大比尺水槽波浪-防波堤-地基相互作用試驗方法初探

劉針，孟祥瑋，姜云鵬，戈龍仔

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

大比尺水槽波浪-防波堤-地基相互作用試驗方法初探

劉針，孟祥瑋，姜云鵬，戈龍仔

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

依托交通運輸部建設(shè)科技項目，擬在水槽中進行波浪-結(jié)構(gòu)物-軟粘土地基相互作用的試驗，由于軟粘土地基的制備耗費大量的人力、物力和時間，大水槽的建模和試驗成本遠遠大于小水槽，受項目工期、試驗場地和試驗費用的制約軟粘土地基試驗可重復性較差，由于缺乏在大水槽中進行類似試驗的經(jīng)驗，故先在已有沙地基上進行預備試驗。文章針對已在大比尺波浪水槽中開展的波浪-半圓型防波堤-沙地基相互作用的試驗，從模型的設(shè)計與半圓型沉箱的制作、土壓和孔壓傳感器的布置和鉆孔埋設(shè)技術(shù)、半圓體沉箱的吊裝技術(shù)以及試驗過程中出現(xiàn)的問題和注意事項進行了說明，從而為大比尺波浪水槽中進行波浪-結(jié)構(gòu)物-地基相互作用提供了一套合理可行的試驗技術(shù)。

大比尺波浪水槽；沙地基；試驗技術(shù)

交通運輸部天津水運工程科學研究院于2014年7月建成大比尺波浪試驗水槽（簡稱大水槽）1座［1］，波浪水槽設(shè)計總長度450 m，寬5 m，最深處12 m，按波浪的生成、實驗、消波等，分為造波區(qū)、實驗區(qū)、消波區(qū)。大水槽鋪砂段位于水槽試驗段部分，鋪砂段長100 m，砂層厚度為4 m，鋪砂段頂面距離水槽頂面為8 m，在鋪沙段可以進行波浪-結(jié)構(gòu)物-地基的相互作用的試驗。為完成交通運輸部建設(shè)科技項目《惡劣水文條件下港口水工結(jié)構(gòu)的破壞機理和設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究》中子課題波浪-結(jié)構(gòu)-地基耦合作用破壞機理研究［2］，擬在水槽中進行波浪-結(jié)構(gòu)物-軟粘土地基相互作用的試驗，由于軟粘土地基的制備耗費大量的人力、物力和時間［3］，受項目工期和試驗費用的制約軟粘土地基試驗的可重復性較差，由于缺乏在大水槽中進行類似試驗的經(jīng)驗，所以先在已有沙地基上進行試驗，從模型設(shè)計、模型制作、傳感器的埋設(shè)、測試儀器的安裝與調(diào)試、在大比尺波浪水槽中的施工技術(shù)等方面進行研究，找到一套適合在大水槽中進行波浪-結(jié)構(gòu)物-地基相互作用的試驗技術(shù)。

1 試驗條件

1.1 模型設(shè)計和制作

原型中一個半圓體的長度為19.94 m，根據(jù)已有的研究成果，原型中波浪動荷載對地基的影響范圍在10 m左右。模型按照重力相似設(shè)計，大水槽的寬度為5 m，可以模擬地基的深槽高為4 m，大水槽底部邊界對試驗有一定的影響，綜合考慮這些因素，模型幾何比尺定為1：5［4］。沉箱模型寬4.8 m，兩端和水槽邊壁各留10 cm空隙。在小比尺波浪水槽中，模型比尺一般小于1：20，雖然地基的模擬深度可以增大，但是在波浪動荷載影響范圍內(nèi)地基模擬的深度有限，對研究地基內(nèi)孔隙水壓力和土壓力的變化規(guī)律不利。

