海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷試驗(yàn)

陳 杰,段自豪,蔣昌波,高清洋,管 喆

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

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海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷試驗(yàn)

陳 杰1,2,段自豪1,蔣昌波1,2,高清洋1,管 喆1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

基于波浪水槽,分別考慮獨(dú)棟和房屋群兩種情況,開(kāi)展海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷試驗(yàn)研究，分別建立了獨(dú)棟房屋情況下相對(duì)最大沖刷深度與海嘯波相對(duì)越頂高度關(guān)系式和房屋群情況下局部最大沖刷深度與海嘯波波高、房屋寬度、房屋高度、房屋數(shù)量、房屋間的中心間距的關(guān)系式。試驗(yàn)結(jié)果表明在海嘯波越頂水流產(chǎn)生的水跌以及海嘯波通過(guò)房屋時(shí)產(chǎn)生的擾流共同作用下,房屋周?chē)?特別是海側(cè)會(huì)產(chǎn)生明顯的局部沖刷坑；回落水流水跌是局部沖刷坑產(chǎn)生的主要因素,擾流是次要因素。所建立的關(guān)系式揭示了最大局部沖刷深度與海嘯波、房屋尺寸、房屋布局的內(nèi)在聯(lián)系。

波浪水槽;海嘯波;局部沖刷;近岸房屋;試驗(yàn)研究

近年來(lái)海嘯災(zāi)害頻發(fā),不僅造成了大量的近岸建筑物坍塌或損毀,而且嚴(yán)重威脅著沿岸人民的生命安全[1]。

我國(guó)以往的海嘯研究多集中在海嘯成因、海嘯波傳播以及防災(zāi)減災(zāi)等方面[1]。大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明,海嘯波引起的岸灘沖刷危害巨大,很多近岸建筑物不是被海嘯波的沖擊水流損毀,而是因海嘯波引起的建筑物局部沖刷而坍塌或損毀[2-3]。因此,近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始逐漸關(guān)注海嘯波作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,先后開(kāi)展了海嘯波作用下的泥沙起動(dòng)和推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)[4],岸灘剖面變化的試驗(yàn)研究[5-8]和數(shù)值模擬[9-10],墩柱[11-13]、沿海公路[14]、潛堤[15]和直立堤[16]的局部沖刷等研究工作。近期的海嘯現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),近岸地區(qū)的房屋基礎(chǔ)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的局部沖刷[2-3],但沖刷機(jī)理不明確。為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究不足,本文擬基于波浪水槽試驗(yàn),開(kāi)展海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷研究,為海嘯防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)波浪水槽內(nèi)進(jìn)行,水槽長(zhǎng)40.0 m,寬0.5 m,高0.8 m，試驗(yàn)布置如圖1所示。在水槽內(nèi)建立三維直角坐標(biāo)系,以斜坡起點(diǎn)為原點(diǎn),波浪傳播方向?yàn)閤方向,水槽寬度方向?yàn)閥方向,垂直向上方向?yàn)閦方向。

考慮到造波機(jī)性能和水槽尺寸,幾何比尺采用1∶200。試驗(yàn)采用斷面尺寸為10.0 cm×10.0 cm的混凝土方塊來(lái)模擬房屋,方塊埋入岸灘中并露出地面1.5 cm,其中心距水陸分界線(xiàn)0.5 m,對(duì)應(yīng)原型尺寸為20.0 m×20.0 m、高度為3.0 m的單層正方形房屋,房屋中心距離海邊100 m。試驗(yàn)分別考慮獨(dú)棟房屋和房屋群兩種情況,共設(shè)計(jì)3種方案,房屋模型間距取0.2 m,對(duì)應(yīng)實(shí)際距離為40.0 m(圖1)。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

表1 研究工況

波高測(cè)量采用加拿大WG-50型浪高儀和超聲波水位計(jì),儀器位置隨組次而調(diào)整。浪高儀最小測(cè)量周期為1.5 μs,誤差為0.4%,采樣頻率為50 Hz。超聲波水位計(jì)采樣頻率為20 Hz,測(cè)量精度為0.2 mm。地形測(cè)量采用URI-IIU超聲波地形儀,用已知地形對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)后使用,測(cè)量精度為1 mm。試驗(yàn)同時(shí)采用分辨率為1 920×1 080的Logitech C910高清攝像頭從水槽側(cè)面進(jìn)行拍攝記錄,視頻的采樣頻率為15 Hz。

