透水防波堤堤心壓強試驗研究

陳衍順

0　引言

透水防波堤又稱拋石防波堤，通常是由顆粒較大的塊石組成，其內(nèi)部孔隙率最大可高達35%～45%[1]。當(dāng)波浪作用于這類可滲透類型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)或建筑物時，一部分能量被反射回入射區(qū)域，一部分能量被護面塊體及墊層耗散，還有一部分能量則透過護面塊體及墊層進入到堤心內(nèi)部，從而對堤心石產(chǎn)生壓力。通常，該壓力可分為靜水壓力和動水壓力兩部分。研究表明，斜坡式透水防波堤堤心及護面塊體的穩(wěn)定性，不僅取決于波浪對護面塊體的直接沖擊作用，也取決于波浪在拋石體內(nèi)的水體運動，這種滲流波動在海岸工程的整體安全中占據(jù)著非常重要的地位。不同粒徑及級配的堤心石，由于孔隙率的差異，對波浪在堤心的滲流傳播具有不同的阻尼作用，從而引起堤心壓強和堤后透射波浪的差異。在水利水電及海岸工程的失事案例中，由于滲流原因所直接造成的比例約占30%～40%。因此，研究出水拋石堤堤心壓強的變化規(guī)律及分布模式具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

1　透水防波堤堤心壓強分布的物理模型試驗研究

國內(nèi)外學(xué)者對透水防波堤堤心壓強的變化規(guī)律及分布模式均有不少的相關(guān)研究成果。

Oumeraci和 Partenscky（1990）[2]提出了波浪作用下堤心壓力衰減規(guī)律的估算模型：式中：x0為沿透水防波堤堤心內(nèi)部水平方向的坐標(biāo)值，其中x0=0表示位于護面下墊層與堤心石的交界面處；p（x0）為在位置x0處的壓力值，其中p0是指在x0=0處的壓力值；δ為衰減系數(shù)；L'=L/1.4為防波堤堤心內(nèi)部的等效波長，L為入射波長。

Bürger等（1998）[3]通過大比尺模型試驗對大型拋石防波堤堤心壓強的分布進行了測量和總結(jié)，分析了防波堤內(nèi)部最大孔隙壓力的水平分布情況，認(rèn)為式（1）中的衰減系數(shù)δ可取值為2.0，并確定了堤心內(nèi)波動壓強沿水平和垂直兩個方向上的分布規(guī)律。Burcharth等（1999）[4]通過系列模型試驗，認(rèn)為堤心材料的孔隙率和滲透性對防波堤護面塊體的穩(wěn)定性、波高爬高以及越浪量等均有影響，并根據(jù)原型和模型測量值的對比分析，提出了用以確定孔隙中壓強梯度分布的經(jīng)驗公式，并給出了衰減系數(shù)δ的近似估算公式。Troch（2002）[5]通過分析大量試驗數(shù)據(jù)，從瑞利分布出發(fā)，估算出最大孔隙壓力pmax（x0）與有效孔隙壓力ps（x0）的關(guān)系大致為ps（x0）=0.59pmax（x0）。

2　模型設(shè)計和分析方法

2.1　模型設(shè)計

2.1.1試驗設(shè)備

波浪與透水堤相互作用的物理模型試驗在南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所波浪水槽中進行（見圖1）。 該水槽長40 m、寬0.8 m、深1.0 m。水槽的一端配有推板式不規(guī)則波造波機，由計算機自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素，可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。水槽兩端均配有消浪緩坡用于吸收波浪。

圖1　試驗波浪水槽示意圖Fig.1　Schematic diagram of wave flume

2.1.2試驗斷面的選擇

根據(jù)試驗水槽條件及造波機性能，試驗采用的防波堤斷面高30 cm，堤頂寬度B取10 cm、20 cm和30 cm，其中以B=20 cm為主；防波堤坡度取 1∶1.5、1∶2、1∶2.5 和 1∶3，其中以坡度 1∶2 為主。共選取6種不同的斷面形式。

