钱塘江排桩式丁坝上涌潮压力现场测试及数值分析.pdf

i 塑望叁兰塑主兰焦笙兰 陈海军2 0 0 6 摘要 钱塘江排桩式丁坝在涌潮作用下的受力性状直是工程界比较关注的问题。 本文以现场试验为基础对排桩式丁坝上的涌潮压力进行了比较系统的研究。 首先介绍了现场试验的基本情况，然后对试验数据进行整理和分析，得出了 排桩式丁坝上涌潮压力随时间和空间的变化情况。同时也为排桩式丁坝上涌潮压 力的理论分析和数值研究提供试验基础。 其次，在现场测试基础上，应用计算破波力的冲击绕流法，从单桩角度来分 析直立方桩上涌潮作用力，得出了计算单桩上涌潮作用力的半经验半理论公式， 并研究了冲击系数c t 与涌潮高度关系。 最后，采用标准七一s 紊流模型和v o f 法模拟了涌潮冲击排桩式丁坝全过程， 得出了丁坝附近的流场分布和自由水面的位置，研究了丁坝上的涌潮压力，并与 实测结果进行了对比，两者吻合良好。此成果有助于了解涌潮冲击桩式丁坝时的 水力特性以及丁坝的受力特性，为实际工程设计提供参考。 关键词：涌潮压力；排桩式丁坝；现场测试；方桩；冲击系数：数值模拟 浙江k 学硕l 学位论文酪每军2 0 0 6 a b s t r a c t t h em e e h a n i s mo ft h es h e e t p i l eg r o i nu n d e rt h ei m p a c to fb o r ei n q i a n t a n gr i v e rh a sn o tb e e ns o l v e ds i n c et h ea p p i i c a t i o no ft h es h e e tp i l e 0 nt h eh a s i so ft h ei n s i t ut e s to fb o r ep r e s s u r eo nt h es h e e tp il eg r o i n ， t h i sp a p e rm a k e sas y s t e m a t i cs t u d yo nt h eb o r ep r e s s u r eo nt h es h e e tp i l e g r ) 】n f i r s t l y ，t h ei n f o r m a t i o no ft h ei n s i t ut e s ti si n t r o d u c e d b a s e do n t h ea n a l y a i so fd a t aw h i c hi so b t a i n e dt h r o u g ht h ei ns i t ut e s t ，t h e p r i n c i p l eo fb o r ep r e s s u r eo nt h es h e e t p i i eg r o i nv a r i e dw i t ht i m ea n d s p a c e i sd i s c l o s e d s e c o n d l y ，t h ef o r c eo fv e r t i c a ls q u a r ep i l eu n d e rt h ei m p a c to fb o r e i ss t u d i e d t h es e m i e m p i r i c a lf o r m u l af o rt h ec a l c u l a t io no ft h ef o r c e i so f f e r e da n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ei m p a c tc o e f f i c i e n ta n dt h et i d e h e i g h ti ss t u d i e d f i n a l l y t h es t a n d a r d 女一ot u r b u l e n c em o d e la n d v o ff o rs u r f a c e t r a c k i n ga r ea p p l i e dt on u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eb o r ea g a i n s tt h e s h e e t p i l eg r o i n t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wf