.005 3 s，采樣頻率188.68 Hz，傳感器性能參數(shù)如表2所示。

模型斷面尺寸根據(jù)原型尺寸經(jīng)比尺縮小得到，模型中布置相應(yīng)的壓力傳感器，斷面尺寸及傳感器的分布如圖6所示。

表1 模型參數(shù)表Tab.1 Model parameters

表2 傳感器性能參數(shù)Tab.2 Transducers parameters

圖6 模型斷面尺寸及傳感器分布Fig.6 The section size and transducers distribution of the model

1.2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧?/h4>

模型試驗(yàn)中海塘塘體為砼重力墻，按照比尺采用合適的水泥、礫石、砂配合比，滿足重力相似和幾何相似進(jìn)行模型的制作。

試驗(yàn)中土體的選取為錢塘江典型的粉土，D50=0.030 mm，D60=0.031 mm，D10=0.014 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.2，試驗(yàn)前模型土體初始孔隙比為0.903，試驗(yàn)后土體孔隙比為0.852，顆分曲線如圖7所示。

2 水動(dòng)力條件的簡(jiǎn)化

眾所周知，錢塘江以涌潮聞名，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，可知水體的運(yùn)動(dòng)形式依次為潮前低水位(圖8(a))，水位抬升(圖8(b))，水體以波浪形式接近古海塘(圖8(c)和8(d))塘前，前進(jìn)波伴隨水位抬升(圖8(e)和8(f))，波前與波前水體在海塘塘面相遇發(fā)生碰撞水體向上翻越(圖8(g))，直至水體碰撞破碎沿海塘面爬高(圖8(h))，因此可將水位抬升之后的過(guò)程視為一次波浪作用，如圖8所示錢塘江水位抬升伴隨波浪運(yùn)動(dòng)。曾有學(xué)者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行涌潮壓力的實(shí)測(cè)研究［7］，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的涌潮壓力呈一定的周期性驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化過(guò)程的正確性，后續(xù)的試驗(yàn)中波浪的形態(tài)與作用也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

將水動(dòng)力作用簡(jiǎn)化為波浪作用，根據(jù)歷年水文資料觀測(cè)值，確定波浪周期、波高等要素，如圖9所示。

圖7 土體顆分曲線Fig.7 The gradation curve of silt

圖8 水體運(yùn)動(dòng)形式示意［6］Fig.8 The schematic diagram of water movement

圖9 波浪要素及波浪作用與動(dòng)力響應(yīng)示意Fig.9 The schematic diagram of wave parameters，wave impact and dynamic response

由圖9(a)所示，H為波高，T為周期，hs為試驗(yàn)水深，波浪作用對(duì)模型塘體的碰撞作用力為F，塘體自重為G，波浪力在塘面分布?jí)毫镻(圖9(b))，在該波浪力作用下塘體前后趾響應(yīng)不同，一定條件下土體中產(chǎn)生孔隙水壓力的累積u(t)，見圖9(c)。試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 模型試驗(yàn)波浪參數(shù)表Tab.3 Wave parameters in the model tests

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 波浪力特征分析

T=0.75 s，H=50 mm時(shí)，波浪無(wú)破碎，表現(xiàn)為水體沿著塘體表面上下震蕩，如圖10所示。

圖10 無(wú)破碎時(shí)塘前水體運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.10 Non-breaking wave movement

T=1.0 s，H=80 mm時(shí)，波浪輕微破碎;T=2.0 s，H=200 mm時(shí)，波浪破碎，破碎起始點(diǎn)為坦水外圍，到達(dá)塘前為已破碎波;T=1.5 s，H=200 mm時(shí)，波浪破碎，破碎點(diǎn)為塘體與坦水的接觸帶上，位于水面以下5 cm處。動(dòng)水壓力時(shí)間曲線如圖11所示，單周期動(dòng)水壓力詳細(xì)歷程曲線如圖12所示，相應(yīng)的波浪破碎及水體運(yùn)動(dòng)形式如圖13所示。

圖11 動(dòng)水壓力時(shí)間曲線Fig.11 Curve of wave pressure

圖12 單個(gè)周期動(dòng)水壓力時(shí)間曲線Fig.12 Curve of single period wave pressure

圖13 波浪破碎時(shí)水體運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.13 Breaking wave movement

由圖13可知，T=1.5 s，H=200 mm條件下，波浪在坦水破碎，破碎波沖擊作用點(diǎn)為塘前趾與坦水的交界處，由此測(cè)得的靜水面上下5 cm及靜水面處波浪力變化曲線如圖14所示。

由圖14可知，波浪作用過(guò)程中，波浪力會(huì)出現(xiàn)較大的峰值Pimp，max，每一個(gè)周期波浪作用過(guò)程中峰值大小不同，與靜水面不同距離處波浪力峰值大小都呈現(xiàn)先增大后減小的弧形趨勢(shì);波浪力峰值的最大值分布在第一次波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的拍擊和幾次拍擊作用之后兩種情況。試驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)周期典型的波浪力作用時(shí)間曲線如圖12所示(H=200 mm，T=1.5 s)。