試驗(yàn)首先將斜坡鋪好整平,安裝好房屋模型,水槽灌滿(mǎn)水,浸泡沙質(zhì)斜坡12 h以后,再緩慢將水位降低到試驗(yàn)水深,約30 min后開(kāi)始造波,測(cè)量波高數(shù)據(jù)。待水面充分平靜后,進(jìn)行下一次造波,共進(jìn)行6個(gè)波的逐個(gè)作用,最后測(cè)量最終三維地形。正式試驗(yàn)開(kāi)始前開(kāi)展大量預(yù)備試驗(yàn),對(duì)造波機(jī)可靠性和重復(fù)性、地形變化重復(fù)性、儀器設(shè)備的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。完成一個(gè)組次的試驗(yàn)之后,把整個(gè)斜坡的沙子全部翻動(dòng)攪拌,使沙均勻混合,再重新鋪好斜坡并整平,接著重復(fù)上述步驟開(kāi)始下一組次試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析與討論

圖2為波高為12.18 cm的6個(gè)孤立波(組次6)作用后獨(dú)棟房屋(模型布置1)局部三維地形變化結(jié)果?？梢钥闯鲈诠铝⒉ǖ淖饔孟掳稙┰趚方向3.2～4.5 m范圍發(fā)生沖刷并形成沖刷坑,在2.5～3.2 m處淤積,同時(shí)房屋模型周?chē)a(chǎn)生明顯的局部沖刷坑。試驗(yàn)錄像顯示,岸灘沖刷發(fā)生在水流回落時(shí),泥沙在離岸區(qū)水躍發(fā)生處堆積,呈沙壩剖面,結(jié)果與Jiang等[4-7]的試驗(yàn)一致。孤立波上爬階段,波浪越過(guò)房屋模型形成水跌,同時(shí)能看見(jiàn)很明顯的擾流現(xiàn)象,房屋岸側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)局部沖刷坑。在孤立波回落階段,水流迅速回落,受房屋模型的阻擋,兩側(cè)出現(xiàn)擾流,越頂水流則在房屋海側(cè)的根部形成明顯的水跌。在水跌和擾流的共同作用下,房屋向海側(cè)的局部沖刷坑迅速增大。2棟和4棟房屋試驗(yàn)均呈現(xiàn)類(lèi)似的結(jié)果,房屋的局部沖刷均是由水跌和擾流的共同作用形成的。

圖2 波高12.18 cm作用下模型布置1局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果(組次6)

圖3 房屋中間斷面地形變化

圖3分別為3種模型布置方式下每棟房屋中心線(xiàn)斷面的地形變化(6個(gè)孤立波作用后的最終高程減去初始高程),其中房屋中間斷面與側(cè)面斷面位置如圖2所示。從圖3可以看出房屋均坐落在岸灘發(fā)生沖刷的位置,特別是房屋中心線(xiàn)向岸和向海側(cè)均發(fā)生了局部沖刷,向海側(cè)的局部沖刷更為嚴(yán)重,且入射波波高越大,局部沖刷坑越深。在最大波高作用下,模型布置1房屋向海側(cè)局部沖刷深度最大,達(dá)到3.9 cm;模型布置2房屋向海側(cè)局部沖刷深度略小,為2.9 cm;模型布置3房屋間的局部沖刷深度相對(duì)較大,達(dá)到3.7 cm,靠海房屋的向海側(cè)局部沖刷深度略小,為2.8 cm。

圖4分別為3種模型布置方式下房屋的側(cè)面斷面地形變化。從圖4可以看出房屋兩側(cè)均出現(xiàn)局部沖刷,入射波波高越大,局部沖刷坑越深。和中間斷面結(jié)果相比較,側(cè)面斷面局部沖刷明顯減小。

