钱塘江古海塘水动力作用试验研究

王立忠，吴有霞，徐有成，朱奚冰

(1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058;2.浙江省钱塘江管理局，浙江杭州 310016)

钱塘江古海塘水动力作用试验研究

王立忠1，吴有霞1，徐有成2，朱奚冰2

(1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058;2.浙江省钱塘江管理局，浙江杭州 310016)

通过古海塘原型资料调查得出古海塘现状以及存在的问题，结合历年水文资料的调研和现场水体运动形式的观测，获得荷载形式，通过波浪槽在模型比尺试验的基础上对钱塘江古海塘水动力作用进行室内模拟。试验结果验证了利用规则波模拟水动力荷载的可行性，并得出波浪对塘体的作用力受波高和波浪破碎情况的影响，波高相同时破碎点越接近海塘，破碎作用力越大;波高越大，波浪-塘体-土体相互作用越强，塘下土体中产生较大的瞬时孔隙水压力并产生孔压的累积;塘体前趾和后趾出现应力集中现象，周期1.5 s波高0.2 m时前趾压力增大后趾压力减小。

钱塘江古海塘;临江防洪;比尺试验;水动力;波浪破碎

钱塘江是我国东南沿海以涌潮闻名于世的独特河流，大潮小潮夜以继日，而钱塘江古海塘是钱塘江河口地区防洪御潮的重要屏障，用于抵御涌潮、台风暴潮、洪水等自然灾害。历时250年建成的长达280余公里的钱塘江明清古海塘现因江道变迁和治江围垦大部分已经退居二线，但仍有40余公里的老海塘成为20世纪90年代标准塘的重要组成部分，为防洪御潮一线海塘，其主要分布区域为钱塘江北岸的海宁市、海盐县和南岸的萧山境内，图1所示为钱塘江河口地形和断面分布。

根据1958年整理的《钱塘江调查报告》，钱塘江古海塘存在坍毁和塘身倾斜现象(如图2所示)，并将坍毁和塘身倾斜的原因归结为江床刷深、坦水损毁和塘身砌筑工艺，并指出海宁一带塘身受水动力影响最为频繁。

1980年《钱塘江海塘调查资料》显示塘身下半部分条石易抽失，部分断面出现塘身沉陷(如图3所示)。

图1 钱塘江河口地形与临江古海塘分布Fig.1 Qiantang River topography(left)and the distribution of the ancient sea wall(right)

图2 海宁段古海塘塘身整体坍毁和倾斜Fig.2 Collapse and inclination of the Haining ancient sea wall

图3 海宁段古海塘塘身条石抽失和下沉Fig.3 The lost of stone and sinking of the Haining ancient sea wall

以海宁段为例，通过现场调查，表观缺陷除上述以外还包括塘身前趾水平方向流土和向上冒砂现象，如图4所示。

本文通过比尺模型试验，完成钱塘江古海塘水动力作用的试验研究，揭示一定的水动力条件下古海塘的动力响应，包括水动力作用力的大小和分布、古海塘前后趾随水动力作用的变化趋势和下覆钱塘江粉土的水动力响应特征等，以分析上述现象产生的原因。目前，对海堤、防波堤、滨海岸挡水防灾等结构物的研究主要集中在波浪力分布［1］和大小［2］以及与越浪相关［3-4］的研究之上，并且以海洋阻水防灾结构物为主。钱塘江古海塘地处杭州湾，其地理环境为典型的河口地形地貌(如图1所示)，河床坡度不同于坡度极小的海床。浙江省水利河口研究院通过波浪水槽对风暴潮的模拟，研究了钱塘江标准塘在波浪作用下的越浪量［5］，而将钱塘江古海塘作为阻水防灾结构物进行水动力试验研究为数甚少。因此，对钱塘江古海塘进行水动力试验研究，了解水动力作用大小和特征，古海塘与塘基相互作用的特征尤为重要。

图4 海宁段古海塘塘基土体流失和砂沸Fig.4 The phenomenon of soil erosion and emerging of the Haining ancient sea wall

1 试验模型的建立

1.1 比尺的确定

本实验研究水动力作用下海塘、塘基的动力响应，在比尺的选择上，不考虑流体的粘性和地基的相似性，只考虑重力相似和惯性力相似，即需保持模型与原型的相似比数Froude数和Strouhal数一致，即:

式中:V、L、T、g分别代表物体的线速度、线尺度、时间和重力加速度。

钱塘江古海塘海宁段主要考虑涌潮和波浪的作用，通过室内模型试验分析和研究波浪动力荷载作用条件下塘体动力响应。试验在风浪流多功能水槽中进行，水槽的尺寸为70 m(长)×1.2 m(宽)×1.6 m(高)，最大波高400 mm，最大水深1.0 m，造波周期为0.5～5.0 s，频率为0.2～2.0 Hz;造波机采用推板式造波机，由交流伺服电动机驱动，造波板后侧和水槽的另一端设有倾斜的尼龙丝消波装置，消波效率良好。综合考虑了典型的波浪参数、试验室条件和造波机造波能力，采用的模型几何比尺为16。

1.2 试验模型的制作

1.2.1 试验模型断面尺寸

本次试验选择的试验断面为海宁段，具有典型的水动力特征，试验对象为古海塘。海宁段古海塘塘型结构为鱼鳞石塘，如图5所示，古海塘高5.44 m，塘前两道坡度不同的坦水，第二道坦水外围有一定的冲刷深度。按照国家85高程系，原型P=5%低潮位为-1.01 m，平均低潮位为0.88 m，平均高潮位为3.91 m，百年一遇高潮位为7.87 m，超过塘顶高程6.67 m。模型试验水深为模拟原型中的平均高潮位。

图5 海宁段古海塘典型断面示意Fig.5 The typical section of the Haining ancient sea wall

由上述可知，模型比尺为1∶16，可得试验断面模型尺寸如表1所示。

模型总高度0.8 m，试验水深0.6 m，塘体迎水面布置6个水压传感器，传感器垂直距离为d=5 cm;塘身前趾和后趾分别布置一个总压力计，测量水动力作用下塘身整体对下覆土体的作用力;塘下覆土体中前趾和后趾分别布置孔隙水压力传感器，测量水动力作用于塘体时土体中的孔隙水压的变化。数据采集仪为DJ800采集系统，所用传感器均为动态传感器，采样时间间隔为0.005 3 s，采样频率188.68 Hz，传感器性能参数如表2所示。

模型断面尺寸根据原型尺寸经比尺缩小得到，模型中布置相应的压力传感器，断面尺寸及传感器的分布如图6所示。

表1 模型参数表Tab.1 Model parameters

表2 传感器性能参数Tab.2 Transducers parameters

图6 模型断面尺寸及传感器分布Fig.6 The section size and transducers distribution of the model

1.2.2 试验模型材料

模型试验中海塘塘体为砼重力墙，按照比尺采用合适的水泥、砾石、砂配合比，满足重力相似和几何相似进行模型的制作。

试验中土体的选取为钱塘江典型的粉土，D50=0.030 mm，D60=0.031 mm，D10=0.014 mm，不均匀系数Cu=2.2，试验前模型土体初始孔隙比为0.903，试验后土体孔隙比为0.852，颗分曲线如图7所示。

2 水动力条件的简化

众所周知，钱塘江以涌潮闻名，通过现场观测，可知水体的运动形式依次为潮前低水位(图8(a))，水位抬升(图8(b))，水体以波浪形式接近古海塘(图8(c)和8(d))塘前，前进波伴随水位抬升(图8(e)和8(f))，波前与波前水体在海塘塘面相遇发生碰撞水体向上翻越(图8(g))，直至水体碰撞破碎沿海塘面爬高(图8(h))，因此可将水位抬升之后的过程视为一次波浪作用，如图8所示钱塘江水位抬升伴随波浪运动。曾有学者现场进行涌潮压力的实测研究［7］，现场实测的涌潮压力呈一定的周期性验证了该简化过程的正确性，后续的试验中波浪的形态与作用也验证了这一点。

将水动力作用简化为波浪作用，根据历年水文资料观测值，确定波浪周期、波高等要素，如图9所示。

图7 土体颗分曲线Fig.7 The gradation curve of silt

图8 水体运动形式示意［6］Fig.8 The schematic diagram of water movement

图9 波浪要素及波浪作用与动力响应示意Fig.9 The schematic diagram of wave parameters，wave impact and dynamic response

由图9(a)所示，H为波高，T为周期，hs为试验水深，波浪作用对模型塘体的碰撞作用力为F，塘体自重为G，波浪力在塘面分布压力为P(图9(b))，在该波浪力作用下塘体前后趾响应不同，一定条件下土体中产生孔隙水压力的累积u(t)，见图9(c)。试验参数如表3所示。