圖14 實(shí)測(cè)波浪力變化曲線Fig.14 Curve of breaking wave pressure

分布在塘面的傳感器所測(cè)最大波浪拍擊作用力大小如圖15所示。當(dāng)破碎波在塘角與坦水交接處的時(shí)候，最大拍擊力不在靜水面，而是接近破碎拍擊點(diǎn)的位置。

不同波高和周期組合條件下測(cè)得的破浪力最大值和最小值的比較如圖16所示，d為傳感器與靜水面的垂直距離，p為傳感器測(cè)得的壓力值。

圖15 不同位置波浪力分布(T=1.5 s，H=200 mm)Fig.15 Curve of breaking wave pressure distribution(T=1.5 s，H=200 mm)

圖16 不同波浪要素時(shí)波浪力的1/3峰值和1/3谷值Fig.16 Efficient pressure of different wave parameters

由圖16可知，試驗(yàn)中相同波高H=200 mm條件下，即原型波高值3.2 m的相同波高條件下破碎點(diǎn)在塘體的1/3波浪作用力峰值Pimpact=145.408 kPa(對(duì)應(yīng)圖中模型壓力值9.088 kPa)大于提前破碎的1/3波浪作用力峰值Pimpact=55.408 kPa(對(duì)應(yīng)圖中模型壓力值3.463 kPa);試驗(yàn)中，靜水面以下垂直距離5 cm處，靜水壓力值Pstatic=0.5 kPa，在T=1.5 s，H=200 mm條件下，測(cè)得的波浪力1/3峰值力與靜水壓力的比值:

不同周期和波高條件下，破碎波的作用力Pimpact=8.237(對(duì)應(yīng)圖中原型波高值1.28 m，壓力值131.792 kPa)大于不破碎波的作用力Pimpact=1.241 kPa(對(duì)應(yīng)圖中原型波高值0.8 m，壓力值19.856 kPa)和已經(jīng)破碎波的作用力Pimpact=3.463 kPa(對(duì)應(yīng)圖中原型壓力值55.408 kPa)。同時(shí)，水體拍擊塘面過(guò)程中，塘體表面產(chǎn)生負(fù)壓力，壓力變化曲線如圖17所示(以 H=200 mm，T=1.5 s為例)。

表4中，d為傳感器與靜水面的垂直距離，負(fù)壓力的絕對(duì)值接近最大的正壓力值，H為波高值:靜水面以下，波高越大，產(chǎn)生的負(fù)壓值越大。對(duì)于試驗(yàn)中H=200 mm，T=2.0 s產(chǎn)生的負(fù)壓最大值為水面往下距離5 cm處，大小為-7.21 kPa，對(duì)應(yīng)于原型中波高值為3.2 m，負(fù)壓值為-115.36 kPa。水動(dòng)力作用條件下水體在結(jié)構(gòu)物表面形成負(fù)壓，該負(fù)壓在結(jié)構(gòu)物表面形成吸力作用，錢塘江古海塘塘型為條石堆砌而成，條石受水體浮力和吸力而被抽失。

圖17 水體滑落至再?zèng)_擊過(guò)程壓力變化曲線Fig.17 Curve of pressure from slipping to impacting

表4 塘面負(fù)壓大小與分布Tab.4 Suction pressure distruction on the model surface

3.2 水動(dòng)力作用下土體響應(yīng)分析

由圖9所示，在波浪荷載下會(huì)發(fā)生荷載—結(jié)構(gòu)物—土體的相互作用，根據(jù)相互作用的大小程度不同，將波浪荷載分兩類［8］，一類為脈動(dòng)波浪荷載，即在該種波浪荷載下對(duì)結(jié)構(gòu)體及其下覆土體的作用影響很小，相當(dāng)于靜力作用;第二類為破碎波浪荷載，即荷載的作用歷時(shí)和結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)及土體的響應(yīng)密切相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中，T=1.0 s，H=80 mm條件下的波浪荷載為一類荷載;T=1.5 s，H=200 mm條件下的波浪荷載為第二類荷載，兩種荷載作用下土體中孔隙水壓力值隨時(shí)間變化如圖18所示。

第一類荷載作用條件下，土體中產(chǎn)生瞬時(shí)孔壓，瞬時(shí)孔壓值范圍從3.5～6.0 kPa，但是不產(chǎn)生孔壓的累積;第二類荷載作用條件下，土體中產(chǎn)生瞬時(shí)孔壓并形成孔壓的累積，對(duì)于錢塘江粉土存在液化的傾向。同類荷載作用條件下，塘體前趾和后趾土體中孔壓隨時(shí)間的變化不同。

在圖13所示的波浪荷載作用條件下，由圖19可知(d為傳感器至塘底的垂直距離)，同一水平面，塘體前趾的孔壓瞬時(shí)值和孔壓累積較后趾大。塘體前趾d=10 cm，瞬時(shí)孔壓值變化范圍為0.5～4.0 kPa，30 s波浪作用過(guò)程中累積孔壓值變化值△p=1.0 kPa，對(duì)應(yīng)原型中△p=16 kPa;塘體后趾d=10 cm，瞬時(shí)孔壓值變化范圍為2.0～4.0 kPa，累積孔壓值△p=0.55 kPa，對(duì)應(yīng)原型中△p=8.8 kPa。