l o wf i e l d s ，t h ep o s i t i o n o ff r e es u r f a c ea n dt i m eh i s t o r ya n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fb o r ep r e s s u r e o nt h es h e e t p i l eg r o i n t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa n d t h et e s tr e s u l t ss h o w sag o o da g r e e m e n t t h e s er e s u l t ss e r v ea sau s e f u l r e f e r e n c ef o rf u t u r ed e s i g no fs h e e t p i l eg r o i n k e y w o r d s ：b o r ep r e s s u r e ：s h e e t p i l eg r o i n ：i n - s i t u t e s t ：s q u a r ep i l e i m p a c tc o e f f i c i e n t ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 塑垩盔兰堡：! ：= 堂些堕兰 陈海军2 0 0 6 第一章绪论 1 1研究背景及意义 世界闻名的钱塘江涌潮是由于杭州湾的特殊地形所引起的。由于种神历史原 因使得钱塘江的入海口杭州湾呈喇叭形地形，平面形状向内急剧收缩，如在出 海口扬子角宽约1 0 0k m 左右，至闸口附近江面宽度己束窄到约1 k m 左右( 图11 ) 。 当天文潮自东海形成并沿杭州湾溯流丽上时，潮能增加的能量大于摩擦所损失的 能量，潮差向内递增，波峰的传播速度大于波谷的传播速度，在一定的时间范围 内，波峰最终将赶上波谷。潮差的不断增大及波峰的不断的追赶，使得潮波前峰 在传播过程中，会在潮波的前端出现直立的水体，从而形成世界闻名的涌潮。 姚 市 图1 1 钱塘江河口平面图 钱塘江涌潮汹涌，尤其是河口涌潮潮头高、流速快，涌潮破坏力极强。在强 涌潮河段，涌潮对建筑物如沿岸结构、防波堤等有很大的破坏力。在1 9 8 3 年至 1 9 9 0 年之间，由于涌潮的原因，仅在杭州湾就有2 5 1 艘船只沉没，9 人死亡。 丁坝是江道整治、护岸工程中的常用建筑物，利用丁坝群的整体作用，挑流 促淤、保滩护岸，为海塘的安全运行起到了极为重要的作用。我国的松花江、漳 塑望查雯堡主兰篁堡苎 陈海军2 0 0 6 河、长江、钱塘江、珠江、汉江等各大河道都分布着大量的丁坝群。在世界各国 如美国、法国、r 本等也广泛采用丁坝作为护岸导流的水工结构。 钱塘江的护岸丁坝建造史可追溯至清雍正年间，乾隆5 年( 公元1 7 4 0 年) 完工的塔山坝是第一座堆石坝。近三百年来，围绕着堆石坝坝身、坝头、坝根的 保护问题，实践了许多方法。早期，堆石坝表面采用装填块石的竹笼保护，1 9 2 8 年在钱塘江七格湾杭州西兴，兴建了第一批采用砼护面的丁坝群，1 9 5 0 年以后， 在海宁老盐仓至大缺口一带修建了大量的丁坝群用以保护钱塘江北岸明清老海 塘。上世纪六十年代开始的钱塘江河口治理中修建了大批的长丁坝用于河势控 制。至今，钱塘江两岸仍有三百余座丁坝发挥着挑流促淤、保滩护岸的作用。 钱塘江的护岸丁坝应用广泛、历史长，但传统形式的丁坝最大的缺点就是基 础偏高，结构松散，受力面积大，在过坝水流及强涌潮作用下，河床刷深，经常 在坝头、坝身上游坡脚和坝根三个部位均发生较大较深的冲刷坑，从而导致坝脚 挂空、坝身断裂、坝头冲失，直至丁坝失稳破坏。而险情往往从低水位以下部位 开始，早期难以发现，给日常抢险维护带来较大困难，始终存在着保护困难、屡 修屡坏的顽疾，长期以来得不到有效根治，每年被动抢险，两岸3 0 0 余座丁坝年 运行维护费用达1 0 0 0 万元以上。近几年来采用坝头挂桩、丁坝上游侧增设平台 立墙、坝根部位附加导流墙以及八字脚等工程措施缓解丁坝的局部险情，但沿线 丁坝每年的维修任务依然十分繁重。为彻底改变这种被动局面，工程技术人员提 出了一种可生根的排桩式丁坝结构型式，即以排桩为主体并通过连系梁加以连接 形成的排桩式直立丁坝。