基于模型试验的面板伸缩缝破损对海堤沙土流失影响机理研究

袁明道，黄本胜，谭 彩，史永胜，吉红香，徐云乾，刘 达

(广东省水利水电科学研究院，广州 510635)

0 引 言

近年来，随水利建设投入不断加大，开展了一系列旧海堤达标加固工程，然而在黏土缺乏地区大多仍采用砂进行加高培厚，只是在临海侧增设混凝土板作为护面，对砂土堤身进行防护，并在砂与混凝土护面之间设置一层土工布，以防止砂的流失。现场调研发现，砂土海堤破坏严重程度远高于黏土海堤，即使是近年加固过的砂土海堤，仍会出现严重的损毁，如图1所示。采用护面加土工布形式加固的砂土海堤的破坏主要原因为伸缩缝破损导致砂土不断从破损带流失，造成护面脱空，在台风到来时，巨大的波浪力作用在脱空的混凝土面板上，使面板弯断、破碎，其后的砂土堤身随即冲毁。

图1 砂土海堤破坏Fig.1 Sand embankment damage

目前，国内外学者从宏细观角度对波浪作用下砂土沿破损带流失特性进行了研究，并取得大量成果。CHEW等[3]认为当破损带尺寸较小时，在破损带附近砂土能形成土拱，进而保持整体稳定。郝雪航等[4]研制了一种接缝冲刷试验装置，该装置可对波浪作用下砂土沿接缝流失特性进行模拟。蔚成亮等[5]基于模型试验和图像分析对砂土沿接缝流失特性进行了研究，分析了砂土输移的两种模式，并指出砂土失稳区主要集中于破损带上部倒锥形区域。满晓磊等[6, 7]开展了波浪条件下吹填砂沿接缝流失的物理模型试验，并以土拱的出现、形成和坍塌为标志对冲刷过程进行划分。

三维激光扫描技术又称现实捕捉技术，是一种高精度、高效率、高密度的量测手段，在众多领域中应用广泛[8-12]。周志祥等[9]采用三维激光扫描技术对桥面全息变形进行监测并与精密水准仪量测和有限元计算结果进行对比，验证了三维激光扫描技术的精度和可靠性。王灵锋等[10]将三维激光扫描技术进行渡槽柱体倾斜度与槽身水平位移测量。葛云峰等[11]基于三维激光扫描技术获取的点云数据实现了岩体结构面的识别与提取。索俊锋等[12]采用三维激光扫描技术对古建筑进行三维建模。

目前针对波浪作用下砂土沿破损带流失特性研究主要以定性为主，本文通过三维激光扫描技术定量研究了破损带位置、长度和淘刷时间对砂土流失量与最大淘刷深度的影响。并通过彩砂标记获取波浪作用下不同粒径沙土迁移规律初步探讨了海砂流失机理。

1 试 验

1.1 试验设备

试验设备主要包括大型波浪水槽、模型试验箱、三维激光扫描仪、水下高清无线摄像机，分别介绍如下。

大型波浪水槽：大型波浪水槽长80 m，宽1.8 m，高2.6 m，配有大连理工制造的电动造波机，可造规则波和不规则波，波浪水槽内装有浪高仪两台，可实现波高率定。

伸缩缝破损的面板海堤模型试验箱：模型试验箱如图2所示，箱长1.8 m，宽0.85 m，高0.3 m，顶部板宽度为0.2 m。为便于对海堤内砂土运移情况进行观测，海堤混凝土护面采用高透明度亚克力板代替，板厚为10 mm，护面坡比为1∶3。混凝土护面伸缩缝采用连续拼接的亚克力小块进行模拟，其尺寸为长×宽×高=2 mm×2 mm×1 mm，每个亚克力小块均可自由取出，能实现不同位置、大小的伸缩缝破损带模拟。

三维激光扫描仪：试验采用的Leica ScanstationC10三维激光扫描仪具有全景测量、高速、高精度、远距离扫描、一体化的数据存储和双轴补偿等优点。其扫描类型为脉冲测距法，视场角360°×270°，角度分辨率12″，模型表面精度2 mm，动态双轴补偿范围±5′，动态双轴补偿精度1.5″，动态双轴补偿分辨率5″，最大扫描速率50 000 点/s，激光级别为Ⅰ级，激光颜色为绿色，波长532 nm。

不忘初心，方得始终。衷心祝愿淮海人不忘初心，牢记使命，大力弘扬人民兵工红色基因，实现“一切为了前线，一切为了打赢”的企业价值观，继续在太行精彩铸剑，为保家卫国作贡献！

波压力量测系统：波浪力量测系统包括波浪力传感器(精度为0.01 kPa)、485-20型数字传感集线器和带PC机。由于模型箱内不便于直接埋设波浪力传感器，将传感器埋设于模型箱后，并通过软管连接测量点与传感器，如图4所示。测试点软管布设方式为，在亚克力面板上打孔，穿入软管并用玻璃胶封堵管与亚克力板间的空隙。试验前先将软管内充满水。

