錢塘江魚鱗石塘涌潮作用力動態(tài)測試與分析

沈躍軍，陳振華，張開偉，張鑒偉

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310016)

錢塘江涌潮是因潮波受到杭州灣喇叭口地形和水下沙坎影響劇烈變形的結(jié)果．涌潮的動力及破壞性極大．錢塘江海塘是錢塘江河口地區(qū)防洪御潮的重要屏障．嘉興海寧段明清古海塘［1］又稱“魚鱗石塘”，下部為木樁樁基，上部由條石砌筑而成，歷經(jīng)數(shù)百年潮水沖擊，可以明顯看到底部條石灰縫脫落，尤其是下部幾層條石有多處發(fā)生裂隙或缺失，需要對其進(jìn)行保護(hù)和加固整修．

涌潮的作用力是魚鱗石塘的主要破壞因素之一，而目前缺少相關(guān)的實測資料，因此需要對魚鱗石塘受到的涌潮作用力進(jìn)行觀測，分析古海塘破壞機(jī)理，為保護(hù)設(shè)計提供依據(jù)．

涌潮對建筑物有兩方面作用［2］:一是當(dāng)涌潮經(jīng)過時，兩岸海塘、丁壩、碼頭等建筑物將受到涌潮打擊;二是涌潮淘刷河床，降低了建筑物的穩(wěn)定性．涌潮的水動力按成因可以分為4種:靜水壓力差、涌潮沖擊力、繞流阻力和附加慣性力．

錢塘江涌潮本身變化莫測，水動力特性復(fù)雜．已有的涌潮與涉水建筑物相互作用的原型觀測和模型試驗以及數(shù)值模擬主要針對丁壩、護(hù)坦、橋墩、排樁等．1968和1988年［3］，技術(shù)人員在蕭山新灣和海寧舊倉、錢江二橋工地進(jìn)行過涌潮動力測試．陳希海等［4］在錢塘江河口下游段的舊倉海塘測量了織物模袋混凝土護(hù)坦頂面和底面的漲潮壓力過程，同時測量了涌潮動力強(qiáng)度．酈麗娟等［5］對海寧八堡44#丁壩壩頭環(huán)梁和掛樁進(jìn)行受力觀測，同時進(jìn)行了涌潮動力強(qiáng)度測試，得到壩頭環(huán)梁涌潮壓力平面分布規(guī)律以及涌潮高度與壩頭動壓的關(guān)系曲線．林炳堯等［6］對排樁式丁壩局部沖刷及涌潮作用力進(jìn)行了模型試驗研究．邵衛(wèi)云等［7］利用波浪力經(jīng)驗公式對涌潮壓力進(jìn)行計算并與實測的涌潮壓力進(jìn)行對比分析．徐長節(jié)等［8］對排樁式丁壩上的涌潮壓力進(jìn)行過現(xiàn)場測試，并對此進(jìn)行了數(shù)值模擬計算．周建炯等［9］對曹娥江口門大閘涌潮作用力進(jìn)行了模型試驗研究，考慮了不同潮向時閘門受力特性．潘冬子等［10－11］對錢塘江南岸直立墻涌潮壓力進(jìn)行了原型觀測，得到不同高程位置涌潮高度與涌潮壓力關(guān)系圖．

目前涌潮對直立墻的作用力研究非常少．現(xiàn)有的物理模型試驗，很難依靠建立的比尺關(guān)系來精確描述涌潮作用下結(jié)構(gòu)物的動力響應(yīng)．?dāng)?shù)值模擬的主要難點在于阻力、動邊界以及水沙耦合等技術(shù)問題．因此，現(xiàn)場試驗研究成為目前深層次了解涌潮與結(jié)構(gòu)物的相互作用最有效的方法．

1 觀測設(shè)備和試驗方法

為了解海寧段魚鱗石塘在強(qiáng)涌潮作用過程中的受力特性，在海寧大缺口下游(樁號98+200處)海塘迎潮面布置觀測斷面，測量石塘表面受到的涌潮作用力．該地點涌潮強(qiáng)度較大，測量斷面處海塘走向為凹弧段，潮波波能聚集，條石缺失、灰縫脫落的現(xiàn)象較其他區(qū)段明顯，對破壞機(jī)理的研究具有代表性．本次涌潮作用力測試的地理位置見圖1．

