浙江典型海塘實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)分析

魏海云，許小杰，李紅文，湯明禮，趙震波

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020； 2.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州 310020)

浙江典型海塘實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)分析

魏海云1,2，許小杰1,2，李紅文2，湯明禮2，趙震波2

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020； 2.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州 310020)

海塘是浙江沿海及海島抵御臺(tái)風(fēng)暴潮的第一道防線。針對(duì)海塘跨域大、臺(tái)風(fēng)期惡劣氣候影響嚴(yán)重以及海塘外部影響對(duì)內(nèi)部響應(yīng)變化速度快的特點(diǎn)，提出了大范圍、分布式、集中管理的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)海塘安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，并對(duì)錢塘江海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘和浙東海塘舟山萬丈塘進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：海塘內(nèi)部滲壓水位與潮位有較好的相關(guān)性,潮位漲落對(duì)海塘滲流影響由海塘外側(cè)至內(nèi)側(cè)逐漸減弱；海塘內(nèi)部水力坡降均小于允許坡降，海塘滲透穩(wěn)定滿足要求。在潮涌作用下，海塘將產(chǎn)生mm級(jí)水平變形，隨著潮位漲落，海塘內(nèi)部水平位移呈周期性變化；水平位移沿深度分布呈現(xiàn)上部大、下部小的特點(diǎn)。研究成果為海塘的日常維護(hù)和應(yīng)急搶險(xiǎn)提供技術(shù)支撐。

浙江典型海塘；臺(tái)風(fēng)暴潮；實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)；滲壓水位；水平變形

1 研究背景

浙江省瀕臨東南沿海，海岸線長，沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)頻繁，海塘成為浙江省抵御臺(tái)風(fēng)暴潮的第一道屏障。浙江海塘由錢塘江海塘和浙東海塘2大部分組成，北與上海接壤，南與福建毗鄰，總長2 171 km[1]。錢塘江海塘承受山洪、海潮、風(fēng)浪3大動(dòng)力作用，特別是涌潮，破壞力極大；錢塘江為游蕩型河道，主槽遷徙不定，且錢塘江河口又為沖積性很強(qiáng)的河口，在潮流和徑流共同作用下，易沖易淤，河床沖淤變幅大，常常導(dǎo)致海塘塌毀；錢塘江海塘地基屬粉砂地基，易被沖刷破壞[2]。浙東海塘位于潮流穩(wěn)定地帶，海涂基本只漲不降，但處于臺(tái)風(fēng)、熱帶風(fēng)暴經(jīng)常侵襲地區(qū)，臺(tái)風(fēng)暴潮破壞力極大，海塘屢建屢毀；浙東海塘地基多為淤泥質(zhì)土層，承載力極低，建塘后沉降量很大，且沉降穩(wěn)定時(shí)間特別長[3]。

浙江省海塘破壞形式主要包括：①在強(qiáng)涌潮共同作用下，將洪(潮)水越頂破壞；②在潮流、波浪長期作用下，塘腳與岸灘受侵蝕或沖刷失穩(wěn)；③由于與沿塘涵閘接觸面止水失效、或塘身填筑存在缺陷或由于塘身沉降造成部分海塘閉氣土方高程不足，在高潮位作用下，海塘發(fā)生管涌、堤基深層滲透變形和接觸破壞；④在強(qiáng)涌潮(特別是臺(tái)風(fēng)暴潮)共同作用下，海塘發(fā)生整體滑坡或毀壞[4-6]。

國內(nèi)在水庫大壩監(jiān)測(cè)方面取得大量成果，但在海塘監(jiān)測(cè)方面剛起步。徐衛(wèi)軍等[7]開展長江堤防滲流監(jiān)測(cè)；李樹巍等[8]通過海塘現(xiàn)場(chǎng)筑圍堰蓄水研究了海塘滲流試驗(yàn)；鄒雙朝等[9]開展基于水下多波束的長江堤防護(hù)岸工程監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性分析研究；黃銘等[10]進(jìn)行潮水影響下海塘滲壓監(jiān)測(cè)模型研究，均獲得了不少成果。由于浙江海塘線長，塘身結(jié)構(gòu)多樣，加之現(xiàn)狀海塘安全監(jiān)測(cè)偏少，且監(jiān)測(cè)方法不夠可靠、技術(shù)不夠先進(jìn)、受制于惡劣氣候，難以適應(yīng)海塘外部影響和內(nèi)部響應(yīng)快速變化的特點(diǎn)，不能及時(shí)可靠評(píng)價(jià)海塘安全狀況。為此，結(jié)合浙江省海塘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇位于粉砂地基的錢塘江海寧鹽倉段和位于淤泥質(zhì)地基的浙東海塘舟山萬丈塘等開展安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)海塘滲流和海塘內(nèi)部水平變形的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為海塘遭遇超標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)風(fēng)暴潮災(zāi)害的應(yīng)急處置贏得極其寶貴的時(shí)間，為海塘的日常維護(hù)和搶險(xiǎn)提供技術(shù)支撐。

