王立忠，吳有霞，徐有成，朱奚冰

(1.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058;2.浙江省錢塘江管理局，浙江杭州 310016)

錢塘江古海塘水動力作用試驗研究

王立忠1，吳有霞1，徐有成2，朱奚冰2

(1.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058;2.浙江省錢塘江管理局，浙江杭州 310016)

通過古海塘原型資料調查得出古海塘現(xiàn)狀以及存在的問題，結合歷年水文資料的調研和現(xiàn)場水體運動形式的觀測，獲得荷載形式，通過波浪槽在模型比尺試驗的基礎上對錢塘江古海塘水動力作用進行室內模擬。試驗結果驗證了利用規(guī)則波模擬水動力荷載的可行性，并得出波浪對塘體的作用力受波高和波浪破碎情況的影響，波高相同時破碎點越接近海塘，破碎作用力越大;波高越大，波浪-塘體-土體相互作用越強，塘下土體中產生較大的瞬時孔隙水壓力并產生孔壓的累積;塘體前趾和后趾出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，周期1.5 s波高0.2 m時前趾壓力增大后趾壓力減小。

錢塘江古海塘;臨江防洪;比尺試驗;水動力;波浪破碎

錢塘江是我國東南沿海以涌潮聞名于世的獨特河流，大潮小潮夜以繼日，而錢塘江古海塘是錢塘江河口地區(qū)防洪御潮的重要屏障，用于抵御涌潮、臺風暴潮、洪水等自然災害。歷時250年建成的長達280余公里的錢塘江明清古海塘現(xiàn)因江道變遷和治江圍墾大部分已經退居二線，但仍有40余公里的老海塘成為20世紀90年代標準塘的重要組成部分，為防洪御潮一線海塘，其主要分布區(qū)域為錢塘江北岸的海寧市、海鹽縣和南岸的蕭山境內，圖1所示為錢塘江河口地形和斷面分布。

根據1958年整理的《錢塘江調查報告》，錢塘江古海塘存在坍毀和塘身傾斜現(xiàn)象(如圖2所示)，并將坍毀和塘身傾斜的原因歸結為江床刷深、坦水損毀和塘身砌筑工藝，并指出海寧一帶塘身受水動力影響最為頻繁。

1980年《錢塘江海塘調查資料》顯示塘身下半部分條石易抽失，部分斷面出現(xiàn)塘身沉陷(如圖3所示)。

圖1 錢塘江河口地形與臨江古海塘分布Fig.1 Qiantang River topography(left)and the distribution of the ancient sea wall(right)

圖2 海寧段古海塘塘身整體坍毀和傾斜Fig.2 Collapse and inclination of the Haining ancient sea wall

圖3 海寧段古海塘塘身條石抽失和下沉Fig.3 The lost of stone and sinking of the Haining ancient sea wall

以海寧段為例，通過現(xiàn)場調查，表觀缺陷除上述以外還包括塘身前趾水平方向流土和向上冒砂現(xiàn)象，如圖4所示。

本文通過比尺模型試驗，完成錢塘江古海塘水動力作用的試驗研究，揭示一定的水動力條件下古海塘的動力響應，包括水動力作用力的大小和分布、古海塘前后趾隨水動力作用的變化趨勢和下覆錢塘江粉土的水動力響應特征等，以分析上述現(xiàn)象產生的原因。目前，對海堤、防波堤、濱海岸擋水防災等結構物的研究主要集中在波浪力分布［1］和大小［2］以及與越浪相關［3-4］的研究之上，并且以海洋阻水防災結構物為主。錢塘江古海塘地處杭州灣，其地理環(huán)境為典型的河口地形地貌(如圖1所示)，河床坡度不同于坡度極小的海床。浙江省水利河口研究院通過波浪水槽對風暴潮的模擬，研究了錢塘江標準塘在波浪作用下的越浪量［5］，而將錢塘江古海塘作為阻水防災結構物進行水動力試驗研究為數(shù)甚少。因此，對錢塘江古海塘進行水動力試驗研究，了解水動力作用大小和特征，古海塘與塘基相互作用的特征尤為重要。