排桩式丁坝的基础很深，基本不依赖堆石防护，自：身便 能维持稳定，有效地解决了丁坝的稳定性问题，因而和传统型式的堆石丁坝相比， 不易损毁，运行期维修工程量小，较堆石丁坝经济，并且避免了频繁抢修的弊端。 钱塘江北岸险段海塘的排桩式丁坝群自2 0 0 1 年开始建造，至2 0 0 4 年初，已 建成4 个桩式丁坝群，共4 6 座丁坝。4 个丁坝群中，大荆场、七里庙、旧仓3 个丁坝群是新建造的，十堡丁坝群原先是堆石丁坝群，此次在原丁坝之间，新增 加了5 座桩式丁坝；4 6 座桩式丁坝中，1 3 # 丁坝建造1 5 米后废除。 在建成一批排桩式丁坝后，人们首要关心的是这种结构型式的丁坝的受力稳 定问题。而目前工程界通常只能用一些简单的桩基设计方法对其设计，设计过程 中的涌潮压力问题一直没有得到很好地解决，对其机理的认识基本停留在经验层 塑至墨兰型! ! ：兰垡堡茎 陈海军2 0 0 6 面上，设计的安全性及经济性无法得到保证。涌潮作用下排桩式丁坝受力机理是 一个复杂的动力问题，亟待科研人员深入研究，1 以指导工程设计和旋工。 1 2 涌潮压力研究现状 目前对涌潮压力的研究分为物理试验( 包括原型观测和模型试验) 、理论研 究和数值模拟三种方法。 1 2 1 物理试验 迄今为止，已有很多学者对钱塘江涌潮进行了模型试验和现场观测，但是对 排桩式丁坝上涌潮压力的测试尚未见于文献。 陈希海等在织物模袋混凝土护坦在钱塘江海塘初次应用中，进行了涌潮压力 测试，测试内容包括：1 ) 织物模袋混凝土护坦顶面和底面的涨潮压力过程；2 ) 涌潮动力强度，即涌潮高度、涌潮潮头行进速度、涌潮传播方向和涨潮流速过程 及其垂线分布；3 ) 低水位和高水位。并在现场测试资料基础上，分析了涌潮对护 坦稳定的影响l ”。周胜等对钱塘江涌潮进行了原型观测，得到了涌潮高度、涌潮 传播速度和陡度、涌潮流速及压力等现场实测资料，并以此入手分析了水下防护 建筑物不耐涌潮冲击的原因，提出了保护丁坝的整体配套水下防护体系口j 。陈希 海认为影响涌潮的主要因素可归纳为潮汐、山水、江道地形和风四大类，并利用 沿程岸边大潮涌潮观测等资料，采用统计分析法来估算沿程岸边较大涌潮高度， 然后基于涌潮动力测试和现场涌潮破坏现象的分析，对经常遭受涌潮作用的工程 建筑，提出了一些工程施工建议3 l 。杨永楚等对排桩式丁坝的设计进行了初步探 讨研究 4 】，但是对于结构体系和荷载都做了许多假定和简化，给结构的安全性和 经济性带来一定问题。林炳尧等迸行了涌潮翻越丁坝的水槽试验，研究了涌潮作 用下堆石丁坝上游护面板内、外水压力及两者压力差，提出了降低内外压力差的 工程措施l ”。林炳尧在排桩式丁坝模型试验基础上研究了丁坝不同部位的局部冲 刷及涌潮冲击力问题，认为涌潮破碎后，对露于潮前水位的物体会有较大的冲击 力，潮前水位以下建筑物受到的涌潮压力较小 6 】，并得出了一些对工程中排桩式 丁坝上涌潮压力设计有意义的结论。赵渭军等在水槽中采用动床模型试验研究了 涌潮作用下不同透水率的排桩式低丁坝群的水力学冲淤特性，并探讨了低丁坝的 浙江k 学硕i 学位论文 陈湘牟2 0 0 6 护滩保塘机理l j l 。但其研究方向主要集中于丁坝的水力冲淤特性，未进行丁坝上 涌潮压力方面的研究。杨火其等通过对强涌潮作用下排桩式丁坝局部冲刷的试验 研究以及钱螗江河口直立式丁坝局部冲剧的调查分析认为在以粉砂土为基础的 强潮河口利用抛石护桩可大大地缩短板桩的长度及减少截面尺寸，从而达到减少 投资和增强排桩式丁坝自身稳定性的目的。通过模型试验，研究了强潮河口排桩 式丁坝在块石防护下不同部位的局部渖刷特性f 。鄂卫云等对钱塘江六桥桥墩上 所受正面涌潮压力进行了全过程的动态测试，认为涌潮压力值在涌潮所引起的静 水压力附近波动，涌潮压力沿水深近似呈线性规律分布一】，然后利用波浪力经验 公式对桥墩上的涌潮压力进行计算，并与实测结果进行对比和分析，认为用于涌 潮压力初步估算的理论有浅水长波理论和驻波理论”】。迄今为止，除了我们2 0 0 2 年对排桩式丁坝上的涌潮压力进行过现场测试，尚未见到关于排桩式丁坝上涌潮 压力的研究。 1 2 2理论研究 物理试验方法在以往的水利工程建设以及水力学研究中起到极为重要的作 用，但也应看到这种方法费工费时，而且模型试验还存在比尺效应的问题。目前， 涌潮压力的理论研究通常把涌潮看作一种浅水长波或驻波，然后用相应的理论计 算涌潮压力，但此方法的计算结果与实测结果仍有一定的差距。 排桩式丁坝可以看成是由并列式单桩组成的上部相互联系的群桩，一般都是 透水的，桩与桩之间存在一定的间距。因此研究丁坝上的涌潮压力可以先从单桩 角度来着手，探求涌潮作用下单桩的受力机理及计算单桩上涌潮作用力的方法。 