2 海塘安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

海塘安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)集成框架如圖1所示，主要包括海塘安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)。海塘安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、監(jiān)測(cè)控制中心站以及公用GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。海塘安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)集成適應(yīng)海塘外部影響和內(nèi)部響應(yīng)快速變化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，突破海塘空間跨域大和臺(tái)風(fēng)期惡劣氣候的影響限制，建立基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的大范圍、分布式、集中管理的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)海塘監(jiān)測(cè)技術(shù)。

圖1 海塘安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)集成框架Fig.1 Integrated framework of real-time safetymonitoring technology for seawall

3 海塘安全監(jiān)測(cè)儀器布置

3.1 錢塘江海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘監(jiān)測(cè)布置

海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘位于錢塘江河口涌潮頂沖段，是錢塘江北岸海塘的重要組成部分，塘線長7 km，為Ⅰ級(jí)工程，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇的臺(tái)風(fēng)暴潮標(biāo)準(zhǔn)。本段海塘布置了2個(gè)滲流觀測(cè)斷面(樁號(hào)K71+420和K71+520)和4根測(cè)斜管，單根測(cè)斜管安裝了3～5支固定式測(cè)斜儀，具體監(jiān)測(cè)布置斷面見圖2。

圖2 錢塘江海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘監(jiān)測(cè)儀器布置斷面Fig.2 Sectional layout of monitoring instruments forstandard seawall at Yancang segment ofQiantang River

圖2中,P代表的滲壓計(jì)也稱作孔隙水壓力計(jì)，用于觀測(cè)海塘內(nèi)部孔隙水壓力或滲透壓力；CX代表固定式測(cè)斜儀,用于觀測(cè)海塘等土體內(nèi)部的水平方向位移。

3.2 浙東海塘舟山萬丈塘監(jiān)測(cè)布置

浙東海塘舟山萬丈塘位于舟山臨城街道，塘線長7.4 km，Ⅲ級(jí)工程，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇的臺(tái)風(fēng)暴潮標(biāo)準(zhǔn)。塘身土質(zhì)為黏土，塘基土質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土。本段海塘布置2個(gè)滲流觀測(cè)斷面(樁號(hào)K4+170和K4+260)和2根測(cè)斜管，單根測(cè)斜管安裝4支固定式測(cè)斜儀，具體監(jiān)測(cè)布置斷面見圖3。

圖3 浙東海塘舟山萬丈塘監(jiān)測(cè)儀器布置斷面Fig.3 Sectional layout of monitoring instruments forWanzhang seawall in Zhoushan City of easternZhejiang Province

4 監(jiān)測(cè)成果分析

4.1 錢塘江水位

2014年8月份天文大潮期間，錢塘江鹽倉段江水位和海塘典型滲壓水位過程線見圖4。從圖4中可看出，錢塘江水位受潮汐影響，每日2次漲落，屬非正規(guī)淺海半日潮，日夜潮不等現(xiàn)象顯著。錢塘江水位較短時(shí)間內(nèi)變化快，很難維持穩(wěn)定水位，海塘滲流呈現(xiàn)典型的非穩(wěn)定滲流特點(diǎn)。

圖4 鹽倉段江水位和海塘典型滲壓水位過程線

4.2 海塘滲流分析

4.2.1 錢塘江海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘滲流

4.2.1.1 海塘滲壓水位

2014年8月份天文大潮期間，海寧鹽倉段海塘內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)滲壓水位特征值見表1，斷面K71+520海塘滲壓水位典型過程線見圖5。

表1 鹽倉段海塘滲壓水位特征值

圖5 鹽倉段海塘滲壓水位過程線Fig.5 Time-history curves of water level obtained byseepage pressure gauges at Yancang seawall

從圖5和表1中可看出，海寧鹽倉段海塘滲流主要受潮汐影響，每天經(jīng)歷2次驟升驟降過程。海塘滲壓水位與錢塘江水位變化有較好的相關(guān)性，其水位的峰值出現(xiàn)時(shí)間與潮位基本同步；這與錢塘江粉砂土地基強(qiáng)滲透性有關(guān)(粉砂土滲透系數(shù)1.2×10-4～1.0×10-3cm/s)。

