強(qiáng)潮河口橋墩涌潮壓力試驗(yàn)研究

李 穎，潘冬子，潘存鴻

(1. 浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

強(qiáng)潮河口橋墩涌潮壓力試驗(yàn)研究

李 穎1，潘冬子2，潘存鴻2

(1. 浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

為明確強(qiáng)潮河口設(shè)計(jì)條件下涌潮壓力特征，以嘉紹大橋工程為背景進(jìn)行了涌潮壓力的動態(tài)測試和分析。選取主墩圍堰和施工棧橋進(jìn)行現(xiàn)場觀測，分析了涌潮壓力分布及其變化的特點(diǎn)。利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法，研究了涌潮壓力的時均和脈動特性，建立了涌潮壓力及其脈動分量極值與涌潮高度的擬合關(guān)系。研究結(jié)果表明：涌潮壓力變化脈動性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法能較好地處理這種非平穩(wěn)時變信號；時均分量反映了局部水位的平均變化趨勢，脈動分量反映了涌潮與結(jié)構(gòu)物相互作用時自由水面的紊動情況；從垂向分布上看，壓力極值在潮前低水位附近最大，并隨著傳感器安裝高程的增加而減??；從平面分布上看，主墩圍堰的迎潮面壓力極值最大，背潮面最小；涌潮壓力及其脈動分量的極值與涌潮高度滿足指數(shù)分布規(guī)律。

強(qiáng)潮河口；涌潮；水壓力；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；橋墩；信號處理

Abstract: To understand the characteristics of tidal bore-induced pressures on design condition in a macro-tidal estuary, the Jiashao Bridge on the Qiantang River was cited as an example and a dynamic test in site during the construction of the bridge was performed. The tidal bore-induced pressures on main pier cofferdam and construction trestle were measured, and the features of distribution and the change of the pressures were analyzed. The time-averaged and fluctuating pressures due to the tidal bore were discussed by the Empirical Mode Decomposition (EMD) method. A fitting relationship between the pressures extrenmum and the height of the tidal bore was developed. The measured pressures possess the characteristics of strong fluctuation and the EMD method can effectively deal with the non-stationary and time-varying signals. The time-averaged components reflected the mean change trend of the local water level and the fluctuating components reflected the turbulence of the free surface on the interaction between the tidal bore and the structures. For the vertical distribution, the location of the maximum pressure extremum was on the vicinity of the low water level and the values decreased with the increase of the sensor installation level. For the plane distribution, the location of the maximum pressure extremum was on the upstream face of the main pier cofferdam and the minimum value was on the downstream face. The relationship between the total pressure extremum and the height of tidal bore agreed with exponential distribution law and the fluctuating components as well.

Keywords: macro-tidal estuary; tidal bore; water pressure; empirical mode decomposition (EMD); pier; signal processing

錢塘江河口是典型的強(qiáng)潮河口，涌潮是錢塘江河口潮汐的重要特征。外海潮波經(jīng)杭州灣、錢塘江河口下游段向上游傳播過程中，因河寬收縮變窄和河床沙坎抬高而產(chǎn)生劇烈變形，使?jié)q潮波前形成明顯的行進(jìn)鋒面[1]。單向水流、波浪對涉水構(gòu)筑物的作用力已經(jīng)有了比較成熟的計(jì)算方法和工程設(shè)計(jì)規(guī)程，但由于涌潮現(xiàn)象發(fā)生的地域性及其自身的復(fù)雜性，在理論上對涌潮作用力研究的深度和廣度還比較欠缺。一般為了解決生產(chǎn)實(shí)際問題而基于現(xiàn)場觀測和室內(nèi)試驗(yàn)研究得到涌潮作用力的相關(guān)成果。楊永楚[2]在錢江二橋南岸利用施工棧橋和橋墩樁基護(hù)筒進(jìn)行了涌潮壓力觀測；陳希海等[3]實(shí)測了錢塘江舊倉段海塘織物模袋混凝土護(hù)坦涌潮壓力過程；酈麗娟等[4]對海寧八堡44#丁壩壩頭的環(huán)梁和掛樁進(jìn)行了涌潮作用下的受力觀測；林炳堯等[5]對排樁式丁壩涌潮作用力進(jìn)行了試驗(yàn)研究；邵衛(wèi)云等[6-7]對錢塘江六橋橋墩所受的正面涌潮壓力及回頭潮壓力全過程進(jìn)行了動態(tài)測試；陳海軍等[8]對排樁式丁壩上的涌潮壓力進(jìn)行了現(xiàn)場觀測；沈躍軍等[9]研究了錢塘江北岸海寧段魚鱗石塘在涌潮作用過程中受到的作用力。但由于涉水構(gòu)筑物的形式各異，現(xiàn)場測試儀器、河床地形和水沙條件各不相同，目前對涌潮壓力的理論分析和認(rèn)識仍存在較大的差異。