圖1 涌潮測試地理位置(測量地點海塘樁號98+200)Fig．1 Measurement location:stake 98+200 in Haining

1．1 試驗設(shè)備

壓力傳感器采用專門定制的TXR系列應(yīng)變式微型壓力盒，傳感器直徑24 mm，厚度8 mm，量程0～200 kPa，精度0．5‰，分辨率≤0．08(%F．S)．壓力傳感器尺寸小，便于安裝，靈敏度高，導(dǎo)線長25 m，帶線標(biāo)定，經(jīng)過前期的現(xiàn)場測試和分析對比，能夠滿足壓力觀測的精度需求．該種型號傳感器已消除溫度變化的影響．采集器采用東華測試公司5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集頻率100 Hz，每秒采集100個點，根據(jù)涌潮作用特性，該采樣間隔的頻率響應(yīng)足以滿足測試要求．

1．2 試驗方法

石塘迎潮面護(hù)坦以上共16層條石，測量布置2個垂直斷面，自下而上布置8個測點，由于下部條石受到潮水的沖擊力較大，測點上疏下密．壓力傳感器埋設(shè)在四周砌縫完好的條石內(nèi)，表面保持豎直，并與條石表面齊平．

埋設(shè)方案經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗后確定，安裝時首先在條石上鉆孔，在鉆孔側(cè)面磨槽，將壓力盒及部分導(dǎo)線埋入條石，將其完全固定．傳感器完全固定在條石中，因此本次測量中，傳感器本身的自震影響忽略不計．每根導(dǎo)線穿入細(xì)鋼管，在導(dǎo)線入口處包裹土工布，以起到保護(hù)作用．每根細(xì)鋼管通過一個三通管與測點上游60 cm處直徑30 mm的大鋼管相連，將導(dǎo)線引至塘頂．鋼管架通過粗鋼絲與打在側(cè)邊條石上的膨脹螺栓相連，從而將整個測量斷面牢牢地安裝在魚鱗石塘表面，可抗擊潮水沖擊，在觀測時段內(nèi)，具有足夠的耐久性．傳感器安裝布置見圖2．

本次觀測時間為2012年農(nóng)歷五月至七月的大潮汛，每次測量時間5～10 min．其中，8月8日為2012年第11號強(qiáng)臺風(fēng)“?？钡顷懻憬笊剑》晏煳拇蟪迸c風(fēng)暴潮相遇，進(jìn)行了連續(xù)14 h觀測．本次觀測內(nèi)容有:(1)涌潮形態(tài)，包括涌潮潮頭高度、入射方向、潮到時間以及潮前低水位;(2)魚鱗石塘直立墻條石豎直表面不同高程處受到的涌潮作用力;(3)涌潮與魚鱗石塘相互作用形態(tài)．

圖2 傳感器安裝布置Fig．2 Sensor installation diagram

2 觀測結(jié)果分析

2．1 涌潮要素觀測結(jié)果

錢塘江涌潮受地形、徑流、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響，每日形態(tài)和動力強(qiáng)度不盡相同．涌潮觀測結(jié)果見表1．2012年為豐水年，江道容積較大，主槽走北，涌潮較大．受到上游新倉附近江道大片中沙的影響，測量斷面處的涌潮有南潮、東潮和東南潮，南潮先到，約10 min后東潮抵達(dá)．8月和9月，東潮潮頭不明顯，有時僅有一股潮波經(jīng)過測量位置．本次涌潮高度的取值通過離岸50 m潮頭高度的目測值，再根據(jù)上下游涌潮觀測點的記錄值加以訂正．測得涌潮潮頭高度為1．2～1．7 m，主要為南潮，南潮波峰線與海塘軸線的夾角約為0°～20°，8月和9月東潮潮頭高度較小，約為0．3～0．8 m．

表1 涌潮要素觀測結(jié)果Tab．1 Observation results of tidal bore elements

2012年7月8日南潮過后水位回落，東潮到達(dá)時潮頭高度與南朝相當(dāng)，動力強(qiáng)勁．而8月和9月的測量中，東潮抵達(dá)時水位較高，東潮潮頭高度較小，不具有沖擊特性，因此僅7月8日列出了東潮的潮頭高度．9月份僅出現(xiàn)南潮，南潮過后江道水位即開始上漲，東潮難以辨別，因此相應(yīng)地縮短了測量時間．

2．2 涌潮與魚鱗石塘相互作用形態(tài)

