基于模型試驗的面板伸縮縫破損對海堤沙土流失影響機理研究

袁明道，黃本勝，譚 彩，史永勝，吉紅香，徐云乾，劉 達

(廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635)

0 引 言

近年來，隨水利建設投入不斷加大，開展了一系列舊海堤達標加固工程，然而在黏土缺乏地區(qū)大多仍采用砂進行加高培厚，只是在臨海側增設混凝土板作為護面，對砂土堤身進行防護，并在砂與混凝土護面之間設置一層土工布，以防止砂的流失?，F(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，砂土海堤破壞嚴重程度遠高于黏土海堤，即使是近年加固過的砂土海堤，仍會出現(xiàn)嚴重的損毀，如圖1所示。采用護面加土工布形式加固的砂土海堤的破壞主要原因為伸縮縫破損導致砂土不斷從破損帶流失，造成護面脫空，在臺風到來時，巨大的波浪力作用在脫空的混凝土面板上，使面板彎斷、破碎，其后的砂土堤身隨即沖毀。

圖1 砂土海堤破壞Fig.1 Sand embankment damage

目前，國內外學者從宏細觀角度對波浪作用下砂土沿破損帶流失特性進行了研究，并取得大量成果。CHEW等[3]認為當破損帶尺寸較小時，在破損帶附近砂土能形成土拱，進而保持整體穩(wěn)定。郝雪航等[4]研制了一種接縫沖刷試驗裝置，該裝置可對波浪作用下砂土沿接縫流失特性進行模擬。蔚成亮等[5]基于模型試驗和圖像分析對砂土沿接縫流失特性進行了研究，分析了砂土輸移的兩種模式，并指出砂土失穩(wěn)區(qū)主要集中于破損帶上部倒錐形區(qū)域。滿曉磊等[6, 7]開展了波浪條件下吹填砂沿接縫流失的物理模型試驗，并以土拱的出現(xiàn)、形成和坍塌為標志對沖刷過程進行劃分。

三維激光掃描技術又稱現(xiàn)實捕捉技術，是一種高精度、高效率、高密度的量測手段，在眾多領域中應用廣泛[8-12]。周志祥等[9]采用三維激光掃描技術對橋面全息變形進行監(jiān)測并與精密水準儀量測和有限元計算結果進行對比，驗證了三維激光掃描技術的精度和可靠性。王靈鋒等[10]將三維激光掃描技術進行渡槽柱體傾斜度與槽身水平位移測量。葛云峰等[11]基于三維激光掃描技術獲取的點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)了巖體結構面的識別與提取。索俊鋒等[12]采用三維激光掃描技術對古建筑進行三維建模。

目前針對波浪作用下砂土沿破損帶流失特性研究主要以定性為主，本文通過三維激光掃描技術定量研究了破損帶位置、長度和淘刷時間對砂土流失量與最大淘刷深度的影響。并通過彩砂標記獲取波浪作用下不同粒徑沙土遷移規(guī)律初步探討了海砂流失機理。

1 試 驗

1.1 試驗設備

試驗設備主要包括大型波浪水槽、模型試驗箱、三維激光掃描儀、水下高清無線攝像機，分別介紹如下。

大型波浪水槽：大型波浪水槽長80 m，寬1.8 m，高2.6 m，配有大連理工制造的電動造波機，可造規(guī)則波和不規(guī)則波，波浪水槽內裝有浪高儀兩臺，可實現(xiàn)波高率定。

伸縮縫破損的面板海堤模型試驗箱：模型試驗箱如圖2所示，箱長1.8 m，寬0.85 m，高0.3 m，頂部板寬度為0.2 m。為便于對海堤內砂土運移情況進行觀測，海堤混凝土護面采用高透明度亞克力板代替，板厚為10 mm，護面坡比為1∶3?；炷磷o面伸縮縫采用連續(xù)拼接的亞克力小塊進行模擬，其尺寸為長×寬×高=2 mm×2 mm×1 mm，每個亞克力小塊均可自由取出，能實現(xiàn)不同位置、大小的伸縮縫破損帶模擬。