水下高清无线摄像机：S300水下高清无线摄像机，像素为1 600 万，防水深度为30 m，可自主发射信号，通过手机连接后实现远程无线实时操控。

图2 模型试验箱(单位：mm)Fig.2 Model test box

图3 波压力传感器布设Fig.3 Pressure sensor layout

1.2 试验材料

试验材料主要有模型海砂和彩砂，模型海砂级配与原型海砂一致。模型海砂比重Gs=2.65，粒径d=0.075～1 mm，级配特征参数不均匀系数Cu=1.75、曲率系数Cc=0.89、有效粒径d10=0.12、纵坐标为30%对应的土粒粒径d30=0.15、平均粒径d50=0.18和限制粒径d60=0.21。模型海砂最大和最小干密度分别为1.63和1.47 g/cm3。彩砂粒径不同颜色不同，其中蓝色砂粒径为1～2 mm，红色砂粒径为0.5～1 mm，绿色砂粒径为0.25～0.5 mm，黄色砂粒径为0.1～0.25 mm。

1.3 试验比尺与波浪要素

试验水位选取马鞍北岛附近水域10年一遇高水位(DH)和海堤主要方向代表波浪进行波浪模型试验，原型水深5.61 m，潮位2.15 m，H(1%)=2.04 m，周期Ts=5.70 s，波浪模拟不规则波波谱为JONSWAP谱。

1.4 模型箱安装

伸缩缝破损的面板海堤模型安装步骤如下：①支墩砌筑。支墩主要由砖砌筑，顶部为方形木块，用于固定模型试验箱，支墩砌筑时，采用激光准直仪对其水平性进行检验，若不水平，则通过增减水泥使其水平。②模型箱安装与整平。将伸缩缝破损的面板海堤模型试验箱通过螺栓固定于支墩上，采用水准仪检验模型箱的水平性，通过木锲块调整使其水平。③模型砂充填。在伸缩缝破损的面板海堤模型试验箱内充填模型砂，砂土用水湿润后压紧，控制每次装砂量一致，采用三维激光扫描仪对海堤模型初始形态进行扫描，获取波浪作用前海堤模型三维点云数据。④面板与软管安装。砂土填筑完成后安装软管、高透明亚克力板和亚克力小块，模型箱安装完毕后回填碎石并整平，碎石坡比为1∶3。安装完成的模型试验箱如图4所示。

图4 试验模型Fig.4 Test model

1.5 试验实施

模型箱安装完毕后，往波浪水槽中注水直至达到预先设定的水位，待水面稳定后打开波压力传感器、浪高仪和水下高清无线摄像机，实时记录试验箱各部位压力变化、率定波高和记录砂颗粒移动情况。设备正常工作后施加波浪作用，其中研究破损带位置和长度对砂土沿混凝土护面伸缩缝破损带流失特性的影响时，波浪作用施加时间为5 min。研究波浪作用时间对砂土沿混凝土护面伸缩缝破损带流失特性的影响时，波浪作用施加时间分别为5、10、15、20和25 min。试验结束后缓慢放空波浪水槽并小心打开亚克力面板，采用三维激光扫描仪对波浪作用后海堤模型进行扫描，获取波浪作用后海堤模型三维点云数据。

2 试验结果与分析

2.1 破损带位置

为研究破损带位置对砂土沿混凝土护面伸缩缝破损带流失特性的影响，分别将破损带位置设计于水面上5 cm(垂直距离)、水面处和水面下5 cm(垂直距离)，分别编号为A、B和C，破损带长度为2 cm。波浪作用前后海堤模型三维激光扫描点云如图5所示。可知，不同破损带位置淘刷形态均为U型，且越靠近破损带位置砂土流失量越多，淘刷深度越大。对比淘刷前后三维激光扫描点云数据，计算不同破损带位置下砂土海堤模型的淘刷体积与最大淘刷深度。图6为不同破损带位置海堤模型砂土流失量，不同破损带位置海堤模型最大淘刷深度如图7所示。可知，破损带位于水面下时淘刷体积和最大淘刷深度最大，破损带位于水面上时淘刷体积和最大淘刷深度最小。

图5 波浪作用前后海堤模型三维激光扫描点云Fig.5 Three-dimensional laser scanning point clouds of seawall model before and after wave action

图6 不同破损带位置砂土流失量Fig.6 The amount of sand loss in different damaged zones

图7 不同破损带位置最大淘刷深度Fig.7 Maximum scouring depth in different damaged zones

2.2 破损带长度

为研究破损带长度对砂土沿混凝土护面伸缩缝破损带流失特性的影响，分别对破损带长度为2、4、8、16和24 cm进行波浪水槽试验，破损带中心位于水面处。不同破损带长度下海堤模型的砂土流失量、最大淘刷深度与破损带长度关系曲线分别如图8与图9所示。可知，随破损带长度增大，砂土沿混凝土护面伸缩缝破损带流失量与最大淘刷深度均逐渐增大，砂土流失量与破损带长度呈明显线性相关，最大淘刷深度与破损带长度呈对数相关。