圖4 海寧段古海塘塘基土體流失和砂沸Fig.4 The phenomenon of soil erosion and emerging of the Haining ancient sea wall

1 試驗模型的建立

1.1 比尺的確定

本實驗研究水動力作用下海塘、塘基的動力響應，在比尺的選擇上，不考慮流體的粘性和地基的相似性，只考慮重力相似和慣性力相似，即需保持模型與原型的相似比數(shù)Froude數(shù)和Strouhal數(shù)一致，即:

式中:V、L、T、g分別代表物體的線速度、線尺度、時間和重力加速度。

錢塘江古海塘海寧段主要考慮涌潮和波浪的作用，通過室內模型試驗分析和研究波浪動力荷載作用條件下塘體動力響應。試驗在風浪流多功能水槽中進行，水槽的尺寸為70 m(長)×1.2 m(寬)×1.6 m(高)，最大波高400 mm，最大水深1.0 m，造波周期為0.5～5.0 s，頻率為0.2～2.0 Hz;造波機采用推板式造波機，由交流伺服電動機驅動，造波板后側和水槽的另一端設有傾斜的尼龍絲消波裝置，消波效率良好。綜合考慮了典型的波浪參數(shù)、試驗室條件和造波機造波能力，采用的模型幾何比尺為16。

1.2 試驗模型的制作

1.2.1 試驗模型斷面尺寸

本次試驗選擇的試驗斷面為海寧段，具有典型的水動力特征，試驗對象為古海塘。海寧段古海塘塘型結構為魚鱗石塘，如圖5所示，古海塘高5.44 m，塘前兩道坡度不同的坦水，第二道坦水外圍有一定的沖刷深度。按照國家85高程系，原型P=5%低潮位為-1.01 m，平均低潮位為0.88 m，平均高潮位為3.91 m，百年一遇高潮位為7.87 m，超過塘頂高程6.67 m。模型試驗水深為模擬原型中的平均高潮位。

圖5 海寧段古海塘典型斷面示意Fig.5 The typical section of the Haining ancient sea wall

由上述可知，模型比尺為1∶16，可得試驗斷面模型尺寸如表1所示。

模型總高度0.8 m，試驗水深0.6 m，塘體迎水面布置6個水壓傳感器，傳感器垂直距離為d=5 cm;塘身前趾和后趾分別布置一個總壓力計，測量水動力作用下塘身整體對下覆土體的作用力;塘下覆土體中前趾和后趾分別布置孔隙水壓力傳感器，測量水動力作用于塘體時土體中的孔隙水壓的變化。數(shù)據采集儀為DJ800采集系統(tǒng)，所用傳感器均為動態(tài)傳感器，采樣時間間隔為0.005 3 s，采樣頻率188.68 Hz，傳感器性能參數(shù)如表2所示。

模型斷面尺寸根據原型尺寸經比尺縮小得到，模型中布置相應的壓力傳感器，斷面尺寸及傳感器的分布如圖6所示。

表1 模型參數(shù)表Tab.1 Model parameters

表2 傳感器性能參數(shù)Tab.2 Transducers parameters

圖6 模型斷面尺寸及傳感器分布Fig.6 The section size and transducers distribution of the model

1.2.2 試驗模型材料

模型試驗中海塘塘體為砼重力墻，按照比尺采用合適的水泥、礫石、砂配合比，滿足重力相似和幾何相似進行模型的制作。

試驗中土體的選取為錢塘江典型的粉土，D50=0.030 mm，D60=0.031 mm，D10=0.014 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.2，試驗前模型土體初始孔隙比為0.903，試驗后土體孔隙比為0.852，顆分曲線如圖7所示。