三維激光掃描儀：試驗采用的Leica ScanstationC10三維激光掃描儀具有全景測量、高速、高精度、遠距離掃描、一體化的數(shù)據(jù)存儲和雙軸補償?shù)葍?yōu)點。其掃描類型為脈沖測距法，視場角360°×270°，角度分辨率12″，模型表面精度2 mm，動態(tài)雙軸補償范圍±5′，動態(tài)雙軸補償精度1.5″，動態(tài)雙軸補償分辨率5″，最大掃描速率50 000 點/s，激光級別為Ⅰ級，激光顏色為綠色，波長532 nm。

不忘初心，方得始終。衷心祝愿淮海人不忘初心，牢記使命，大力弘揚人民兵工紅色基因，實現(xiàn)“一切為了前線，一切為了打贏”的企業(yè)價值觀，繼續(xù)在太行精彩鑄劍，為保家衛(wèi)國作貢獻！

波壓力量測系統(tǒng)：波浪力量測系統(tǒng)包括波浪力傳感器(精度為0.01 kPa)、485-20型數(shù)字傳感集線器和帶PC機。由于模型箱內不便于直接埋設波浪力傳感器，將傳感器埋設于模型箱后，并通過軟管連接測量點與傳感器，如圖4所示。測試點軟管布設方式為，在亞克力面板上打孔，穿入軟管并用玻璃膠封堵管與亞克力板間的空隙。試驗前先將軟管內充滿水。

水下高清無線攝像機：S300水下高清無線攝像機，像素為1 600 萬，防水深度為30 m，可自主發(fā)射信號，通過手機連接后實現(xiàn)遠程無線實時操控。

圖2 模型試驗箱(單位：mm)Fig.2 Model test box

圖3 波壓力傳感器布設Fig.3 Pressure sensor layout

1.2 試驗材料

試驗材料主要有模型海砂和彩砂，模型海砂級配與原型海砂一致。模型海砂比重Gs=2.65，粒徑d=0.075～1 mm，級配特征參數(shù)不均勻系數(shù)Cu=1.75、曲率系數(shù)Cc=0.89、有效粒徑d10=0.12、縱坐標為30%對應的土粒粒徑d30=0.15、平均粒徑d50=0.18和限制粒徑d60=0.21。模型海砂最大和最小干密度分別為1.63和1.47 g/cm3。彩砂粒徑不同顏色不同，其中藍色砂粒徑為1～2 mm，紅色砂粒徑為0.5～1 mm，綠色砂粒徑為0.25～0.5 mm，黃色砂粒徑為0.1～0.25 mm。

1.3 試驗比尺與波浪要素

試驗水位選取馬鞍北島附近水域10年一遇高水位(DH)和海堤主要方向代表波浪進行波浪模型試驗，原型水深5.61 m，潮位2.15 m，H(1%)=2.04 m，周期Ts=5.70 s，波浪模擬不規(guī)則波波譜為JONSWAP譜。

1.4 模型箱安裝

伸縮縫破損的面板海堤模型安裝步驟如下：①支墩砌筑。支墩主要由磚砌筑，頂部為方形木塊，用于固定模型試驗箱，支墩砌筑時，采用激光準直儀對其水平性進行檢驗，若不水平，則通過增減水泥使其水平。②模型箱安裝與整平。將伸縮縫破損的面板海堤模型試驗箱通過螺栓固定于支墩上，采用水準儀檢驗模型箱的水平性，通過木鍥塊調整使其水平。③模型砂充填。在伸縮縫破損的面板海堤模型試驗箱內充填模型砂，砂土用水濕潤后壓緊，控制每次裝砂量一致，采用三維激光掃描儀對海堤模型初始形態(tài)進行掃描，獲取波浪作用前海堤模型三維點云數(shù)據(jù)。④面板與軟管安裝。砂土填筑完成后安裝軟管、高透明亞克力板和亞克力小塊，模型箱安裝完畢后回填碎石并整平，碎石坡比為1∶3。安裝完成的模型試驗箱如圖4所示。