2.1.3試驗波浪條件

試驗采用規(guī)則波。最小入射波高H=2.5 cm，最小入射波周期T=1.1 s，均符合JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[6]中對原始入射波的規(guī)定，避免了水的黏滯力和表面張力對試驗測量精度的影響。

試驗主要考慮透水堤為頂部不越浪的出水斜坡堤形式，分析完全由波浪透射引起的堤心孔隙水壓力的變化情況。試驗不同入射波高H、周期T及水深d的組合見表1。

2.1.4堤心石尺寸的選擇

堤心石尺寸的大小主要根據(jù)重量來區(qū)分，共選取塊石重量分別為 15～25 g、45～55 g、90～110 g以及190～210 g 4種形式的均勻塊石。上述4種不同尺寸的堤心石孔隙率均為0.38～0.40。

表1　試驗波高、周期及水位組合表Table1　Experimental wave height,cycle and water level combination table

2.2　堤心壓強分析方法

根據(jù) Oumeraci和 Partenscky（1990）[2]提出的堤心壓強衰減規(guī)律的估算模型，波浪作用于透水防波堤后，堤心壓強p可表示為：

式中：p為堤內(nèi)任一點壓強；p0為x0=0處，防波堤迎浪面處的壓強；δ為堤心壓強衰減系數(shù)。

圖2為試驗斷面堤心壓力傳感器布置示意圖。圖2中的圓心十字為壓力傳感器的位置，共布置了13個壓力傳感器。設(shè)堤心垂向坐標(biāo)z0在靜水面處為0，向上為正，則1～5號傳感器位于堤心最底層z0=-15 cm處，6～10號傳感器位于靜水面附近z0=-5 cm處，11～13號傳感器位于靜水面上方z0=5 cm處。1號、6號和11號傳感器分別位于不同堤心垂向坐標(biāo)z0的x0=0處，可視為不同堤心垂向坐標(biāo)z0對應(yīng)的防波堤迎浪面處的壓強p0。

圖2　試驗斷面壓力傳感器布置示意圖Fig.2　Layout of pressure sensor for test section

各傳感器堤心壓強p的選取原則為，統(tǒng)計計算其波列中最大正壓強的平均值作為代表壓強，不考慮負(fù)壓強結(jié)果，并取3次重復(fù)試驗的平均值作為最終的堤心壓強。

3　物理模型試驗結(jié)果及分析

3.1　透水防波堤堤心壓強

3.1.1深水波陡對堤心壓強影響

在規(guī)則波作用下，透水防波堤堤心相對壓強p/（ρgH）隨深水波陡H/（gT2）的變化規(guī)律見圖3。

圖3堤心壓強p/（ρgH）隨深水波陡H/（gT2）的變化Fig.3 The relationship between core pressure p/（ρgH）and deep wave steepness H/（gT2）

圖3給出了堤心石重量分別為15～25 g以及45～55 g的均勻塊石時，7～10號傳感器測得的相對堤心壓強p/（ρgH）隨深水波陡H/（gT2）的變化過程。

圖3表明，在相對位置x0/D一定的情況下，即對于同一堤心石條件下的同一傳感器，所測得的相對堤心壓強p/（ρgH）隨深水波陡H/（gT2）的增大呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢，即對于固定入射波周期T，波高較大的波浪其相對堤心壓強p/（ρgH）越??；對于固定的入射波高H，周期較大的波浪其相對堤心壓強p/ρgH越大，且靜水位附近（7～10號傳感器）堤內(nèi)壓強的衰減趨勢較底層處更為劇烈。此外從圖中還可看出，在深水波陡H/（gT2）一定的情況下，相對堤心壓強p/（ρgH）隨相對位置x0/D的增大明顯呈現(xiàn)出減小的趨勢，這說明對于同一堤心石條件，隨著波浪深入防波堤內(nèi)部，即沿堤心的橫向坐標(biāo)值x0越大，由于堤心石的衰減作用，堤心對波浪沿程損耗作用的時間越長，能量損耗越大，因此透水防波堤前部（迎浪面）的壓強要遠(yuǎn)大于防波堤中部及后部（背浪面）的壓強。