2 水動力條件的簡化

眾所周知，錢塘江以涌潮聞名，通過現(xiàn)場觀測，可知水體的運動形式依次為潮前低水位(圖8(a))，水位抬升(圖8(b))，水體以波浪形式接近古海塘(圖8(c)和8(d))塘前，前進波伴隨水位抬升(圖8(e)和8(f))，波前與波前水體在海塘塘面相遇發(fā)生碰撞水體向上翻越(圖8(g))，直至水體碰撞破碎沿海塘面爬高(圖8(h))，因此可將水位抬升之后的過程視為一次波浪作用，如圖8所示錢塘江水位抬升伴隨波浪運動。曾有學者現(xiàn)場進行涌潮壓力的實測研究［7］，現(xiàn)場實測的涌潮壓力呈一定的周期性驗證了該簡化過程的正確性，后續(xù)的試驗中波浪的形態(tài)與作用也驗證了這一點。

將水動力作用簡化為波浪作用，根據歷年水文資料觀測值，確定波浪周期、波高等要素，如圖9所示。

圖7 土體顆分曲線Fig.7 The gradation curve of silt

圖8 水體運動形式示意［6］Fig.8 The schematic diagram of water movement

圖9 波浪要素及波浪作用與動力響應示意Fig.9 The schematic diagram of wave parameters，wave impact and dynamic response

由圖9(a)所示，H為波高，T為周期，hs為試驗水深，波浪作用對模型塘體的碰撞作用力為F，塘體自重為G，波浪力在塘面分布壓力為P(圖9(b))，在該波浪力作用下塘體前后趾響應不同，一定條件下土體中產生孔隙水壓力的累積u(t)，見圖9(c)。試驗參數(shù)如表3所示。

表3 模型試驗波浪參數(shù)表Tab.3 Wave parameters in the model tests

3 試驗結果

3.1 波浪力特征分析

T=0.75 s，H=50 mm時，波浪無破碎，表現(xiàn)為水體沿著塘體表面上下震蕩，如圖10所示。

圖10 無破碎時塘前水體運動過程Fig.10 Non-breaking wave movement

T=1.0 s，H=80 mm時，波浪輕微破碎;T=2.0 s，H=200 mm時，波浪破碎，破碎起始點為坦水外圍，到達塘前為已破碎波;T=1.5 s，H=200 mm時，波浪破碎，破碎點為塘體與坦水的接觸帶上，位于水面以下5 cm處。動水壓力時間曲線如圖11所示，單周期動水壓力詳細歷程曲線如圖12所示，相應的波浪破碎及水體運動形式如圖13所示。

圖11 動水壓力時間曲線Fig.11 Curve of wave pressure

圖12 單個周期動水壓力時間曲線Fig.12 Curve of single period wave pressure

圖13 波浪破碎時水體運動過程Fig.13 Breaking wave movement

由圖13可知，T=1.5 s，H=200 mm條件下，波浪在坦水破碎，破碎波沖擊作用點為塘前趾與坦水的交界處，由此測得的靜水面上下5 cm及靜水面處波浪力變化曲線如圖14所示。

由圖14可知，波浪作用過程中，波浪力會出現(xiàn)較大的峰值Pimp，max，每一個周期波浪作用過程中峰值大小不同，與靜水面不同距離處波浪力峰值大小都呈現(xiàn)先增大后減小的弧形趨勢;波浪力峰值的最大值分布在第一次波浪對結構物的拍擊和幾次拍擊作用之后兩種情況。試驗過程中一個周期典型的波浪力作用時間曲線如圖12所示(H=200 mm，T=1.5 s)。

圖14 實測波浪力變化曲線Fig.14 Curve of breaking wave pressure

分布在塘面的傳感器所測最大波浪拍擊作用力大小如圖15所示。當破碎波在塘角與坦水交接處的時候，最大拍擊力不在靜水面，而是接近破碎拍擊點的位置。

不同波高和周期組合條件下測得的破浪力最大值和最小值的比較如圖16所示，d為傳感器與靜水面的垂直距離，p為傳感器測得的壓力值。

圖15 不同位置波浪力分布(T=1.5 s，H=200 mm)Fig.15 Curve of breaking wave pressure distribution(T=1.5 s，H=200 mm)