半圓型沉箱模型用1cm厚的鋼板制成，模型尺寸按照幾何比尺，鋼沉箱模型高1.7 m，寬2.84 m，鋼沉箱自身重4.47 t。半圓體原型重1 177 t，原型內(nèi)填沙重1 646 t，按照重力相似，在沉箱的箱體內(nèi)用石子進行配重，石子配重為22.4 t。用鋼板制成的半圓體和基床之間的作用同原型混凝土材料存在差異，模型試驗主要考慮結(jié)構(gòu)物和地基的沉降，不考慮結(jié)構(gòu)物自身的變形。

沉箱上有2個比較大的開孔，孔的尺寸為60 cm×80 cm，人可以自由出入，開孔作為沉箱上安裝波壓力傳感器和沉箱配重的通道。配重完成后開孔用止水膠進行止水。沉箱迎浪側(cè)、背浪側(cè)和底部共布置了29個波壓力傳感器，波壓力傳感器的直徑為8 mm，沉箱上鉆孔直徑為10 mm，傳感器慢慢嵌入預留孔后再用玻璃膠把孔封住，所有傳感器的導線均在沉箱頂部一個直徑為20 cm的預留孔引出來。半圓體模型見圖1，半圓體斷面結(jié)構(gòu)和波壓力測點布置見圖2，沉箱的開孔見圖3，波壓力傳感器埋入見圖4。

1.2 沙地基特性

本次試驗開始前，大水槽的深槽段，已經(jīng)用細沙進行填充。本次試驗主要對波浪-結(jié)構(gòu)物-地基在大水槽中的試驗流程和試驗方法進行研究，只對沙子進行篩分試驗分析，特性見表1和圖5，其他物理特性沒有進行詳細的研究，沙子的中值粒徑為0.267 mm。

1.3 波浪要素

要模擬長江口半圓體破壞時的試驗情況，根據(jù)波浪后報，破壞時高水位+3.94 m和低水位+0.06 m，沉箱的堤頂高程為+2.95 m，泥面高程是-7.00 m，在高水位作用下半圓型沉箱屬于潛堤［5-6］。為研究不同波高對孔隙水壓力和土壓力的影響，在固定周期下，試驗模型波高從0.1 m開始，每次加大0.1 m，加大波高直到波浪破碎。為研究不同周期對孔壓和土壓的影響，在固定波高下，周期從2 s開始，每次加大1 s，最后增大到5 s，對于波要素見表2。由于大比尺波浪水槽剛交付使用，對造波機性能沒有十足的把握，所以試驗過程中采用規(guī)則波，試驗在沒有結(jié)構(gòu)物的情況下進行了率波，造波個數(shù)為30個，造波機的二次反射影響較小。

圖1半圓型沉箱模型Fig.1Model of semi?circular caisson

圖2半圓型沉箱結(jié)構(gòu)斷面圖和波壓力測點布置Fig.2Cross sections of semi?circular caisson and layout of wave pressure sensor

圖3沉箱出入口Fig.3Caisson entrance

圖4波壓力傳感器Fig.4Wave pressure sensor

表1沙子的顆分結(jié)果Tab.1Particle analysis results of sand

2 試驗準備

2.1 地基中傳感器的布設(shè)

沙地基中布置了孔隙水壓力和土壓力傳感器。傳感器的布置示意見圖6。孔隙水壓力和土壓力傳感器分布在2個剖面上，孔隙水壓力傳感器布置在沿水槽中心的位置，土壓傳感器和孔隙水壓力傳感器布置在相同深度處，沿水槽中心剖面位置偏移50 cm。

沙地基中共布置了八豎排孔壓傳感器和五豎排土壓傳感器，孔隙水壓力傳感器38個，土壓力傳感器19個，傳感器的豎向距離為0.5 m或1.0 m，橫向間距為1.5 m。傳感器在出廠前都進行了標定，在試驗過程中無需再率定。傳感器的直徑為8 mm。

圖5概率累計百分數(shù)分布曲線和頻率直方圖Fig.5Probability cumulative percent distribution curves and frequency histograms