3.1.2相對位置對堤心壓強影響

規(guī)則波作用下，透水防波堤堤心相對壓強p/（ρgH）隨相對位置x0/D的變化規(guī)律如圖4～圖7所示。

圖4～圖6給出了堤心石重量為15～25 g均勻塊石時，1～13號傳感器測得的相對堤心壓強p/ρgH隨相對位置x0/D的變化過程。

圖4　1～5號堤心壓強p/（ρgH）沿x0方向的變化過程Fig.4 The changeprocessof core pressure p/（ρgH）along x0 direction of No.1-No.5 sensors

圖5　6～10號堤心壓強p/（ρgH）沿x0方向的變化過程Fig.5 The changeprocessof core pressure p/（ρgH）along x0 direction of No.6-No.10 sensors

圖6 11～13號堤心壓強p/（ρgH）沿x0方向的變化過程Fig.6 The change process of core pressure p/（ρgH）along x0 direction of No.11-No.13 sensors

圖4～圖6表明，在深水波陡H/（gT2）一定的情況下，對于特定水深處的同一層傳感器，所測得的相對堤心壓強p/（ρgH）隨相對位置x0/D的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，且靜水位處堤內(nèi)壓強衰減趨勢較底層處更為劇烈。這說明透水防波堤前部（迎浪面）壓強遠(yuǎn)大于防波堤中部及后部（背浪面）壓強，且隨著深入防波堤內(nèi)部，即沿堤心的橫向坐標(biāo)值x0的不斷增大，堤內(nèi)壓強的衰減趨勢愈漸平緩。這是由于隨著波浪的傳播和滲入，防波堤前部堤心對波浪的衰減作用十分明顯，波浪在此處劇烈破碎形成滲流，流場紊亂，堤內(nèi)壓強較大；隨后，堤心內(nèi)部水體透過滲流作用向后部堤心傳播，此時流態(tài)已逐漸趨于穩(wěn)定，堤內(nèi)壓強也逐漸減小。

圖7給出了堤心石重量分別為15～25 g、45～55 g、90～110 g和 190～210 g的均勻塊石時，靜水面附近6～10號傳感器測得的相對堤心壓強p/（ρgH）隨相對位置x0/D的變化過程。

圖7不同堤心石條件下堤心壓強p/（ρgH）沿x0方向的變化過程Fig.7 The change processof corepressure p/（ρgH）along x0 direction under different corecondition

圖7表明，在不同的堤心石條件下，對于特定的深水波陡H/（gT2），相對堤心壓強p/（ρgH）隨相對位置x0/D的增大同樣基本呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢，透水防波堤前部（迎浪面）的壓強要遠(yuǎn)大于防波堤中部及后部（背浪面）的壓強。

圖8給出了堤心石重量分別為15～25 g、45～55 g、90～110 g和190～210 g的均勻塊石時，靜水面附近7～10號傳感器測得的相對堤心壓強p/（ρgH）隨堤心石條件的變化過程。

圖8表明，在不同的堤心石條件下，對于特定的深水波陡H/（gT2），相對堤心壓強p/（ρgH）隨堤心石粒徑D的增大呈現(xiàn)出增大的趨勢，且堤內(nèi)壓強沿x0方向衰減更劇烈。這是由于相對于粒徑較大的堤心石，堤心石粒徑D越小，堤心石之間孔隙越小，對波浪的衰減作用越強，堤內(nèi)壓強達到穩(wěn)定狀態(tài)越快，基本在7號傳感器之后達到穩(wěn)定，8～10號傳感器所測得的堤內(nèi)壓強差別不大，衰減趨勢較為平緩；粒徑較大的堤心石，堤心石之間孔隙較大，滲流流速較大，流場紊亂，堤內(nèi)壓強達到穩(wěn)定狀態(tài)較困難，基本要在8號傳感器之后才能達到穩(wěn)定，衰減趨勢較為劇烈。