嘉紹大橋北起海寧，南接上虞，是繼杭州灣跨海大橋后，又一座橫跨杭州灣的特大型橋梁。嘉紹大橋位于錢塘江尖山河段，受河口下移的影響，這里已成為錢塘江涌潮發(fā)展壯大的水域。由于江道寬淺、潮強(qiáng)流急、含沙量大等原因，使得主槽擺動頻繁[10]。因此，嘉紹大橋主航道橋采用的是六塔獨(dú)柱分幅四索面鋼箱梁斜拉橋方案[11]，使主橋長度達(dá)2 680 m，分出5個主通航道，以適應(yīng)河床主槽擺幅。為明確強(qiáng)潮河口設(shè)計(jì)條件下涌潮壓力特征，本文考慮到現(xiàn)場條件，在嘉紹大橋4#主墩附近利用當(dāng)時正在施工的棧橋和橋墩圍堰進(jìn)行了涌潮壓力觀測。根據(jù)涌潮壓力測試的結(jié)果，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)法進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，得到涌潮壓力分布和變化的特點(diǎn)，可為強(qiáng)涌潮特殊水域同類工程的設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)提供理論探索和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 現(xiàn)場潮汐特性

依據(jù)橋址斷面短期實(shí)測資料[12]：現(xiàn)場最高潮位5.45 m，平均高潮位4.02 m；最低潮位-3.15 m，平均低潮位-2.41 m；最大潮差8.59 m，平均潮差6.44 m。測點(diǎn)最大漲潮流速為6.65 m/s，垂線平均最大漲潮流速為5.37 m/s；測點(diǎn)最大落潮流速為4.40 m/s，垂線平均最大落潮流速為3.70 m/s。落潮流歷時顯著地長于漲潮流歷時，落潮流歷時在7.5 h至8.5 h之間，漲潮流歷時僅在3.5 h 至5 h之間。

涌潮前鋒形態(tài)受變形程度的影響。當(dāng)水深變小時，由于河床阻力的影響對不同垂向部位的差異，表面所受的影響較小，因而水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度較大，當(dāng)速度超過行進(jìn)波速時即發(fā)生破碎，目測破碎總在表面首先發(fā)生。由于主墩圍堰周圍沖刷較深，涌潮傳播到圍堰附近時，水深增大，會導(dǎo)致涌潮的潮頭高度減小。

2 試驗(yàn)方案

圖1 傳感器的布置Fig. 1 Setup of sensors

嘉紹大橋主墩承臺為深埋式承臺，采用無底鋼圍堰作為承臺阻水結(jié)構(gòu)物和模板體系。如圖1所示，主墩圍堰內(nèi)徑40.6 m，外徑43.6 m，整體高度24. 5 m。在圍堰上布置有4條測線，其中1#測線與涌潮行進(jìn)的主方向正交，在圍堰附近棧橋鋼管樁上布置第5#測線。每條測線上安裝傳感器3支，傳感器間距0.75 m。

為了保證傳感器不受邊界繞流的影響，所有的傳感器均置于300 mm×300 mm×15 mm鋼板中心(圖1(e))，傳感器中心到鋼板邊緣的距離大于三倍的傳感器直徑。為了保證測點(diǎn)相對位置的正確，同一測線各傳感器均置于同一型鋼上，以便吊裝。為了精確地測定局部水域的潮位變化過程，在5#測線附近設(shè)置有臨時潮位站。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1涌潮壓力作用過程

涌潮水流作用于涉水建筑物基礎(chǔ)時，水位和流速都在某一瞬間突然變化，而且水流湍急，流速和壓力瞬時變化的脈動性較強(qiáng)。本文采用的壓強(qiáng)極值是指涌潮沖擊建筑物后1分鐘內(nèi)出現(xiàn)的壓力最大值。典型的涌潮壓力過程線如圖2所示。