圖4 試驗模型Fig.4 Test model

1.5 試驗實施

模型箱安裝完畢后，往波浪水槽中注水直至達到預先設定的水位，待水面穩(wěn)定后打開波壓力傳感器、浪高儀和水下高清無線攝像機，實時記錄試驗箱各部位壓力變化、率定波高和記錄砂顆粒移動情況。設備正常工作后施加波浪作用，其中研究破損帶位置和長度對砂土沿混凝土護面伸縮縫破損帶流失特性的影響時，波浪作用施加時間為5 min。研究波浪作用時間對砂土沿混凝土護面伸縮縫破損帶流失特性的影響時，波浪作用施加時間分別為5、10、15、20和25 min。試驗結束后緩慢放空波浪水槽并小心打開亞克力面板，采用三維激光掃描儀對波浪作用后海堤模型進行掃描，獲取波浪作用后海堤模型三維點云數(shù)據(jù)。

2 試驗結果與分析

2.1 破損帶位置

為研究破損帶位置對砂土沿混凝土護面伸縮縫破損帶流失特性的影響，分別將破損帶位置設計于水面上5 cm(垂直距離)、水面處和水面下5 cm(垂直距離)，分別編號為A、B和C，破損帶長度為2 cm。波浪作用前后海堤模型三維激光掃描點云如圖5所示。可知，不同破損帶位置淘刷形態(tài)均為U型，且越靠近破損帶位置砂土流失量越多，淘刷深度越大。對比淘刷前后三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，計算不同破損帶位置下砂土海堤模型的淘刷體積與最大淘刷深度。圖6為不同破損帶位置海堤模型砂土流失量，不同破損帶位置海堤模型最大淘刷深度如圖7所示。可知，破損帶位于水面下時淘刷體積和最大淘刷深度最大，破損帶位于水面上時淘刷體積和最大淘刷深度最小。

圖5 波浪作用前后海堤模型三維激光掃描點云Fig.5 Three-dimensional laser scanning point clouds of seawall model before and after wave action

圖6 不同破損帶位置砂土流失量Fig.6 The amount of sand loss in different damaged zones

圖7 不同破損帶位置最大淘刷深度Fig.7 Maximum scouring depth in different damaged zones

2.2 破損帶長度

為研究破損帶長度對砂土沿混凝土護面伸縮縫破損帶流失特性的影響，分別對破損帶長度為2、4、8、16和24 cm進行波浪水槽試驗，破損帶中心位于水面處。不同破損帶長度下海堤模型的砂土流失量、最大淘刷深度與破損帶長度關系曲線分別如圖8與圖9所示?？芍S破損帶長度增大，砂土沿混凝土護面伸縮縫破損帶流失量與最大淘刷深度均逐漸增大，砂土流失量與破損帶長度呈明顯線性相關，最大淘刷深度與破損帶長度呈對數(shù)相關。

圖8 破損帶長度與砂土流失量關系曲線Fig.8 The relationship between the length of the damaged zone and the amount of sand loss

圖9 破損帶長度與最大淘刷深度關系曲線Fig.9 The relationship between the length of the damaged zone and the maximum scouring depth

圖10 砂土流失量與淘刷時間關系曲線Fig.10 The relationship between sand loss and scouring time

圖11 最大淘刷深度與淘刷時間關系曲線Fig.11 The relationship curve between maximum scouring depth and scouring time

2.3 波浪作用時間

為研究淘刷時間對砂土沿混凝土護面伸縮縫破損帶流失特性的影響，對破損帶長度為2 cm，破損帶中心位于水面處的砂土海堤模型進行波浪水槽試驗。海堤模型砂土流失量、最大淘刷深度與波浪作用時間關系曲線分別如圖10和圖11所示。可知，隨波浪作用時間增大，砂土流失量與最大淘刷深度均逐漸增大，且砂土流失量、最大淘刷深度與波浪作用時間均呈對數(shù)相關。