图8 破损带长度与砂土流失量关系曲线Fig.8 The relationship between the length of the damaged zone and the amount of sand loss

图9 破损带长度与最大淘刷深度关系曲线Fig.9 The relationship between the length of the damaged zone and the maximum scouring depth

图10 砂土流失量与淘刷时间关系曲线Fig.10 The relationship between sand loss and scouring time

图11 最大淘刷深度与淘刷时间关系曲线Fig.11 The relationship curve between maximum scouring depth and scouring time

2.3 波浪作用时间

为研究淘刷时间对砂土沿混凝土护面伸缩缝破损带流失特性的影响，对破损带长度为2 cm，破损带中心位于水面处的砂土海堤模型进行波浪水槽试验。海堤模型砂土流失量、最大淘刷深度与波浪作用时间关系曲线分别如图10和图11所示。可知，随波浪作用时间增大，砂土流失量与最大淘刷深度均逐渐增大，且砂土流失量、最大淘刷深度与波浪作用时间均呈对数相关。

3 砂土流失机理分析

为获取波浪作用下面板伸缩缝破损的海堤砂土迁移规律，在破损带附近布设长×宽×高=40 cm×40 cm×2 cm的彩砂，彩砂粒径不同颜色不同，每种颜色砂等质量混合。为使试验效果更明显，破损带设置于靠近模型箱底部位置。

波浪作用下砂土分布如图12所示。可知，彩砂在伸缩缝破损带附近断面和彩砂边界处均出现了明显的颜色分区，伸缩缝破损带附近断面从上到下颜色依次以黄(0.1～0.25 mm)、绿(0.25～0.5 mm)、红(0.5～1 mm)和蓝(粒径1～2 mm)为主，且在破损带处聚集有大量蓝色颗粒；在彩砂边界处距破损带由近及远颜色依次为蓝(粒径1～2 mm)、红(0.5～1 mm)、绿(0.25～0.5 mm)和黄(0.1～0.25 mm)。由图12(b)可知，波浪作用25 min时，粒径最小的黄色砂基本被带出，剩余的彩砂呈“V”形分布，同一高程下，越靠近破损带，砂颗粒粒径越小，且在破损带处聚集有大量蓝色颗粒。

波浪对破损带附近砂土作用可分为波浪在上爬过程中产生的正压力和波浪在回落过程中产生的负压力，正压力将砂颗粒推向远离破损带区域，粒径越小，砂粒越容易被推离，故距破损带越远，砂颗粒粒径越小，彩砂边界的颜色分区验证了该结论；负压力将砂颗粒从破损带带出，砂粒粒径越小，越容易被带出，故距破损带越远，砂颗粒粒径越大，试验时蓝色颗粒(试验最大粒径组)集中在最靠近破损带位置的主要原因为蓝色颗粒粒径相对较大，不易被带出，故聚集在破损带处。

波压力与时间关系曲线如图13所示。可知，本文试验条件下，上部波压力相对较小，中部与下部波压力相对较大，且下部平均波压力大于中部。面板伸缩缝破损的海堤砂土流失主要为波压力将砂土带出，故当破损带位于底部时，波压力较大，砂土流失量最大。

图12 波浪作用下砂土分布Fig.12 Distribution of sand under wave action

图13 波压力与时间关系曲线Fig.13 The relationship between wave pressure and time

4 防治措施

面板伸缩缝破损导致砂土不断从破损带流失，造成护面脱空，在台风到来时，巨大的波浪力作用在脱空的混凝土面板上，使面板弯断、破碎，其后的砂土堤身随即冲毁，可能造成巨大的经济损失与人员伤亡。根据砂土海堤调研和本次试验结果，提出了面板伸缩缝破损导致的海堤砂土流失的预防与治理措施。预防措施方面：应加强施工质量控制，减少面板伸缩缝破损；建议采用双层(多层)或高性能土工布替代目前通常采用的单层土工布；研发新型的接缝结构型式，减少接缝 破损概率；堤前种植红树林等生态植被，减少直接作用在海堤上波浪力。治理方面：定期巡查，及时更换破损的接缝结构；建议对已破损的结构进行灌浆处理，灌浆深度宜大于90cm。

5 结 语

(1)面板伸缩缝破损的海堤淘刷形态均为U型，且破损带附近淘刷深度最大。试验条件下，破损带位于水面下时淘刷体积和最大淘刷深度均大于破损带位于水面上时工况。

(2)随破损带长度增大，面板伸缩缝破损的海堤砂土流失量逐渐增大，砂土流失量与破损带长度呈明显的线性相关；海堤最大淘刷深度随破损带长度增大呈对数增长。随波浪作用时间增大，砂土流失量与最大淘刷深度均呈对数增长。

(3)波浪上爬产生正压力将砂颗粒推向远离破损带区域，粒径越小，砂粒越容易被推离，波浪回落产生负压力将砂颗粒从破损带带出，砂粒粒径越小，越容易被带出。

□