由于涌潮潮头形状与卷破波波前形状相似，因此可以采用计算破波力的冲击一绕 流法来计算直立方桩上的涌潮作用力。 g o d a 推导了直立圆柱在破碎波冲击下的冲击力计算公式，得出冲击系数的 理论值c 。：”，并提出计算破碎波冲击直立桩柱的破波力的冲击一绕流法】。此 方法将破碎波对桩柱的作用区分成两个部分：上部分为冲击部分，下部分为波动 水体绕流部分。冲击部分的作用力是由于破碎时变成直立的波峰前部与圆柱发生 撞击所引起；在波表面破碎区以下的波浪力可以用m o r i s o n 公式来计算。随后， 许多学者通过试验得出不同的冲击系数c t ，m i l l e r 得出e 6 0 1 2 】，s a r p k a y a 得 4 塑里叁主堡! ：堂篁堡苎 陈海车2 0 0 6 出c 31 7 - - + o 0 5 。在g o d a 理论的基础上，s a w a r a g i 认为总的破波力表达式 除了_ 7 申击力、绕流力之外，还应考虑破碎波与谣柱接触时圆柱永菘周函高度不一 引起的压力差睁3 。a p e l t 发现此作用力取决于。，h 。为破碎波高，他们把。看 作类似于k e u l e g a n c a r p e n t e r ( k c ) 常数( k c - u 。，u 。水平方向最大速度t 为波的周期) | j 、 。a l e x a n d e r 研究了在破碎波冲击下的浅滩上圆柱的破波力，得 出c 值为1 9 1 6 8 16 o 董园海通过实验室物理模型试验，对小尺度垂直方桩正 向破波力问题进行了初步探讨，给出了破波力的计算公式i ” 。徐兴平在冲击绕流 法基础上又提出了计算破波力的绕流一绕流一冲击法，并与实测结果进行了对比 i s 。 1 2 3 数值模拟 近年来，随着数值计算方法的日益成熟和计算机硬件技术的飞速发展，使利 用数值方法分析复杂的流动成为可能。已有不少学者利角此方法分析水力学中典 型的流动现象，并且获得了较理想的成果。m o h a p a t r a 采用g e n s m a c 与y - v o f 相结合的方法模拟了涌波冲击直墙，获得了作用于墙上的最大作用力及涌波的爬 升高度”。l 。s h e n 等采用v o f 方法对波浪翻越淹没潜堤的过程迸行了数值模拟， 并且模型中考虑了波浪破碎的影响1 2 0 1 。王永学应用二维数值波浪水槽模型，研究 了实际工程防波堤上的破波压力分布，并与试验结果与规范方法进行了比较【2 ”。 万德成等用人工压缩法和差分法求解二维n a v i e r - g t o k e s 方程，用施主一受主法 求解流体体积函数控制方程，通过数值计算得出了孤立波翻越直立方柱的流场和 压力值，并成功地模拟出波浪涌顶、水柱喷射、冲击和界面破碎的过程 2 ”。李志 勤等对溢流丁坝附近的自由水面迸行了实验研究，并应用v o f 方法和标准的 七一模型耦合求解控制方程，对丁坝附近的流场进行了模拟，比较理想地反映 出丁坝附近的流场特性 2 引。刁明军等采用二维紊流模型及v o f 方法对挑流消能从 库区到下游水垫塘进行了全程水气二相流二维数值模拟，模拟了射流的空中轨迹 线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能七及紊动能 耗散率s 分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证。滕爱国等从 n a v i e r - s t o k e s 方程出发，采用修正的k 一方程，作为紊动波浪场的控制方程， 塑坚叁兰堕： 兰些堡苎 陈衔车2 0 0 6 出c 3 1 7 0 0 5 j lo 在g o d a 理论的基础上，s a w a r a g i 认为总的破波力表达式 除了冲击力、绕流力之外，还应考虑破碎波与圆柱接触时圆柱水面周围高度小一 引起的压力差| 一。a p e l t 发现此作用力取决于，。为破碎波高，他们把。看 作类似于k e u l e g m l c a r p e n t e r ( k c ) 常数( k c = u 。，u ，。水平方向最大速度，1 为波的周期) i _ ”。a l e x a n d e r 研究了在破碎波冲击下的浅滩上圆柱的破波力，得 出c 值为1 9 卜6 8 l “。董国海通过实验室物理模型试验，对小尺度垂直方桩正 向破波力问题进行了切步探讨，给出了破波力的计算公式l 。