2014年8月份天文大潮期間，錢塘江水位介于3.08～6.55 m，最大變幅為3.47 m；江水位與2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面迎水側(cè)塘腳滲壓水位的最大差值分別為1.85 m和1.52 m；斷面K71+420迎水側(cè)塘腳P1最大變幅為1.31 m，背水側(cè)塘腳P6最大變幅為0.59 m；斷面K71+520迎水側(cè)塘腳P7的最大變幅為1.69 m，背水側(cè)塘腳P12最大變幅為0.82 m。由此可知，海塘的護(hù)坡混凝土面板消減水頭顯著，起到較好防滲作用。海塘滲壓水位隨潮位漲落而升降；且離海塘外側(cè)越遠(yuǎn)，海塘滲壓水位升降幅度越小，即潮位漲落對(duì)海塘滲流影響由海塘外至海塘內(nèi)逐漸減弱。4.2.1.2 海塘水力坡降

2014年8月份天文大潮期間，錢塘江鹽倉段海塘水力坡降特征值見表2，斷面K71+420海塘水力坡降典型過程線見圖6。在表2和圖6中，1-2段、2-3段、3-4段、4-5段、5-6段分別代表海塘斷面K71+420的 P1，P2，P3-2，P4-2，P5，P6相鄰測(cè)點(diǎn)之間水力坡降，海塘斷面K71+520對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間水力坡降也采用相同代號(hào)。

表2 鹽倉段海塘水力坡降特征值

圖6 鹽倉段海塘水力坡降過程線Fig.6 Time-history curves of hydraulic gradientat Yancang seawall

從圖6和表2可知，海塘斷面K71+420和K71+520最大水力坡降分別為0.071和0.079，均位于海塘最前側(cè)，海塘后側(cè)最大水力坡降均為0.033，實(shí)測(cè)水力坡降均小于砂質(zhì)粉土層的允許坡降0.15，海塘滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求[6]。

4.2.2 舟山萬丈塘滲流

4.2.2.1 海塘滲壓水位

2014年第16號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”期間，舟山萬丈塘斷面K4+170海塘滲壓水位典型過程線見圖7。

圖7 舟山萬丈塘滲壓水位過程線Fig.7 Time-history curves of water level obtained byseepage pressure gauges at Wanzhang seawall

從圖7中可看出，海塘滲流主要受潮汐影響，潮位漲落對(duì)海塘滲流影響由海塘外側(cè)至內(nèi)側(cè)逐漸減弱；同時(shí)受降雨入滲的影響，如P3-2等滲壓計(jì)水位降雨期間上升較快，這可能與該軟基海塘沉降量大引起塘頂產(chǎn)生局部裂縫有關(guān)。

4.2.2.2 海塘水力坡降

海塘水力坡降特征值見表3。

表3 舟山萬丈塘段海塘水力坡降特征值

從表3中可看出，海塘K4+170和K4+260斷面最大水力坡降分別為0.215和0.050，所有實(shí)測(cè)水力坡降均小于淤泥質(zhì)黏土的允許坡降，海塘滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4.3 海塘內(nèi)部變形分析

4.3.1 海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘內(nèi)部變形

綜上所述，本研究初步證實(shí)了訶子提取物可提高腦缺血再灌注損傷模型大鼠外周血EPCs水平、神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分和梗死區(qū)域MVD，減小其腦梗死體積，對(duì)其缺血再灌注損傷具有一定的保護(hù)作用；其機(jī)制可能與上調(diào)血管新生相關(guān)因子（VEGF、VEGFR2、NO）的表達(dá)有關(guān)。本研究為藏藥訶子防治腦缺血性疾病提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。后續(xù)本課題組將進(jìn)一步探討其具體藥效成分，深入挖掘其作用機(jī)制，并開展藥動(dòng)學(xué)、藥效學(xué)研究。

2014年8月份天文大潮期間，鹽倉斷面K71+420海塘內(nèi)部水平位移過程線見圖8，海塘內(nèi)部水平位移沿高程分布見圖9。

圖8 鹽倉段海塘內(nèi)部水平位移過程線Fig.8 Time-history curves of internal horizontaldisplacement of Yancang seawall

圖9 鹽倉段海塘內(nèi)部水平位移沿高程分布Fig.9 Distribution of internal horizontal displacementalong depth direction of Yancang seawall

從圖8中可看出，在潮涌作用下，海塘沿塘前后側(cè)方向發(fā)生了一定的水平變形，且海塘變形有滯后效應(yīng)。在漲潮期間，隨江水位上漲，海塘朝塘后側(cè)快速變形，直至落潮前期，海塘內(nèi)部水平位移仍然呈緩慢增長，在落潮后期，海塘朝塘前側(cè)變形。隨著潮位漲落，海塘內(nèi)部水平位移在一定范圍內(nèi)呈周期性變化，塘前塘腳和塘頂前側(cè)水平位移變化范圍分別為-0.7～6.6 mm和-1.2～4.8 mm。