圖2 典型的涌潮壓力測試值Fig. 2 Typical measured tidal bore-induced pressure

從圖2可以看出，涌潮壓力時程曲線實(shí)際上是一種典型的時變非平穩(wěn)載荷信號。最大的涌潮作用力并不出現(xiàn)在涌潮鋒面到達(dá)的時刻，而是滯后2.5 s，最大的觀測壓力34.28 kPa。涌潮沖擊作用面后反射，與正向傳播的漲潮流相互作用，形成振蕩脈動水流，持續(xù)時間約35 s。

3.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)法的應(yīng)用

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)是美國華裔科學(xué)家黃鍔院士提出的一種信號分析方法[13], 其核心思想是任何信號都由一簇固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function, 簡稱IMF)組成，用EMD方法能將這些IMF分離出來。近年來，EMD方法在動力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地震工程學(xué)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科已得到了廣泛的應(yīng)用[14]。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法本質(zhì)上是對一個信號進(jìn)行平穩(wěn)化處理，其結(jié)果是將信號中不同尺度的波動或趨勢項(xiàng)逐級分解開來，產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列IMF，因而能在時頻域內(nèi)描述非平穩(wěn)信號的局部特性。原始信號s0經(jīng)EMD分解后，可表述成[15]

式中：s1(t)表征信號的脈動分量，s2(t)表征信號的時均分量；ci(t)是第i次分解得到的高頻項(xiàng)，rn(t)是第n次分解后得到的殘余項(xiàng)。

對圖2中涌潮壓力信號進(jìn)行EMD分解得到典型壓力信號的脈動分量如圖3(a)所示，脈動壓力極大值21.86 kPa，發(fā)生在涌潮沖擊作用面的時刻，脈動持續(xù)時間大約35 s，隨后趨于穩(wěn)定；脈動分量反映了涌潮與結(jié)構(gòu)物相互作用時自由水面的紊動情況。典型壓力信號的時均分量如圖3(b)所示，通過與臨時潮位站數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)時均分量基本反映了局部水位的平均變化趨勢。

圖3 壓力信號EMD處理Fig. 3 Pressure signal processing with EMD

3.3涌潮壓力垂向分布

棧橋鋼管樁上的5#測線，3個壓力傳感器由潮前低水位向上等間距0.75 m布置。典型的壓力過程線及EMD分解結(jié)果如圖4所示。

圖4 涌潮壓力垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of tidal bore-induced pressures

在圖4中，5a0、5b0和5c0是5#測線垂向原始觀測信號；5a1、5b1和5c1是EMD法分解得到的原始信號脈動分量；5a2、5b2和5c2是原始信號的時均分量。從圖4可以看出，壓力極值在潮前低水位附近(a點(diǎn))最大，并隨著傳感器安裝高程的增加而減小。壓力測試信號的時均分量變化較大，但是其脈沖分量極值的變化并不顯著，即在一定范圍內(nèi)涌潮脈動壓力近似滿足矩形分布。

3.4主墩圍堰上的壓力分布

涌潮沖擊主墩圍堰過程中流體運(yùn)動和自由面變化非常復(fù)雜，會出現(xiàn)水沖擊、界面破碎以及復(fù)雜的漩渦運(yùn)動等現(xiàn)象。同時由于試驗(yàn)河段的特殊性，涌潮反射波會出現(xiàn)多次疊加的現(xiàn)象。主墩圍堰上典型的壓力過程線及EMD分解結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出迎潮面(1#)涌潮壓力及其脈沖分量最大，背潮面(4#)最小。

圍堰四周壓力極值分布及其與潮向的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，正對潮向處(1#)，壓強(qiáng)極值最大；隨著偏離潮向角度的增加，壓強(qiáng)逐漸減小，背潮面(4#)壓力最小。

圖5 圍堰四周壓力分布Fig. 5 Pressures distribution around cofferdam

圖6 圍堰四周壓力極值分布Fig. 6 Pressure extremums distribution around cofferdam

3.5涌潮壓力和涌潮高度的關(guān)系

涉水建筑物在涌潮作用下所承受的壓力與涌潮的高度直接相關(guān)。但是由于涌潮變化的復(fù)雜性和隨機(jī)性，加之涌潮在傳遞過程中由于涌波破碎能量損失而使涌潮高度減小，另一方面又由于承受不同部分反射潮波的疊加而有所增加。因此，即使在同一河床斷面不同測線上的涌潮高度及其產(chǎn)生的壓力也是不盡相同的。但通過實(shí)測資料表明，涌潮高度和壓力之間具有一定的函數(shù)關(guān)系。