徐兴平在冲击绕流 法基础上又提出了计算破波力的绕流一绕流冲击法，并与实测结果进行了对比 1 1 s t 。 1 2 3 数值模拟 近年来，随着数值计算方法的日益成熟和计算机硬件技术的匕速发展，使利 用数值方法分析复杂的流动成为可能。已有不少学者利用此方法分析水力学中典 型的流动现象，并且获得了较理想的成果。m o h a p a t r a 采用g e n s m a c 与y - v o f 相结合的方法模拟了涌波冲击直墙，获得了作用于墙上的最大作用力及涌波的爬 升高度i “1 。s h e n 等采用v o f 方法对波浪翻越淹没潜堤的过程进行了数值模拟， 并且模型中考虑了波浪破碎的影响l “i 。王永学应用二维数值波浪水槽模型，研究 了实际工程防波堤上的破波压力分布，并与试验结果与规范方法进行了比较口”。 万德成等用人上压缩法和差分法求解二维n a v i e r - s t o k e s 方程，用施主一受主法 求解流体体积函数控制方程，通过数值计算得出了孤立波翻越直立方柱的流场和 压力值，并成功地模拟出波浪涌顶、水柱喷射、冲击和界面破碎的过程口j 。李志 勤等对溢流丁坝附近的自由水面进行了实验研究，并应用v o f 方法和标准的 k g - 模型耦合求解控制方程，对丁坝附近的流场进行了模拟，比较理想地反映 出丁坝附近的流场特性口”。刁明军等采用二维紊流模型及v o f 方法对挑流消能从 库区到下游水垫塘进行了全程水气二相流二维数值模拟，模拟了射流的空中轨迹 线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能t 及紊动能 耗散率s 分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证 2 4 1 。滕爱国等从 n a v i e r - s t o k e s 方程出发，采用修正的k f 方程，作为紊动波浪场的控制方程， n a v i e r - s t o k e s 方程出发，采用修正的k f 方程，作为紊动波浪场的控制方程， 望! 望叁兰堡! 兰堕堡兰 陈海军2 0 0 6 采用修正的v o f 方法跟踪自由表面，应用施主与受主单元模型求解流体体积函 数f 的输运方程，通过数值计算成功地模拟出椭余波通过潜堤时波面的变形过程 。“。朱军政等采用可以模拟自由表面破碎的v o f 数值方法，模拟涌潮翻越堆石 丁坝的过程，得到了定床情况下丁坝上游任意点任意瞬间的时均流速分布l ”：。目 前，对钱塘江涌潮一维、二维的数值模拟已经为数不少l 。】“：，但大部分研究方 向集中于大面积水域内涌潮的数值模拟，研究涌潮冲击排桩式丁坝时丁坝附近的 水力特性以及丁坝上涌潮压力的文章甚少。 1 3 论文工作的主要内容 鉴于目前工程应用和理论研究的需要，本文以现场试验为基础，结合前人研 究的一些成果，运用理论分析和数值计算的方法，完成如下工作： 1 、在现场实测基础上，对试验数据进行了整理，研究了排桩式丁坝上涌潮 压力随时间和空间的变化情况，同时也为排桩式丁坝上涌潮压力的理论分析和数 僵研究提供试验基础。 2 、应用计算破波力的冲击一绕流法，对直立单桩上的涌潮作用力进行了计 算，并与实测结果进行对比。然后又在实测基础上，研究了冲击系数c 与涌潮高 度的关系。 3 、采用标准七一紊流模型和追踪自由水面的v o f 方法对涌潮冲击排桩式 丁坝进行了数值模拟，得出了丁坝附近的流场分布和自由水面的位置，研究了丁 坝上的涌潮压力，并将数值模拟结果与实测结果进行了对比。 6 镬塑坚叁兰塑! 兰堡堡兰 陈海军2 0 0 6 第二章排桩式丁坝上涌潮压力现场测试 2 1引言 钱塘江涌潮汹猛，尤其是河口涌潮潮头高，流速快，破坏力强，在强涌潮河 段，涌潮对沿岸的结构建筑物有很大的破坏力。排桩式丁坝为种新型的丁坝结 构，在钱塘江治理中发挥着阻流促淤，护塘保堤的作用，但在其设计过程中的涌 潮压力荷载一直是一个工程界比较关注的问题。 目前，涌潮压力还没有一个明确的概念，一般认为涌潮压力是涌潮作用下建 筑物表面的压力，也有学者认为涌潮压力是涌潮对建筑物产生的冲击力。实际工 程设计旌工中，丁坝受力的主要影响因素是丁坝两侧的水压力差，而不是某一侧 面上的压力，所以我们把排桩式丁坝两侧的水压力差称为丁坝上的涌潮压力。迄 今为止，已有很多学者对钱塘江涌潮进行了模型试验和现场观测，但是对排桩式 丁坝上涌潮压力的测试未见于文献。 