表3 模型试验波浪参数表Tab.3 Wave parameters in the model tests

3 试验结果

3.1 波浪力特征分析

T=0.75 s，H=50 mm时，波浪无破碎，表现为水体沿着塘体表面上下震荡，如图10所示。

图10 无破碎时塘前水体运动过程Fig.10 Non-breaking wave movement

T=1.0 s，H=80 mm时，波浪轻微破碎;T=2.0 s，H=200 mm时，波浪破碎，破碎起始点为坦水外围，到达塘前为已破碎波;T=1.5 s，H=200 mm时，波浪破碎，破碎点为塘体与坦水的接触带上，位于水面以下5 cm处。动水压力时间曲线如图11所示，单周期动水压力详细历程曲线如图12所示，相应的波浪破碎及水体运动形式如图13所示。

图11 动水压力时间曲线Fig.11 Curve of wave pressure

图12 单个周期动水压力时间曲线Fig.12 Curve of single period wave pressure

图13 波浪破碎时水体运动过程Fig.13 Breaking wave movement

由图13可知，T=1.5 s，H=200 mm条件下，波浪在坦水破碎，破碎波冲击作用点为塘前趾与坦水的交界处，由此测得的静水面上下5 cm及静水面处波浪力变化曲线如图14所示。

由图14可知，波浪作用过程中，波浪力会出现较大的峰值Pimp，max，每一个周期波浪作用过程中峰值大小不同，与静水面不同距离处波浪力峰值大小都呈现先增大后减小的弧形趋势;波浪力峰值的最大值分布在第一次波浪对结构物的拍击和几次拍击作用之后两种情况。试验过程中一个周期典型的波浪力作用时间曲线如图12所示(H=200 mm，T=1.5 s)。

图14 实测波浪力变化曲线Fig.14 Curve of breaking wave pressure

分布在塘面的传感器所测最大波浪拍击作用力大小如图15所示。当破碎波在塘角与坦水交接处的时候，最大拍击力不在静水面，而是接近破碎拍击点的位置。

不同波高和周期组合条件下测得的破浪力最大值和最小值的比较如图16所示，d为传感器与静水面的垂直距离，p为传感器测得的压力值。

图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)

图16 不同波浪要素时波浪力的1/3峰值和1/3谷值Fig.16 Efficient pressure of different wave parameters

由图16可知，试验中相同波高H=200 mm条件下，即原型波高值3.2 m的相同波高条件下破碎点在塘体的1/3波浪作用力峰值Pimpact=145.408 kPa(对应图中模型压力值9.088 kPa)大于提前破碎的1/3波浪作用力峰值Pimpact=55.408 kPa(对应图中模型压力值3.463 kPa);试验中，静水面以下垂直距离5 cm处，静水压力值Pstatic=0.5 kPa，在T=1.5 s，H=200 mm条件下，测得的波浪力1/3峰值力与静水压力的比值:

不同周期和波高条件下，破碎波的作用力Pimpact=8.237(对应图中原型波高值1.28 m，压力值131.792 kPa)大于不破碎波的作用力Pimpact=1.241 kPa(对应图中原型波高值0.8 m，压力值19.856 kPa)和已经破碎波的作用力Pimpact=3.463 kPa(对应图中原型压力值55.408 kPa)。同时，水体拍击塘面过程中，塘体表面产生负压力，压力变化曲线如图17所示(以 H=200 mm，T=1.5 s为例)。

表4中，d为传感器与静水面的垂直距离，负压力的绝对值接近最大的正压力值，H为波高值:静水面以下，波高越大，产生的负压值越大。对于试验中H=200 mm，T=2.0 s产生的负压最大值为水面往下距离5 cm处，大小为-7.21 kPa，对应于原型中波高值为3.2 m，负压值为-115.36 kPa。水动力作用条件下水体在结构物表面形成负压，该负压在结构物表面形成吸力作用，钱塘江古海塘塘型为条石堆砌而成，条石受水体浮力和吸力而被抽失。