涌潮對石塘的作用力與兩者之間的相互作用形態(tài)密切相關(guān)．涌潮的作用形態(tài)主要與潮涌的大小、入射方向、塘前水位、塘前地形以及風(fēng)速等因素有關(guān)．觀測到的近岸淺水變形主要有兩種:(1)潮頭高度持續(xù)增高，破碎更加劇烈，潮頭可直接沖擊直立墻;(2)在爬灘的過程中，潮頭破碎帶高度逐漸減小，表面上“潮頭逐漸消失”，行進(jìn)至塘前，水面突然上漲，然后直撲海塘，也有可能在直立塘前發(fā)生二次破碎(如卷破)，消耗部分能量．潮波在直立墻前發(fā)生反射，與其后上涌的大量水體相疊加，使得水面雍高，波濤激蕩，潮水動力強(qiáng)勁時，離岸約5 m處可激起5～7 m高的浪花．潮頭過后水位回落，在中部第7和8層條石(高程2．5 m)上下跌宕，潮頭到達(dá)后約1～2 h，錢塘江水位上漲至高潮位．涌潮到達(dá)石塘后的作用形態(tài)見圖3．

圖3 潮頭反射和潮水涌上塘頂Fig．3 Tidal bore reflection and overtopping

2．3 涌潮對魚鱗石塘的作用力觀測結(jié)果分析

2．3．1 涌潮壓力隨入射方向的變化關(guān)系 本文主要研究涌潮潮頭作用時的荷載，取潮到20 s內(nèi)的壓力值進(jìn)行分析．根據(jù)實測壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)涌潮動力強(qiáng)勁正向入射時，會產(chǎn)生沖擊壓強(qiáng)，作用時間短暫，測得最大沖擊壓強(qiáng)在40～50 kPa之間，作用時間小于0．5 s，如圖4．

本次觀測到的南潮入射角在0°～20°之間，當(dāng)潮頭沒有正面撞塘而是斜向入射時，直立墻受到的沖擊荷載并不明顯．如圖5，8月4日潮到20 s內(nèi)壓力過程曲線，潮頭行進(jìn)至塘前時破碎加劇，能量耗散，但是在潮波反射疊加后，壓力在短時間內(nèi)達(dá)到最大，現(xiàn)場可見潮波疊加后水面迅速雍高，在后方潮水的推動下，再次撲向海塘．

圖4 9月4日涌潮作用力過程曲線(潮到20 s) Fig．4 Hydrograph of bore pressure on Sep．4(20 s)

圖5 8月4日涌潮作用力過程曲線(潮到20 s)Fig．5 Hydrograph of bore pressure on Aug.4(20 s)

當(dāng)東潮和南潮的潮頭高度相近時，兩者動力強(qiáng)度相近，如圖6，7月8日，南潮和東潮的最大沖擊壓強(qiáng)分別為46．3 kPa和47．5 kPa．南潮壓力最大值發(fā)生在潮頭反射疊加后再次撞塘的時刻，東潮的壓力最大值發(fā)生在潮頭經(jīng)過的瞬間．雖然南潮和東潮的作用形態(tài)不同，但兩者產(chǎn)生的壓力峰值相近．

2．3．2 涌潮壓力最大值隨潮頭高度的變化關(guān)系 石塘下部4層條石受到的涌潮作用力相對較大，測得不同高程處涌潮壓力與涌潮高度的關(guān)系見圖7．由圖可知，不同高程處壓力基本上隨涌潮高度的增大而增大．石塘高程0．40～1．51 m部分，受到的涌潮壓力在25～50 kPa之間．

涌潮壓力最大值與涌潮高度的相關(guān)關(guān)系見圖8．本次測得潮到20 s內(nèi)壓力最大值35．0～47．5 kPa，對應(yīng)潮頭高度1．4～1．7 m．由圖8可知，除臺風(fēng)期外，觀測到的涌潮壓力最大值隨潮頭高度的增大而增大，經(jīng)初步擬合得到以下公式:

式中:P為涌潮壓力;H為涌潮潮頭高度．由于現(xiàn)場測量條件限制，石塘最底部條石受到的壓力可能更大，因此式(1)僅可作為該地區(qū)魚鱗石塘最大涌潮壓力的計算參考．本文將本次魚鱗石塘的涌潮壓力觀測值與44#丁壩進(jìn)行對比，兩處測量地點都在海寧大缺口附近，比較可知，擬合的趨勢基本一致．由于測點高程的不同以及涌潮高度觀測地點的不同，魚鱗石塘底部條石受到的涌潮壓力相比44#丁壩偏大．