3 砂土流失機理分析

為獲取波浪作用下面板伸縮縫破損的海堤砂土遷移規(guī)律，在破損帶附近布設長×寬×高=40 cm×40 cm×2 cm的彩砂，彩砂粒徑不同顏色不同，每種顏色砂等質量混合。為使試驗效果更明顯，破損帶設置于靠近模型箱底部位置。

波浪作用下砂土分布如圖12所示。可知，彩砂在伸縮縫破損帶附近斷面和彩砂邊界處均出現(xiàn)了明顯的顏色分區(qū)，伸縮縫破損帶附近斷面從上到下顏色依次以黃(0.1～0.25 mm)、綠(0.25～0.5 mm)、紅(0.5～1 mm)和藍(粒徑1～2 mm)為主，且在破損帶處聚集有大量藍色顆粒；在彩砂邊界處距破損帶由近及遠顏色依次為藍(粒徑1～2 mm)、紅(0.5～1 mm)、綠(0.25～0.5 mm)和黃(0.1～0.25 mm)。由圖12(b)可知，波浪作用25 min時，粒徑最小的黃色砂基本被帶出，剩余的彩砂呈“V”形分布，同一高程下，越靠近破損帶，砂顆粒粒徑越小，且在破損帶處聚集有大量藍色顆粒。

波浪對破損帶附近砂土作用可分為波浪在上爬過程中產生的正壓力和波浪在回落過程中產生的負壓力，正壓力將砂顆粒推向遠離破損帶區(qū)域，粒徑越小，砂粒越容易被推離，故距破損帶越遠，砂顆粒粒徑越小，彩砂邊界的顏色分區(qū)驗證了該結論；負壓力將砂顆粒從破損帶帶出，砂粒粒徑越小，越容易被帶出，故距破損帶越遠，砂顆粒粒徑越大，試驗時藍色顆粒(試驗最大粒徑組)集中在最靠近破損帶位置的主要原因為藍色顆粒粒徑相對較大，不易被帶出，故聚集在破損帶處。

波壓力與時間關系曲線如圖13所示。可知，本文試驗條件下，上部波壓力相對較小，中部與下部波壓力相對較大，且下部平均波壓力大于中部。面板伸縮縫破損的海堤砂土流失主要為波壓力將砂土帶出，故當破損帶位于底部時，波壓力較大，砂土流失量最大。

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

圖13 波壓力與時間關系曲線Fig.13 The relationship between wave pressure and time

4 防治措施

面板伸縮縫破損導致砂土不斷從破損帶流失，造成護面脫空，在臺風到來時，巨大的波浪力作用在脫空的混凝土面板上，使面板彎斷、破碎，其后的砂土堤身隨即沖毀，可能造成巨大的經(jīng)濟損失與人員傷亡。根據(jù)砂土海堤調研和本次試驗結果，提出了面板伸縮縫破損導致的海堤砂土流失的預防與治理措施。預防措施方面：應加強施工質量控制，減少面板伸縮縫破損；建議采用雙層(多層)或高性能土工布替代目前通常采用的單層土工布；研發(fā)新型的接縫結構型式，減少接縫 破損概率；堤前種植紅樹林等生態(tài)植被，減少直接作用在海堤上波浪力。治理方面：定期巡查，及時更換破損的接縫結構；建議對已破損的結構進行灌漿處理，灌漿深度宜大于90cm。

5 結 語

(1)面板伸縮縫破損的海堤淘刷形態(tài)均為U型，且破損帶附近淘刷深度最大。試驗條件下，破損帶位于水面下時淘刷體積和最大淘刷深度均大于破損帶位于水面上時工況。

(2)隨破損帶長度增大，面板伸縮縫破損的海堤砂土流失量逐漸增大，砂土流失量與破損帶長度呈明顯的線性相關；海堤最大淘刷深度隨破損帶長度增大呈對數(shù)增長。隨波浪作用時間增大，砂土流失量與最大淘刷深度均呈對數(shù)增長。

(3)波浪上爬產生正壓力將砂顆粒推向遠離破損帶區(qū)域，粒徑越小，砂粒越容易被推離，波浪回落產生負壓力將砂顆粒從破損帶帶出，砂粒粒徑越小，越容易被帶出。

□