圖16 不同波浪要素時波浪力的1/3峰值和1/3谷值Fig.16 Efficient pressure of different wave parameters

由圖16可知，試驗中相同波高H=200 mm條件下，即原型波高值3.2 m的相同波高條件下破碎點在塘體的1/3波浪作用力峰值Pimpact=145.408 kPa(對應圖中模型壓力值9.088 kPa)大于提前破碎的1/3波浪作用力峰值Pimpact=55.408 kPa(對應圖中模型壓力值3.463 kPa);試驗中，靜水面以下垂直距離5 cm處，靜水壓力值Pstatic=0.5 kPa，在T=1.5 s，H=200 mm條件下，測得的波浪力1/3峰值力與靜水壓力的比值:

不同周期和波高條件下，破碎波的作用力Pimpact=8.237(對應圖中原型波高值1.28 m，壓力值131.792 kPa)大于不破碎波的作用力Pimpact=1.241 kPa(對應圖中原型波高值0.8 m，壓力值19.856 kPa)和已經破碎波的作用力Pimpact=3.463 kPa(對應圖中原型壓力值55.408 kPa)。同時，水體拍擊塘面過程中，塘體表面產生負壓力，壓力變化曲線如圖17所示(以 H=200 mm，T=1.5 s為例)。

表4中，d為傳感器與靜水面的垂直距離，負壓力的絕對值接近最大的正壓力值，H為波高值:靜水面以下，波高越大，產生的負壓值越大。對于試驗中H=200 mm，T=2.0 s產生的負壓最大值為水面往下距離5 cm處，大小為-7.21 kPa，對應于原型中波高值為3.2 m，負壓值為-115.36 kPa。水動力作用條件下水體在結構物表面形成負壓，該負壓在結構物表面形成吸力作用，錢塘江古海塘塘型為條石堆砌而成，條石受水體浮力和吸力而被抽失。

圖17 水體滑落至再沖擊過程壓力變化曲線Fig.17 Curve of pressure from slipping to impacting

表4 塘面負壓大小與分布Tab.4 Suction pressure distruction on the model surface

3.2 水動力作用下土體響應分析

由圖9所示，在波浪荷載下會發(fā)生荷載—結構物—土體的相互作用，根據相互作用的大小程度不同，將波浪荷載分兩類［8］，一類為脈動波浪荷載，即在該種波浪荷載下對結構體及其下覆土體的作用影響很小，相當于靜力作用;第二類為破碎波浪荷載，即荷載的作用歷時和結構物的運動及土體的響應密切相關。本實驗中，T=1.0 s，H=80 mm條件下的波浪荷載為一類荷載;T=1.5 s，H=200 mm條件下的波浪荷載為第二類荷載，兩種荷載作用下土體中孔隙水壓力值隨時間變化如圖18所示。

第一類荷載作用條件下，土體中產生瞬時孔壓，瞬時孔壓值范圍從3.5～6.0 kPa，但是不產生孔壓的累積;第二類荷載作用條件下，土體中產生瞬時孔壓并形成孔壓的累積，對于錢塘江粉土存在液化的傾向。同類荷載作用條件下，塘體前趾和后趾土體中孔壓隨時間的變化不同。

在圖13所示的波浪荷載作用條件下，由圖19可知(d為傳感器至塘底的垂直距離)，同一水平面，塘體前趾的孔壓瞬時值和孔壓累積較后趾大。塘體前趾d=10 cm，瞬時孔壓值變化范圍為0.5～4.0 kPa，30 s波浪作用過程中累積孔壓值變化值△p=1.0 kPa，對應原型中△p=16 kPa;塘體后趾d=10 cm，瞬時孔壓值變化范圍為2.0～4.0 kPa，累積孔壓值△p=0.55 kPa，對應原型中△p=8.8 kPa。

圖18 不同荷載土體中孔壓變化Fig.18 Curve of pore pressure under different wave loads

圖19 同一荷載不同位置土體孔壓變化Fig.19 Curve of pore pressure under the same wave load

3.3 水動力作用下塘體響應分析

通過模型塘體前趾和后趾的總壓力測量其在水動力作用下壓力變化，以分析在不同周期和波高條件下壓力時程變化曲線(造波時間為30 s)，如圖20所示為典型波高條件下總壓力變化。