圖7 不同高程涌潮壓力與涌潮高度關(guān)系 Fig．7 Relationship between pressure and bore height at different elevations

圖8 魚鱗石塘與44#丁壩涌潮壓力觀測值對比Fig．8 Comparison between observation values of borepressure on the ancient seawall and No.44 groin

2．3．3 涌潮壓力最大值沿豎直斷面分布特征 潮到20 s內(nèi)，涌潮壓力最大值沿測量斷面的分布見圖9．由圖可知，下部條石受到的涌潮作用力最大．涌潮壓力最大值的分布形狀也與潮頭高度和入射角度有關(guān)，分布形狀為拋物線形或三角形．受江道低水位的影響，底部4層條石上均可能發(fā)生最大壓強(qiáng)．

圖9 涌潮壓力最大值沿斷面分布Fig．9 Vertical distribution of max.bore pressure

2．4 臺風(fēng)影響下涌潮作用力特征

臺風(fēng)與大潮共同作用下，對魚鱗石塘產(chǎn)生的破壞影響是古海塘保護(hù)和錢塘江海塘設(shè)計中考慮的重要因素之一．2012年第11號強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”于8月8日凌晨3時20分(農(nóng)歷6月廿一日)在浙江象山縣鶴浦鎮(zhèn)登陸，登陸時最大風(fēng)力14級，測量地點位于10級風(fēng)圈以內(nèi)．測量從8月7日晚6:00開始，持續(xù)觀測時間14．24 h．

受臺風(fēng)低氣壓影響，杭州灣水位增高，大缺口處江道低水位比正常情況下抬高30 cm以上．涌潮來臨時，由于江道水深較深，潮頭破碎不明顯，潮頭高度1．2 m，相比正常情況下偏?。疁y得潮到20 s內(nèi)最大壓力為44．22 kPa，作用在高程0．75 m處，為沖擊荷載，下部條石受到的緩變荷載為10～20 kPa．潮到20 s內(nèi)的涌潮壓力過程見圖10，壓力最大值沿斷面分布見圖9．觀測時段內(nèi)測得最大壓強(qiáng)值52．46 kPa，發(fā)生在最高潮位時刻．8月7日涌潮到達(dá)塘前的形態(tài)見圖11．結(jié)合上文涌潮潮頭高度的影響分析，同時參見圖10可知:受強(qiáng)臺風(fēng)影響，江道水位較高，潮頭高度較小，但潮頭對海塘的沖擊荷載依然較大，而潮到后的緩變荷載則相對較?。?/p>

由于臺風(fēng)影響下的涌潮作用力特征受天文潮汐、涌潮時刻的低潮位狀況、風(fēng)速風(fēng)向等多種因素影響，其影響特性還有待進(jìn)一步的試驗論證．

圖10 臺風(fēng)影響時涌潮作用力過程(潮到20 s) Fig．10 Hydrograph bore pressure process by the action of typhoon(20 s)

圖11 臺風(fēng)影響時涌潮作用形態(tài)Fig．11 Tidal bore by the action of typhoon

3 結(jié)語

潮水的沖擊作用對魚鱗石塘下部條石及接縫材料具有一定的破壞作用．本文對海寧大缺口東側(cè)魚鱗石塘條石表面受到的涌潮作用力進(jìn)行了測量和分析，主要結(jié)論如下:

(1)魚鱗石塘條石豎直表面受到的潮水作用力與涌潮的入射方向和潮頭高度有密切的關(guān)系．當(dāng)涌潮較大且入射方向垂直或平行于海塘軸線時，通常會產(chǎn)生沖擊荷載．涌潮壓力最大值隨潮頭高度的增大而增大．本次測得潮到20 s內(nèi)涌潮壓力最大值為35．0～47．5 kPa，對應(yīng)潮頭高度1．4～1．7 m，并給出了海寧大缺口處最大涌潮壓力計算參考公式．

(2)魚鱗石塘迎潮面受到的涌潮壓力分布形態(tài)主要為拋物線形和三角形，底部4層條石上均可能出現(xiàn)最大壓力．

(3)本次觀測中，受強(qiáng)臺風(fēng)影響時，江道低水位較高，潮頭高度較小，但潮頭對海塘的沖擊荷載依然較大，而潮到后的緩變荷載則相對較?。?/p>

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