傳感器的埋設(shè)方法：首先對每豎排傳感器按照相對距離把傳感器綁在一起固定好，對于土壓力傳感器要保證受力面水平，事先進行了固定。由于沙地基已經(jīng)鋪設(shè)完成，所以需要鉆孔把傳感器埋入。后埋傳感器對沙子的局部有擾動，對強度有一定程度的影響，但細沙會隨時間慢慢恢復（圖7）。

采用簡易的鉆孔設(shè)備來埋設(shè)傳感器，傳感器固定在一根細管上，通過水泵向細管內(nèi)充水把細管內(nèi)部和周圍的沙沖開，細管慢慢的壓入沙地基，到達預定位置后，關(guān)掉水泵，傳感器固定好后細管慢慢的抽出，一排傳感器埋設(shè)完成，按照同樣的方法埋設(shè)其他排傳感器。在水槽壁上先固定好一條尼龍細繩，傳感器的導線綁在尼龍細繩上到水槽頂部與采集設(shè)備相連，在試驗過程中使尼龍細繩受力防止傳感器導線被拉斷。

表2試驗波要素Tab.2Test wave conditions

2.2 基床與半圓型沉箱的吊裝

實驗段設(shè)一20 t軌道門機，用于吊裝試驗設(shè)備及構(gòu)件。利用軌道門機對基床和沉箱進行吊裝，基床由塊石組成，塊石重量按照重力相似進行選擇，基床的模型見圖8，基床長6.2 m，高0.49 m。散狀塊石先裝入塑料網(wǎng)兜內(nèi)，每個塑料兜內(nèi)石子重量20 kg左右，這樣方便塊石的吊裝與擺放。

沉箱吊裝時，由于水槽兩端各留有10 cm的空隙，所以在吊裝過程中要控制好沉箱的下沉速度和下沉位置，吊裝前在沉箱底部4個角的位置系好細繩，在門機慢慢下降過程中通過人拉繩子控制好沉箱的位置。沉箱吊裝過程見圖9，模型擺放完成見圖10。

按照重力相似沉箱用塊石配重，塊石從沉箱底部向上均勻布置，雖然沉箱上開了2個出口，但是對于近20 t的配重，人工操作還是很費力。所以在接下來的模型設(shè)計和制作中要充分考慮施工的可操作性，可考慮把結(jié)構(gòu)拆分成幾個部分分別制作，部分構(gòu)件在配重完成后再安裝，模型拆除也會比較方便，從而減輕人工操作的難度，節(jié)省人力。

圖6傳感器布置（空心孔壓，實心土壓）Fig.6Sensor layout

圖7傳感器鉆孔埋設(shè)Fig.7Sensor burying drilling

3 孔隙水壓力主要結(jié)果

將要進行的波浪-結(jié)構(gòu)物-軟黏土地基相互作用試驗，要得到軟黏土地基在長時間波浪動荷載作用下的軟化現(xiàn)象，主要是孔隙水壓力在波浪作用下的變化規(guī)律，所以本文只給出部分孔壓傳感器的分析結(jié)果。

對高水位+3.94 m，規(guī)測波波高0.6 m，周期3.5 s波浪作用下部分孔壓數(shù)據(jù)進行了處理，結(jié)果見圖11，沉箱來浪側(cè)，1#～4#（位置見圖6）孔壓傳感器由波浪引起的超靜孔壓值分別為2.6 kPa、0.48 kPa、0.42 kPa和0.39 kPa，傳感器之間的豎向間距分別為1 m，隨時間的變化過程見圖11，圖11的橫坐標為時間，縱坐標為超靜孔壓值。1#傳感器的值較大，2#、3#和4#傳感器的值較小，之間的差別不大，5#～8#（位置見圖6）孔壓傳感器由波浪引起的超靜孔壓值分別為0.73 kPa、0.34 kPa、0.34 kPa和0.34 kPa，結(jié)果見圖12，5#傳感器的值較大，6#、7#和8#傳感器的值較小，之間的差別不大，傳感器之間的豎向間距均為0.5 m。