由圖20可知，塘前后趾總壓力隨波浪作用影響為:周期T=1.5 s時，前趾壓力增大，后趾壓力減小，塘體呈現(xiàn)前傾趨勢;周期范圍1.2～2.2 s，除周期1.5 s以外，前后趾壓力均在波浪作用期間減小。由此可知，原型中周期6 s條件下，塘體前后趾壓力變化趨勢不同，塘體運動趨勢為前傾。

圖20 不同荷載塘體前后趾總壓力變化Fig.20 Curve of the toe＇axial pressure under different wave loads

4 結論和建議

通過對錢塘江古海塘的模型試驗研究，得到不同周期和波高條件下水動力作用特征并分析了不同類型荷載作用下塘體—土體相互作用時土體的動力響應，得到的主要結論如下:

1)波浪作用過程中，波浪動力作用會出現(xiàn)較大的峰值Pimp，max，同一波高條件下，拍擊墻體波浪破碎情況不同，Pimp，max差別較大;當破浪在塘前破碎沖擊點在塘腳與坦水連接處時塘腳波浪力遠大于靜水壓力，且最大水壓力不在靜水面處而是破碎波浪沖擊點。

2)每一個周期水動力作用過程中峰值大小不一，沿塘面拍擊力峰值大小的共同特點是呈向上凸的弧形峰值先增大再減少;拍擊力峰值的最大值分布在第一次水體對結構物的拍擊和幾次拍擊作用之后兩種情況。

3)水體以波浪形式拍擊墻體后，波浪沿著塘面爬高再回落，直至下一個波浪拍擊塘面。由于塘前水體包裹一定的空氣囊，在拍擊時會在塘面產生負壓力，負壓力的最大值可接近波浪力的峰值，在負壓的作用下條石層疊的魚鱗石塘出現(xiàn)條石抽失的現(xiàn)象。

4)水體破碎對塘體沖擊強烈的情況下，塘下粉土中會產生孔隙水壓力的累積。還原到原型中，平均高潮位時，波浪沖擊點位于塘腳和坦水之間，若波浪作用時間長，孔壓累積增強將成為影響對古海塘穩(wěn)定性較不利的因素;同時，該種條件下破浪力使得塘體產生前傾的運動趨勢，即前趾產生應力集中。

5)水體對基底負壓掏蝕，塘體前后水位差對基底的滲蝕，及塘底超凈孔壓等都對塘體前趾的掏空起不利作用。

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Hydrodynamic experiment study on the ancient sea wall of Qiantang River

WANG Li-zhong1，WU You-xia1，XU You-cheng2，ZHU Xi-bing2
(1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China;2.Administration Department of Qiantang River in Zhejiang Province，Hangzhou 310016，China)

The scale hydrodynamic experiment was carried out in the wave flume on the basis of the site investigation of the ancient sea wall and hydrological data.The experiments’results confirmed the feasibility of the use of regular wave simulation，and the conclusion was reached that the wave impact force was relative to the wave height and the wave breaking types，and breaking wave impact force was greater than broken or non-breaking wave;with the wave height increasing，the interaction between the wall and the foundation increased，and the instantaneous pore-water pressure was generated and accumulated;ans the stress concentration occurred at the sea wall’toe，the front increased but the rear reduced when the period was 1.5 second and the wave height 0.2 meter.

ancient sea wall;scale experiment;hydrodynamic;wave breaking

TV139.2;TV861

A

1005-9865(2012)03-0068-11

2011-11-14

水利部公益性行業(yè)科研專項經費資助項目(201001071);錢塘江臨江防洪潮古海塘保護研究資助項目。

王立忠(1969-)，男，浙江寧波人，教授，主要從事海洋巖土工程研究。E-mail:wlzzju@163.co

吳有霞。E-mail:kodona@126.com