從圖9中可看出，位于海塘塘腳處測(cè)斜孔，上部水平位移大，底部水平位移??；位于海塘塘頂處測(cè)斜孔，中上部水平位移大，底部水平位移小。

4.3.2 舟山萬丈塘內(nèi)部變形

2014年第16號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”期間，舟山萬丈塘內(nèi)部水平位移典型過程線見圖10。

圖10 舟山萬丈塘內(nèi)部水平位移過程線Fig.10 Time-history curves of internal horizontaldisplacement of Wanzhang seawall

圖11 舟山萬丈塘內(nèi)部水平位移沿高程分布Fig.11 Distribution ofinternal horizontaldisplacement along depthdirection of Wanzhangseawall

從圖10中可看出，在潮涌作用下，海塘沿塘前后側(cè)方向發(fā)生了一定的水平變形。隨潮位上漲，海塘發(fā)生朝向塘后側(cè)水平變形；潮位回落期間，海塘水平變形逐漸減小。隨著潮位漲落，海塘內(nèi)部水平位移在一定范圍內(nèi)呈周期性變化，塘頂前側(cè)水平位移變化范圍分別為-0.3～0.6 mm。

海塘內(nèi)部水平位移沿深度分布見圖11。

從圖11可以看出，海塘水平位移呈現(xiàn)上部大、下部小的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

通過錢塘江海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘和浙東海塘舟山萬丈塘實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)資料分析，獲得如下一些結(jié)論：

(1) 錢塘江鹽倉段潮汐影響，每日2次漲落，屬非正規(guī)淺海半日潮；江水位較短時(shí)間內(nèi)變化快，海塘滲流呈現(xiàn)典型的非穩(wěn)定滲流特點(diǎn)。

(2) 海塘滲流觀測(cè)分析表明，潮位漲落對(duì)海塘滲流影響由海塘外側(cè)至內(nèi)側(cè)逐漸減弱。錢塘江海寧鹽倉段標(biāo)準(zhǔn)塘滲壓水位與錢塘江潮位變化具有較好的相關(guān)性，其水位的峰值出現(xiàn)時(shí)間與潮位基本同步，這與錢塘江粉砂土地基強(qiáng)滲透性有關(guān)。

(3) 錢塘江海塘的護(hù)坡混凝土面板消減水頭顯著，起到較好防滲作用，海塘內(nèi)部水力坡降均小于砂質(zhì)粉土層的允許坡降，海塘滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

(4) 海塘內(nèi)部水平位移分析表明，在潮涌作用下，海塘將產(chǎn)生mm級(jí)水平變形；隨著潮位漲落，海塘內(nèi)部水平位移呈周期性變化；水平位移沿深度分布呈現(xiàn)上部大、下部小的特點(diǎn)。

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(編輯：姜小蘭)

Analysis of Real-time Safety Monitoring for Typical Seawallsin Zhejiang Province

WEI Hai-yun1,2, XU Xiao-jie1,2,LI Hong-wen2,TANG Ming-li2, ZHAO Zhen-bo2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China; 2.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co., Ltd., Hangzhou 310020, China)

Seawall is the first barrier against typhoon storm surge for coastal areas and islands in Zhejiang Province. Cutting through broad areas, seawalls are severely affected by bad climate in typhoon period with rapid internal response to external influence. In view of this, a remote real-time dynamic monitoring technology for seawall safety is presented with features of large coverage, distributed monitoring and centralized management. The real-time monitoring technology was applied to the standard seawall at Yancang of Haining City in Qiantang River, as well as Wanzhang seawall of Zhoushan City in east Zhejiang. Monitoring results show that the inner water level of seawall obtained through seepage pressure gauge is well related to tide level, and the effect of tidal level fluctuation on seepage gradually weakens from the inside to the outside of seawall. The internal hydraulic gradient of seawall is within allowable value, guaranteeing seepage stability. Moreover, horizontal deformation at millimeter level would occur under the action of tide. With the tide level fluctuation, internal horizontal displacement of seawall changes cyclically. In particular, the horizontal displacement of the upper part of seawall is greater than that of the lower part. The real-time monitoring results provide technical support for routine maintenance and emergency treatment of the seawall.

typical seawall in Zhejiang Province; typhoon storm surge; real-time safety monitoring; water level obtained by seepage pressure gauge; horizontal deformation

2016-08-11；

2016-09-14

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201201043)；浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014F50016)；浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(RB1514,RC1543)

魏海云(1978-)，男，江西南昌人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水利工程安全與環(huán)境土工研究，(電話)13777862201(電子信箱)weihy07@126.com。

10.11988/ckyyb.20160818

2017,34(6):51-55

TV147

A

1001-5485(2017)06-0051-05