圖9半圓體沉箱的吊裝Fig.9Semi?circular caisson hoisting

圖10建模完成Fig.10Modeling completed

圖8基床示意圖Fig.8Sketch of rock bed

對高水位+3.94 m和低水位+0.06 m，規(guī)則波波高是0.6 m，周期是3.5 s波浪作用下1#超靜孔壓值進行了比較，結(jié)果見圖13，高水位和低水位波浪作用下超靜孔隙水壓力的最大值分別為2.09 kPa和3.87 kPa。對高水位+3.94 m，周期是3.5 s規(guī)則波不同波高下1#傳感器的超靜孔隙水壓力進行了分析比較見圖14，不同波高從小到大對應的超靜孔隙水壓力最大值分別為0.97 kPa、1.98 kPa、2.57 kPa、3.21 kPa和4.04 kPa。

圖11沉箱前排孔壓變化（1～4號）Fig.11Change of pore pressure in front of the caisson

圖12沉箱后排孔壓變化（5～8號）Fig.12Change of pore pressure at the back of the caisson

圖13不同水位孔壓變化（1號）Fig.13Pore pressure variation of different water levels

圖14不同波高孔壓變化（1號）Fig.14Pore pressure variation of different wave heights

從結(jié)果可以看出，隨孔隙水壓力傳感器深度的增加，波浪引起超靜孔壓減小，深度在0.5 m范圍內(nèi)超靜孔壓迅速衰減，波浪對1 m以下地基影響較小。隨水位由高到低同波高下由波浪引起的超靜孔壓值增大。相同水位和周期，不同波高下，隨波高增加超靜孔壓值也相應增加。

孔壓變化較小時，受傳感器本身的精度和造波機等電信號的干擾對試驗結(jié)果有較大影響。所以在接下來的軟粘土地基試驗中要盡量消除外界對傳感器的干擾，在1 m深度范圍內(nèi)加密地基內(nèi)孔壓傳感器的布置。

4 試驗中出現(xiàn)的問題和注意事項

（1）由于大水槽比較深，試驗過程中水槽內(nèi)的光線比較暗，對于試驗現(xiàn)象的觀測和錄像的錄制造成一定的困難，暫時通過在地面架設(shè)一架照明燈，只對沉箱附近進行加強，對整個波浪的傳播過程觀測不到，所以在以后的試驗中應該解決這個問題。建議從造波側(cè)到消波側(cè)沿程在水槽邊壁上布置照明燈，但要注意燈的布置方式對吊車運行的影響。

（2）大水槽造波側(cè)和消波側(cè)分別設(shè)有出水口，模型放水時，如果兩側(cè)出水口速度不同就會造成沉箱下部基床的沖刷。由于本次試驗放水方式操作不當，基床下部的泥沙產(chǎn)生了沖刷變形，如果要對變形的地形重新恢復工程量比較大，所以在試驗開始注入水時就要注意。在開始注水時速度要慢，控制好出流速度和流量，技術(shù)人員一定要在現(xiàn)場，出現(xiàn)問題及時停止注水。

（3）半圓體沉箱為出水堤時，波浪傳播到結(jié)構(gòu)物前發(fā)生反射，反射波與從造波機傳入的入射波進行疊加，試驗結(jié)束造波機停止造波后，由于沉箱的阻擋，造波機與沉箱之間的波能消散的很慢，需要靜置很長一段時間。在本次試驗中采用人為吊入消波框的方式，數(shù)據(jù)采集完成后把消波框立刻吊入水里，加速波能的消散，等水靜止后再緩慢吊出，開始下一組試驗，可以節(jié)省試驗時間。本次試驗采用的是波浪整體物理模型試驗中使用的消波框，但對消波框的高度和自身寬度沒有進行詳細的研究。造波機的無反射功能完善后，在試驗造波完成后可以繼續(xù)輸入波高為0的參數(shù)繼續(xù)造波，也可以加速波能的消散。