圖4 房屋側(cè)面斷面地形變化

海嘯波作用下引起的近岸房屋局部沖刷,會(huì)造成基礎(chǔ)破壞,房屋倒塌,因此最大局部沖刷深度是學(xué)者們最關(guān)注的問(wèn)題。最大局部沖刷深度zmax受到海嘯波、房屋尺寸、房屋布局等共同作用的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其主要影響因素有海嘯波波高H、房屋寬度B、房屋高度dw、房屋數(shù)量n、房屋之間的中心間距s,可用下式進(jìn)行描述：

(1)

根據(jù)試驗(yàn)觀(guān)測(cè)結(jié)果,分獨(dú)棟房屋和房屋群兩種情況進(jìn)行討論。可采用無(wú)量綱參數(shù)對(duì)海嘯波作用下引起的獨(dú)棟房屋局部最大沖刷深度進(jìn)行描述:

(2)

式中：H-dw為海嘯波的越頂高度;zmax/B為相對(duì)最大沖刷深度;(H-dw)/dw為海嘯波相對(duì)越頂高度。分別取獨(dú)棟房屋中軸線(xiàn)和側(cè)面局部最大沖刷深度數(shù)據(jù),擬合得到相對(duì)最大沖刷深度與海嘯波相對(duì)越頂高度的關(guān)系如圖5(a)所示,趨勢(shì)線(xiàn)擬合度為0.845,zmax/B與(H-dw)/dw呈良好的自然對(duì)數(shù)關(guān)系:

(3)

圖5 房屋局部最大沖刷深度與入射波高、 房屋尺寸、房屋數(shù)量的關(guān)系

可以看出隨著海嘯波相對(duì)越頂高度(H-dw)/dw的增加,相對(duì)最大沖刷深度zmax/B隨之增大。試驗(yàn)結(jié)果表明,房屋的局部沖刷是由水跌和擾流共同作用形成的,海嘯波越頂水流產(chǎn)生的水跌是局部沖刷坑產(chǎn)生的主要因素,擾流是次要因素,這與Arikawa等[17]的防波堤試驗(yàn)結(jié)果一致。海嘯波的越頂高度越高,產(chǎn)生的水跌強(qiáng)度越大,局部沖刷坑的深度越深?；谑?3)計(jì)算本試驗(yàn)條件下組次4～6獨(dú)棟房屋局部最大沖刷深度,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,平均相對(duì)誤差如表2所示,計(jì)算結(jié)果較為合理。繪制房屋局部最大沖刷深度與入射波高、房屋高度、房屋數(shù)量的關(guān)系如圖6所示。若增加房屋高度,如H=25 cm,dw=3 cm時(shí),根據(jù)式(3)預(yù)測(cè)房屋最大局部沖刷深度為3.82 cm。結(jié)合圖6(a)可以看出,當(dāng)房屋高度不變時(shí),房屋局部最大沖刷深度隨波高的增大而增大;當(dāng)波高不變時(shí),最大局部沖刷深度隨房屋高度的增加而減小。

表2 公式(3)試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖6 房屋局部最大沖刷深度與入射波高、 房屋高度、房屋數(shù)量的關(guān)系

針對(duì)房屋群情況,可采用無(wú)量綱參數(shù)對(duì)海嘯波作用下引起的房屋群局部最大沖刷深度進(jìn)行描述:

(4)

式中nB/s表征房屋分布情況。分別取兩棟和四棟房屋局部最大沖刷深度數(shù)據(jù),繪制關(guān)系圖,建立了局部最大沖刷深度與海嘯波波高H、房屋寬度B、房屋高度dw、房屋數(shù)量n、房屋間的中心間距s的關(guān)系如圖5(b)所示,趨勢(shì)線(xiàn)擬合度為0.881,呈良好的冪函數(shù)關(guān)系:

(5)