图17 水体滑落至再冲击过程压力变化曲线Fig.17 Curve of pressure from slipping to impacting

表4 塘面负压大小与分布Tab.4 Suction pressure distruction on the model surface

3.2 水动力作用下土体响应分析

由图9所示，在波浪荷载下会发生荷载—结构物—土体的相互作用，根据相互作用的大小程度不同，将波浪荷载分两类［8］，一类为脉动波浪荷载，即在该种波浪荷载下对结构体及其下覆土体的作用影响很小，相当于静力作用;第二类为破碎波浪荷载，即荷载的作用历时和结构物的运动及土体的响应密切相关。本实验中，T=1.0 s，H=80 mm条件下的波浪荷载为一类荷载;T=1.5 s，H=200 mm条件下的波浪荷载为第二类荷载，两种荷载作用下土体中孔隙水压力值随时间变化如图18所示。

第一类荷载作用条件下，土体中产生瞬时孔压，瞬时孔压值范围从3.5～6.0 kPa，但是不产生孔压的累积;第二类荷载作用条件下，土体中产生瞬时孔压并形成孔压的累积，对于钱塘江粉土存在液化的倾向。同类荷载作用条件下，塘体前趾和后趾土体中孔压随时间的变化不同。

在图13所示的波浪荷载作用条件下，由图19可知(d为传感器至塘底的垂直距离)，同一水平面，塘体前趾的孔压瞬时值和孔压累积较后趾大。塘体前趾d=10 cm，瞬时孔压值变化范围为0.5～4.0 kPa，30 s波浪作用过程中累积孔压值变化值△p=1.0 kPa，对应原型中△p=16 kPa;塘体后趾d=10 cm，瞬时孔压值变化范围为2.0～4.0 kPa，累积孔压值△p=0.55 kPa，对应原型中△p=8.8 kPa。

图18 不同荷载土体中孔压变化Fig.18 Curve of pore pressure under different wave loads

图19 同一荷载不同位置土体孔压变化Fig.19 Curve of pore pressure under the same wave load

3.3 水动力作用下塘体响应分析

通过模型塘体前趾和后趾的总压力测量其在水动力作用下压力变化，以分析在不同周期和波高条件下压力时程变化曲线(造波时间为30 s)，如图20所示为典型波高条件下总压力变化。

由图20可知，塘前后趾总压力随波浪作用影响为:周期T=1.5 s时，前趾压力增大，后趾压力减小，塘体呈现前倾趋势;周期范围1.2～2.2 s，除周期1.5 s以外，前后趾压力均在波浪作用期间减小。由此可知，原型中周期6 s条件下，塘体前后趾压力变化趋势不同，塘体运动趋势为前倾。

图20 不同荷载塘体前后趾总压力变化Fig.20 Curve of the toe＇axial pressure under different wave loads

4 结论和建议

通过对钱塘江古海塘的模型试验研究，得到不同周期和波高条件下水动力作用特征并分析了不同类型荷载作用下塘体—土体相互作用时土体的动力响应，得到的主要结论如下:

1)波浪作用过程中，波浪动力作用会出现较大的峰值Pimp，max，同一波高条件下，拍击墙体波浪破碎情况不同，Pimp，max差别较大;当破浪在塘前破碎冲击点在塘脚与坦水连接处时塘脚波浪力远大于静水压力，且最大水压力不在静水面处而是破碎波浪冲击点。

2)每一个周期水动力作用过程中峰值大小不一，沿塘面拍击力峰值大小的共同特点是呈向上凸的弧形峰值先增大再减少;拍击力峰值的最大值分布在第一次水体对结构物的拍击和几次拍击作用之后两种情况。

3)水体以波浪形式拍击墙体后，波浪沿着塘面爬高再回落，直至下一个波浪拍击塘面。由于塘前水体包裹一定的空气囊，在拍击时会在塘面产生负压力，负压力的最大值可接近波浪力的峰值，在负压的作用下条石层叠的鱼鳞石塘出现条石抽失的现象。

4)水体破碎对塘体冲击强烈的情况下，塘下粉土中会产生孔隙水压力的累积。还原到原型中，平均高潮位时，波浪冲击点位于塘脚和坦水之间，若波浪作用时间长，孔压累积增强将成为影响对古海塘稳定性较不利的因素;同时，该种条件下破浪力使得塘体产生前倾的运动趋势，即前趾产生应力集中。

5)水体对基底负压掏蚀，塘体前后水位差对基底的渗蚀，及塘底超净孔压等都对塘体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

水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201001071);钱塘江临江防洪潮古海塘保护研究资助项目。

王立忠(1969-)，男，浙江宁波人，教授，主要从事海洋岩土工程研究。E-mail:wlzzju@163.co

吴有霞。E-mail:kodona@126.com