圖8　堤心壓強p/（ρgH）隨堤心條件的變化Fig.8 The relationship between core pressure p/（ρgH）and different core condition

3.2　透水防波堤堤心壓強計算公式

根據(jù)3.1節(jié)的影響因素分析和斷面試驗實測數(shù)據(jù)，可以得到不同均勻堤心石條件下，不同堤心垂向坐標(biāo)z0對應(yīng)的透水防波堤堤心壓強衰減系數(shù)δ的計算公式為：

式中：δ為堤心壓強衰減系數(shù)；H為入射波高；T為入射波周期；x0為沿堤心的橫向坐標(biāo)值；D為堤心石粒徑；g為重力加速度。式（3）和式（4）中各變量均采用國際單位制。

靜水面以上z0=5 cm處11～13號傳感器測量數(shù)據(jù)較為離散，并未擬合出相應(yīng)的計算公式。

由式（3）和式（4）可以看出，對于不同的堤心垂向坐標(biāo)z0，防波堤堤心壓強衰減系數(shù)δ的計算公式形式基本一致，僅有一個系數(shù)不同，因此可將式（3）和式（4）合并為：

式中：α為與堤心垂向坐標(biāo)z0有關(guān)的常數(shù)，其在靜水面附近取得大值，即靜水位處堤內(nèi)壓強的衰減趨勢較底層處更為劇烈。

將堤心壓強衰減系數(shù)δ計算公式（5）代入到堤心壓強的計算公式（2）中，即可得到透水防波堤堤心壓強的計算公式為：

式中：p為堤心壓強；p0為沿堤心的橫向坐標(biāo)值x0=0處，即防波堤外部流體區(qū)域與堤心交界面處的壓強，需通過公式計算或試驗測定。

式（6）中各無因次影響參數(shù)的取值范圍為：0.041≤100H/（gT2）≤0.421，0≤x0/D≤42.43。

圖9給出了規(guī)則波作用下，透水防波堤堤心壓強衰減系數(shù)δ計算值與試驗實測值的對比結(jié)果。其中，圖9（a）中計算值與實測值的相關(guān)系數(shù)R為0.964 9，圖10（b）中計算值與實測值的相關(guān)系數(shù)R為0.953 6，計算值與實測值吻合良好。

圖9　透水防波堤堤心壓強衰減系數(shù)計算值與試驗值對比圖Fig.9　Comparison between test results of attenuation coefficient of core pressure with calculated results

4　結(jié)語

本文采用斷面物理模型試驗的方法，對規(guī)則波作用下，波浪與透水防波堤的相互作用進行了研究，分析討論了僅由堤心滲流引起的透水防波堤堤心壓強衰減系數(shù)δ的影響因素，并根據(jù)分析結(jié)果，擬合并提出了相應(yīng)的經(jīng)驗計算公式。得出的主要結(jié)論如下：

1）透水防波堤堤心壓強衰減系數(shù)δ的影響因素主要有無因次參數(shù)深水波陡H/（gT2）和相對位置x0/D。

2）堤心壓強衰減系數(shù)δ隨深水波陡H/（gT2）的增大以及相對位置x0/D的增大均呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢，且靜水位附近堤心壓強的衰減趨勢較底層處更為劇烈。

3）在此基礎(chǔ)上，提出了不同堤心垂向坐標(biāo)z0對應(yīng)的透水防波堤堤心壓強衰減系數(shù)δ及堤心壓強p的計算公式（6），供參考使用。

參考文獻：

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