如圖7所示，根據(jù)實(shí)測的涌潮總壓力極值和涌潮高度可建立如下關(guān)系

其中，H為涌潮高度，p為涌潮壓力極值。

考慮到涌潮壓力極值有較大的隨機(jī)性和脈動性，圖7中涌潮高度取外包絡(luò)線如下

對應(yīng)的涌潮壓力極值外包絡(luò)線為

如圖8所示，根據(jù)實(shí)測信號的壓力脈動分量極值和涌潮高度可建立如下關(guān)系

同樣，考慮到壓力脈動分量極值的隨機(jī)性，圖8中取涌潮高度的外包絡(luò)線如下

對應(yīng)的壓力脈動分量極值外包絡(luò)線為

圖7 涌潮高度～涌潮總壓力極值的關(guān)系Fig. 7 Relationship between total pressure extremum and height of tidal bore

圖8 涌潮高度～壓力脈動分量極值的關(guān)系Fig. 8 Relationship between fluctuating pressure components extremum and height of tidal bore

4 設(shè)計(jì)條件下的涌潮壓力分析

嘉紹大橋工程區(qū)域?qū)儆谟砍卑l(fā)展壯大的區(qū)域，涌潮高度自橋位一帶向上游不斷增大。根據(jù)橋址附近的數(shù)次涌潮觀測成果和北岸上游側(cè)的尖山、大缺口臨時觀測站以及南岸曹娥江口的涌潮觀測資料，經(jīng)相關(guān)分析得到橋位附近涌潮高度與潮差經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

其中，Δh為潮差；H為涌潮高度。

橋位的潮差可通過與澉浦相應(yīng)潮差建立相關(guān)關(guān)系獲得，結(jié)果如下：

其中，Δhg為澉浦潮差。

根據(jù)上述關(guān)系，參考澉浦重現(xiàn)期的潮差，可以得到橋位附近100年一遇、20年一遇和5年一遇的涌潮高度分別為3.0 m、2.75m 和2.5 m。由式(5)，對應(yīng)的涌潮壓力特征值分別為77 kPa、68 kPa和60 kPa，與實(shí)際采用的設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致[16]。

5 結(jié) 語

涌潮水動力對結(jié)構(gòu)物的作用是強(qiáng)涌潮水域涉水建筑物設(shè)計(jì)的主要問題之一。利用嘉紹大橋主墩圍堰和施工棧橋進(jìn)行了現(xiàn)場涌潮觀測，得到壓力分布和變化的特點(diǎn)，可為類似橋梁工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。主要結(jié)論如下：

1)涌潮水流作用于涉水建筑物基礎(chǔ)時，壓力瞬時變化的脈動性很強(qiáng)。最大的涌潮作用力較涌潮鋒面到達(dá)的時刻滯后，是涌潮沖擊作用面后與正向傳播的漲潮流相互作用的結(jié)果。

2)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對涌潮壓力測試結(jié)果進(jìn)行了信號處理。試驗(yàn)得到的脈動分量反映了涌潮與結(jié)構(gòu)物相互作用時自由水面的紊動情況，時均分量反映了局部水位的平均變化趨勢。

3)涌潮壓力極值在潮前低水位附近最大，并隨著傳感器安裝高程的增加而減小，但是其脈沖分量極值的變化并不顯著，即在一定范圍內(nèi)涌潮脈動壓力近似滿足矩形分布。主墩圍堰的迎潮面涌潮壓力最大，背潮面最小。

4)涌潮總壓力及其脈動分量的極值與涌潮高度滿足指數(shù)分布規(guī)律。采用本文得到的擬合關(guān)系式，對設(shè)計(jì)條件下的涌潮壓力進(jìn)行了分析，與實(shí)際采用的設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致。

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Experimental study of tidal bore-induced pressures on piers in a macro-tidal estuary

LI Ying1, PAN Dongzi2, PAN Cunhong2

(1. Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China)

U446; TV139.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.007

1005-9865(2017)04-0053-06

2016-11-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379190，50809062)；國家留學(xué)基金項(xiàng)目(2011833140)

李 穎(1979-)，女，浙江金華人，副教授，主要從事水利工程防災(zāi)減災(zāi)方面的研究。E-mail: liying@zjweu.edu.cn

潘冬子，男，教授級高級工程師。E-mail：pandz@zjwater.gov.cn