为了比较全面的反应排桩式丁坝保塘护堤的作用，以及在强涌潮作用下的受 力特性和稳定性，于2 0 0 2 年9 月2 1 日至2 0 0 2 年9 月2 8 日期间( 阴历八月十五 至八月二十二) 在钱塘江盐官河段对排桩式丁坝上的涌潮压力、桩身内力、土压 力、丁坝位移等进行了系统的测试，本文仅对丁坝上的涌潮压力进行研究。 本次测试的排桩式丁坝位于海宁盐官河段七里庙，桩号6 2 + 0 0 0 。采用双排 桩型式，建筑丁坝的钢筋砼预制板桩的桩长在坝根、坝身处为1 l m ，坝头处为 1 8 m ，断面尺寸都为2 5 3 5 c m ，前排桩( 下游桩) 设钢筋砼帽梁4 0 5 0 c m 。双 排桩的两排桩内侧间距为4 0 0 0 m ，每隔1 , 5 0 0 m 设钢筋砼连系梁5 0 5 0 c m 。整 个丁坝及其测点的平面图见图2 1 。 一j 图2 1 丁坝测试平面图( 单位：c m 】 8 塑望查兰堡! ：兰堡堡塞 2 2 现场测试 陈海军2 0 0 6 2 2 1 试验设备及过程 ( 1 ) 测试设备 选用压阻式液位变送器作为主要的涌潮压力传感器，它具有可靠性高、长期 稳定性好、故障率低、安装使用方便等优点，广泛应用于液位测量和控制，其精 度等级达o 5 。由于钱塘江涌潮汹涌，夹杂物较多，为了能够采集到足够的有 效数据，除了用小钢筋笼保护液位变送器，还把钢弦式应力仪作为另一套涌潮压 力传感器，以确保测试成功。 ( 2 )测试设备的布置 由于涌潮夹杂着大量的泥砂、石块，为保护压力传感器，将传感器预先固定 在铁架并做小的钢筋笼外壳，钢筋笼在各个方向都有足够的透水面，以便水压力 同步传入传感器压力膜片。最后用抱箍把铁架固定在测试桩上，传感器信号导线 引到丁坝顶并用一对角铁固定、保护引至坝根处，再用高架的方式引至现场的监 测房。 在坝头和坝根两处分别布置测试传感器。传感器的测点布置主要考虑涌潮压 力在断面上的垂向分布。每处在高点、中点、低点同时布置液位变送器和钢弦式 应力仪。布置情况详见图2 2 。 塑坚- 丈兰堡! ：兰些堡兰 陈海车2 0 0 6 ( 3 )测试原理 匣嘎幸圈中爵槛为复辊高程n 计茸采阻m 计 吕；嚣；：；爹 图2 2 涌潮压力测点布置图 在测试点固定压力传感器( 包括液位变送器，钢弦式应力仪) 。钢弦式应力 仪承受涌潮压力作用后发生相应膜片变形并由此产生电阻信号变化，经动态电阻 应变仪检测放大，再将此随涌潮压力大小变化的信号电流输入v i b s y s 振动信 号采集、处理和分析程序系统。液位变送器对液体压力测量的基本原理，就是利 用半导体硅材料的压阻效应及流体力学原理，把液体压力，通过变送器转换成标 准的4 2 0 m a d c 电流( 或电压) 信号输出，从而建立起电信号与液体压力的线 性对应关系，实现对液体压力即液位的测量与控制。 ( 4 )测试过程 本次观测采用非电量电测原理。将基本量测对象一压力经转换元件转换成微 电量信号。微电量经滤波、放大、调整后馈送至响应的系统进行检测、记录和处 理。本次观测的测试系统主要由应变传感器、动态应变仪、数据采集装置和计算 机组成，其流程如图2 3 所示。 塑垩叁兰塑主兰堡笙茎 陈海军2 0 0 6 2 2 2 试验成果 ( 1 ) 潮水位过程线 图2 3 测试流程图 在涌潮到达后的数十秒( 一般是三，四十秒) ，水位不断上涨；之后水位有 一个明显的回落过程，持续2 3 分钟后，水位再开始持续上涨。在快水来时， 又会会出现一个峰值( 见图2 4 ) 。 承往高程c t j 承位商程 m ) 。1 蚰z 3 4 0 05 蝴 45 时问【g ) 0l d o2 0 03 0 04 0 05 0 d 6 0 0 ( a ) 9 月2 4 日下午坝头处潮水位过程线( b ) 9 月2 5 日凌晨坝头处潮水位过程线 图2 4 潮水位过程线 ( 2 )涌潮压力发展过程 经实地观察和测试分析，在盐官段，涌潮潮头过后1 2 分钟，水位较低， 液面平静，紧随有一股快水急流过程，流速脉动和压力脉动较大，5 分钟后渐趋 平稳，但在潮头后1 2 1 5 分钟又有明显的流速、压力加大的现象出现。 由于现场测试试验中，现场测试环境恶劣，测试传感器布置困难，仅在丁坝 迎潮面一侧布置了测点，因此试验中液位变送器和钢弦式应力仪测得的压力为丁 !i 7 l i 4 塑垩奎兰堕主兰篁堡苎 陈海车2 0 0 6 坝单侧的水压力( 测试结果见图2 5 ) 。 在涌潮冲击丁坝过程中，影响丁坝受力稳定性的主要因素是丁坝两侧的水压 力差，即丁坝上的涌潮压力。在涌潮涌过丁坝之后，丁坝两侧的水面基本持平， 丁坝背潮面处也会受到水压力的作用，此时实测压力不能反映丁坝整体受力情 况。所以要结合潮水位过程线对实测数据进行整理，得出排桩式丁坝上涌潮压力 时程曲线( 见图2 6 ) 。 