圖18 不同荷載土體中孔壓變化Fig.18 Curve of pore pressure under different wave loads

圖19 同一荷載不同位置土體孔壓變化Fig.19 Curve of pore pressure under the same wave load

3.3 水動(dòng)力作用下塘體響應(yīng)分析

通過(guò)模型塘體前趾和后趾的總壓力測(cè)量其在水動(dòng)力作用下壓力變化，以分析在不同周期和波高條件下壓力時(shí)程變化曲線(造波時(shí)間為30 s)，如圖20所示為典型波高條件下總壓力變化。

由圖20可知，塘前后趾總壓力隨波浪作用影響為:周期T=1.5 s時(shí)，前趾壓力增大，后趾壓力減小，塘體呈現(xiàn)前傾趨勢(shì);周期范圍1.2～2.2 s，除周期1.5 s以外，前后趾壓力均在波浪作用期間減小。由此可知，原型中周期6 s條件下，塘體前后趾壓力變化趨勢(shì)不同，塘體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為前傾。

圖20 不同荷載塘體前后趾總壓力變化Fig.20 Curve of the toe＇axial pressure under different wave loads

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)錢塘江古海塘的模型試驗(yàn)研究，得到不同周期和波高條件下水動(dòng)力作用特征并分析了不同類型荷載作用下塘體—土體相互作用時(shí)土體的動(dòng)力響應(yīng)，得到的主要結(jié)論如下:

1)波浪作用過(guò)程中，波浪動(dòng)力作用會(huì)出現(xiàn)較大的峰值Pimp，max，同一波高條件下，拍擊墻體波浪破碎情況不同，Pimp，max差別較大;當(dāng)破浪在塘前破碎沖擊點(diǎn)在塘腳與坦水連接處時(shí)塘腳波浪力遠(yuǎn)大于靜水壓力，且最大水壓力不在靜水面處而是破碎波浪沖擊點(diǎn)。

2)每一個(gè)周期水動(dòng)力作用過(guò)程中峰值大小不一，沿塘面拍擊力峰值大小的共同特點(diǎn)是呈向上凸的弧形峰值先增大再減少;拍擊力峰值的最大值分布在第一次水體對(duì)結(jié)構(gòu)物的拍擊和幾次拍擊作用之后兩種情況。

3)水體以波浪形式拍擊墻體后，波浪沿著塘面爬高再回落，直至下一個(gè)波浪拍擊塘面。由于塘前水體包裹一定的空氣囊，在拍擊時(shí)會(huì)在塘面產(chǎn)生負(fù)壓力，負(fù)壓力的最大值可接近波浪力的峰值，在負(fù)壓的作用下條石層疊的魚鱗石塘出現(xiàn)條石抽失的現(xiàn)象。

4)水體破碎對(duì)塘體沖擊強(qiáng)烈的情況下，塘下粉土中會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力的累積。還原到原型中，平均高潮位時(shí)，波浪沖擊點(diǎn)位于塘腳和坦水之間，若波浪作用時(shí)間長(zhǎng)，孔壓累積增強(qiáng)將成為影響對(duì)古海塘穩(wěn)定性較不利的因素;同時(shí)，該種條件下破浪力使得塘體產(chǎn)生前傾的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即前趾產(chǎn)生應(yīng)力集中。

5)水體對(duì)基底負(fù)壓掏蝕，塘體前后水位差對(duì)基底的滲蝕，及塘底超凈孔壓等都對(duì)塘體前趾的掏空起不利作用。

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Hydrodynamic experiment study on the ancient sea wall of Qiantang River

WANG Li-zhong1，WU You-xia1，XU You-cheng2，ZHU Xi-bing2
(1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China;2.Administration Department of Qiantang River in Zhejiang Province，Hangzhou 310016，China)

The scale hydrodynamic experiment was carried out in the wave flume on the basis of the site investigation of the ancient sea wall and hydrological data.The experiments’results confirmed the feasibility of the use of regular wave simulation，and the conclusion was reached that the wave impact force was relative to the wave height and the wave breaking types，and breaking wave impact force was greater than broken or non-breaking wave;with the wave height increasing，the interaction between the wall and the foundation increased，and the instantaneous pore-water pressure was generated and accumulated;ans the stress concentration occurred at the sea wall’toe，the front increased but the rear reduced when the period was 1.5 second and the wave height 0.2 meter.

ancient sea wall;scale experiment;hydrodynamic;wave breaking

TV139.2;TV861

A

1005-9865(2012)03-0068-11

2011-11-14

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201001071);錢塘江臨江防洪潮古海塘保護(hù)研究資助項(xiàng)目。

王立忠(1969-)，男，浙江寧波人，教授，主要從事海洋巖土工程研究。E-mail:wlzzju@163.co

吳有霞。E-mail:kodona@126.com