（4）對于有塊石的基床，塊石從場外吊入水槽內(nèi)和試驗完成后從水槽內(nèi)吊出都十分費力，需要耗費大量的人力物力，本次試驗采用的是用人把塊石裝入網(wǎng)狀袋子的辦法，每個袋子重大約20 kg，雖然模型安裝和拆卸方便了很多，但是也耗費了大量的人力來裝塊石，希望在以后的試驗中找到更有效的解決方法。

（5）半圓體模型的制作費用近5萬元，軟粘土在水槽內(nèi)制作的人工費超過10萬元，軟粘土的制作時間近一個月，如果考慮軟粘土從水槽內(nèi)部取出，所花的人工費和時間會超過制作費用。大比尺水槽模型的建模成本和試驗成本遠遠大于小比尺水槽，所以在大比尺水槽建模過程中要提前做好施工方案，確定合理的試驗方法和施工步驟。在試驗過程中要合理選擇試驗組次和試驗順序。在試驗過程中要注意安全作業(yè)，確保人身安全。

［1］耿寶磊，鄭寶友，孟祥瑋，等.天科院大比尺波浪水槽的建設(shè)與應用前景［J］.水道港口，2014，35（4）：415-421. GENG B L，ZHENG B Y，MENG X W，et al.Construction and application prospect of the large scale wave flume in TIWTE［J］. Journal of Waterway and Harbor，2014，35（4）：415-421.

［2］張華慶.惡劣水文條件下港口水工結(jié)構(gòu)的破壞機理和設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究可行性研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2014.

［3］鄭劍鋒，馬巍，趙淑萍，等.重塑土室內(nèi)制樣技術(shù)對比研究［J］.冰川凍突，2008，30（3）：494-499. ZHENG J F，MA W，ZHAO S P，et al.Comparative study on the technology of rebuilding soil samples［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2008，30（3）：494-499.

［4］連衛(wèi)東，曹玉芬.煙臺港龍口港區(qū)防波堤波浪斷面試驗研究［J］.水道港口，2009，30（4）：286-289. LIAN W D，CAO Y F.Wave cross?sectional model test of breakwater in Longkou port［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（4）：286-289.

［5］王俊，李華軍.波浪在潛堤上傳播變形的試驗與數(shù)值研究［D］.青島：中國海洋大學，2014.

［6］陳杰，蔣昌波，曹永港，等.斜坡上潛堤透射系數(shù)實驗研究［J］.中國科技論文在線，2008，3（7）：517-523. CHEN J，JIANG C B，CAO Y G，et al.Experimental study of transmission coefficient of waves over submerged breakwater on aslop?ing bed［J］.Sciencepaper Online，2008，3（7）：517-523.

［7］劉占閣，欒茂田.波浪作用下海床累積孔隙水壓力響應與液化分析［D］.大連：大連理工大學，2008.

Preliminary research on test technology of wave and breakwater and foundation interaction in large scale wave flume

LIU Zhen,MENG Xiang?wei,JIANG Yun?peng,GE Long?zai
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

According to the project belongs to the Ministry of Transport construction technology,tests about the interaction between wave and structure and soft clay foundation will be carried out in the large scale wave flume. Because the soft clay foundation will be spent a lot of manpower,material and time,modeling and test cost is far greater than the small scale water flume,so the test is poor repeatability.Due to the lack of a similar experience in a large scale wave flume,the preliminary test was studied on the interaction between wave and semi?circular breakwa?ter and sand foundation.From the physical model design and making of the semi?circular caisson,how to layout and drill embedded sensors of soil and pore pressure,how to hoisting semi?circular caisson,test process and precautions were described.It provides a reasonable and feasible technology about the test of wave?structure?foundation interac?tion in large scale wave flume.

large scale wave flume;sand foundation;test technology

U 656.2；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0481-05

2015-07-28；

2015-11-02

交通運輸部建設(shè)科技項目（2013328224070）

劉針（1979-），女，河北省衡水人，副研究員，主要從事港口海岸及近海工程研究。

Biography：LIU Zhen（1979-），female,associate professor.