5 0 4 5 4 0 3 5 d 喜3 0 奋2 5 篓2 0 1 5 1 0 5 0 + 9 月2 1 日晚潮 9 月2 5 日早潮 024681 01 2 时间( s ) 图2 5 坝头2 8 m 高程处实测压力时程曲线( 单侧压力) 塑坚查堂堡：l 兰堡笙兰 陈海军2 0 0 6 气 墨 一 r 出 鼹 熙 d24681 01 2 时间( s ) 图2 6 坝头2 8 m 高程处涌潮压力时程曲线 从图2 4 可以看出丁坝上的涌潮压力随时间的变化过程：涌潮冲击排桩式丁 坝时，涌潮压力急剧增大，约2 s 后涌潮压力达到最大值。达到最大值之后，有 一段下降的过程，其持续时间一般为1 2 s 左右。随后涌潮压力趋于稳定，虽然 由于流速的变化，涌潮压力略有波动，但变化范围不大。 ( 3 ) 排桩式丁坝上实测压力峰值列表 表2 1 - - 2 1 4 为桩式丁坝上的实测压力峰值表( 单位：k p a ) ，其中布置在坝 头处低、中、高点的液位变送器的高程分别为3 1 m 、4 1 m 、5 1 m ，布置在坝头 处低、中、高点的钢弦式应力仪的高程为2 8 m 、3 8 m 、4 ，8 m 。布置在坝根处低、 中、高点的液位变送器的高程分别为3 8 m 、4 8 m 、5 8 m ，布置在坝根处低、中、 高点的钢弦式应力仪的高程为3 5 m 、4 5 m 、5 5 m ( 具体布置见图2 2 ) 。 蚰 8 孤 强 加 侣 化 5 0 堑坚盔兰堡兰兰垡堡塞 陈海车2 0 0 6 表2 1 9 月2 1 同晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 1 日( 阴历八月十五) 晚潮 潮前水位29 0 m 潮高1 6 0 m 流速48 0 m s 坝头坝根 中点67 1中点 28 8 液位变送器液位变送器 低点1 6 6 3低点 l30 5 钢弦式应力中点 97 9 钢弦式应力 低点9 9 6 仪 低点1 9 7 8 仪 表2 29 月2 2 目早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 2 日( 阴历八月十六) 早潮 潮前水位2 9 5 m潮高1 6 5 m流速4 7 0 m s 坝头坝根 中点 75 0中点3 0 8 液位变送器液位变送器 低点1 7 8 6低点 1 3 6 9 钢弦式应力中点1 0 2 4钢弦式应力 低点 l o 4 5 仪低点2 1 0 6仪 表2 39 月2 2 日晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 2 日( 阴历八月十六) 晚潮 潮前水位28 5 m 潮高7 5 m流速4 8 5 m s 坝头坝根 中点83 1中点 3 3 8 液位变送器液位变送器 低点 2 0 3 6 低点 1 6 0 7 钢弦式应力 中点1 1 7 6 钢弦式应力 低点 1 0 4 4 仅低点2 3 ，8 4仪 表2 49 月2 3 日早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 3 日( 阴历八月十七) 早潮 潮前水位2 9 0 m潮高1 8 0 m流速4 8 7 m s 坝头坝根 中点1 0 8 6中点 5 7 4 液位变送器液位变送器 低点2 2 2 5低点 1 7 6 4 钢弦式应力中点1 3 - 3 7钢弦式应力 低点 1 4 8 1 仪 低点2 4 3 8 仪 4 塑垩查兰堡! 兰垡堡壅 陈海军2 0 0 6 表2 59 月2 3h 晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 3 日( 阴历八月十七) 晚潮 潮前水位2 8 5 m潮高2 o o m流速5 o o m s 坝头坝根 中点1 4 7 2 中点 85 3 液位变送器液位变送器 低点 2 71 6 低点 2 46 6 钢弦式应力 高点 5 3 4 钢弦式应力 中点 68 5 中点1 78 6 仪仪 低点 3 l _ 1 8 低点 1 9 0 4 表2 69 月2 4 日早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 4 日( 阴历八月十八) 早潮 潮前水位2 8 0 m 潮高9 0 m流速4 8 3 m s 坝头坝根 中点9 5 2中点 5 2 8 液位变送器液位变送器 低点2 4 3 0低点 1 65 