由圖5(b)可以看出,隨著海嘯波相對(duì)越頂高度(H-dw)/dw的增加,以及房屋數(shù)量n變少,房屋尺寸B減小,房屋間的中心間距s增大,即房屋分布nB/s越稀疏,相對(duì)最大局部沖刷深度zmax/B越大。房屋的局部沖刷是水跌和擾流共同作用的產(chǎn)物,隨著房屋分布越來(lái)越密集,水流阻力增大,房屋越頂水流強(qiáng)度降低,同時(shí)房屋間的擾流強(qiáng)度受到一定的抑制,因此最大局部沖刷深度減小。特別是水流回落時(shí),受到靠岸房屋的保護(hù),靠海房屋擾流明顯減弱,因此出現(xiàn)房屋間的局部沖刷深度相對(duì)較大,靠海房屋的向海側(cè)局部沖刷深度相對(duì)較小的情況(圖3(c))?；谑?5)計(jì)算本試驗(yàn)條件下組次7～12最大局部沖刷深度,并與實(shí)測(cè)值比較,平均相對(duì)誤差如表3所示,結(jié)果較為合理。繪制房屋群房屋局部最大沖刷深度與入射波高、房屋高度、房屋數(shù)量的關(guān)系如圖6(b)所示。若增加房屋數(shù)量,如H=25 cm,n=8時(shí),根據(jù)式(5)預(yù)測(cè)房屋最大局部沖刷深度為4.02 cm。結(jié)合圖6(b)可以看出,當(dāng)房屋數(shù)量不變時(shí),房屋局部最大沖刷深度隨波高的增大而增大;當(dāng)波高不變時(shí),最大局部沖刷深度隨房屋數(shù)量的增大而減小。

表3 公式(5)試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

在波浪水槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷機(jī)理開(kāi)展研究。依據(jù)前人研究成果,采用無(wú)黏性細(xì)沙堆砌而成的1/10～1/20組合坡概化岸灘,選取孤立波模擬海嘯波,分別考慮獨(dú)棟房屋和房屋群兩種情況。海嘯波試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在海嘯波越頂水流產(chǎn)生的水跌以及海嘯波流過(guò)房屋時(shí)產(chǎn)生的擾流共同作用下,房屋模型周?chē)a(chǎn)生明顯的局部沖刷坑,且水流回落時(shí)水跌和擾流強(qiáng)度更大,造成房屋向海側(cè)局部沖刷深度相對(duì)較大。海嘯波越頂水流產(chǎn)生的水跌是局部沖刷坑產(chǎn)生的主要因素,擾流是次要因素。基于本文試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別建立獨(dú)棟房屋情況下相對(duì)最大沖刷深度與海嘯波相對(duì)越頂高度的關(guān)系式,房屋群情況下局部最大沖刷深度與海嘯波波高H、房屋寬度B、房屋高度dw、房屋數(shù)量n、房屋間的中心間距s的關(guān)系式,得到了最大局部沖刷深度與海嘯波、房屋尺寸、房屋布局的內(nèi)在聯(lián)系,并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)回代到公式中,驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。建議在海嘯可能發(fā)生區(qū)域修建房屋時(shí),其基礎(chǔ)周?chē)鷳?yīng)采取防沖刷措施,以防止局部沖刷危害建筑物安全。

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Experimental study of local scour around seaside houses by tsunami waves//

CHEN Jie1, 2,DUAN Zihao1,JIANG Changbo1, 2,GAO Qingyang1,GUAN Zhe1

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China; 2.KeyLaboratoryofWater,SedimentSciencesandFloodHazardPreventionofHunanProvince,Changsha410114,China)

An experimental study of local scour around a seaside single house and a group of houses by tsunami waves was carried out in a wave tank. The experimental results show that local scour occurs around the house, especially on the sea side due to a hydraulic drop generated by tsunami wave overtopping and the disturbed flow generated by tsunami waves passing through the house. The hydraulic drop is the main cause of local scour and disturbed flow is the secondary cause. For a single house, the empirical relationship between the relative maximum scour depth and relative overtopping height of the tsunami wave was established. For a group of houses, the empirical relationships between the maximum local scour depth and the tsunami wave height, house width, house height, the number of houses, and center spacing of houses were established. The internal relation between the maximum local scour depth and the incident wave height, house size and layout was determined.

wave tank; tsunami wave; local scour; seaside house; experimental study

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51239001, 51409022);交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015319825080)

陳杰(1982—),男,副教授,博士,主要從事海岸動(dòng)力過(guò)程及其模擬技術(shù)研究。E-mail:chenjie166@163.com

蔣昌波(1970—),男,教授,主要從事海岸動(dòng)力過(guò)程及其模擬技術(shù)研究。E-mail:jcb36@vip.163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.006

TV14

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1006-7647(2017)01-0033-05

2016-06-15 編輯：鄭孝宇)