4 钢弦式应力中点 1 2 7 2 钢弦式应力 低点 1 3 8 4 仪 低点2 8 4 1 仪 表2 79 月2 4 日晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 4 日( 阴历八月十八) 晚潮 潮前水位2 7 5 m潮高2 1 0 m流速52 1 m s 坝头坝根 中点 1 7 5 5中点 9 6 8 液位变送器 液位变送器 低点 3 0 6 7 低点 2 6 0 4 钢弦式应力 高点4 0 5 钢弦式应力 中点 5 3 7 中点2 2 3 l 仪仪 低点3 3 0 7低点 2 1 4 6 表2 89 月2 5 日早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 5 日( 阴历八月十九) 早潮 潮前水位2 8 5 m潮高2 2 0 m流速5 4 7 m s 坝头坝根 高点4 7 2 中点 1 36 7 液位变送器 中点1 8 2 7 液位变送器 低点3 2 5 l低点 2 6 6 7 钢弦式应力 高点8 2 4 钢弦式应力中点 8 5 l 中点 2 4 9 3 仪仪 低点 3 7 8 5 低点 2 56 3 堂坚查兰塑! 兰竺堡兰 陈海军2 0 0 6 表2 99 月2 5 日晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 5 日( 阴历八月十九) 晚潮 潮前水位2 8 5 m 潮高2 1 0 r e流速5 0 0 m s 坝头坝根 中点 1 58 5 中点 1 08 6 液位变送器液位变送器 低点 2 91 2低点 2 48 1 钢弦式应力 商点 5 7 1 钢弦式麻力中点 52 9 中点 2 23 8 仪仪 低点 3 23 0 低点 2 12 4 表2 1 09 月2 6 日早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 6 日( 阴历八月二十) 早潮 潮前水位2 9 5 m潮高2 o o m流速5 ，1 0 m s 坝头坝根 中点 1 35 5中点 9 2 1 液位变送器液位变送器 低点 2 6 8 5低点 2 2 1 0 钢弦式应力 高点 4 3 8 钢弦式应力 中点46 2 中点 1 6 9 2 仪仪 低点 3 1 6 1低点t 6 ，0 6 表2 1 19 月2 6 日晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 6 日( 阴历八月二十) 晚潮 潮前水位2 9 5 m潮高2 1 5 m 流速4 9 0 m s 坝头坝根 高点2 7 8 中点 91 8 液位变送器中点1 6 1 3液位变送器 低点 2 8 4 9低点 2 2 5 5 钢弦式应力 高点 5 4 6 钢弦式应力 中点 5 9 0 中点 2 07 6 仪仪 低点 3 3 1 3低点 1 9 0 0 表2 1 29 月2 7 日早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 7 日( 阴历八月二十一) 早潮 潮前水位2 8 5 m潮高1 7 5 m 流速4 8 5 m s 坝头坝裉 中点 8 6 2中点 4 3 l 液位变送器 液位变送器 低点2 0 3 8低点 1 6 7 5 钢弦式应力 中点 1 1 8 5 钢弦式应力 低点1 1 ，4 l 仪 低点 2 3 3 3 仪 塑坚查兰堡! 兰垡堡：! j ! ； 陈海军2 0 0 6 表2 1 39 月2 7 日晚潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 7 日( 阴历八月_ 二十一) 晚潮 潮前水位2 8 0 m潮高 7 0 m 流速47 2 m s 坝头坝根 中点7 3 l中点 35 2 液位变送器液位变送器 低点1 8 0 4低点1 45 铜弦式虑力中点1 0 2 7钢弦式应力 低点1 29 仪 低点 2 16 7 仪 表2 1 49 月2 8 同早潮实测压力峰值( 单位：k p a ) 9 月2 8 日( 阴历八月二十二) 早潮 潮前水位28 0 m潮高 4 0 m 流速43 0 m s 坝头坝根 中点 3 6 3 液位变送器液位变送器 低点 9 2 4 低点1 04 4 钢弦式应力 中点63 7 钢弦式应力 低点 7 3 9 仪低点1 4 2 5仪 ( 4 ) 排桩式丁坝上涌潮压力沿垂线方向上的分布 将2 1 日到2 7r 沿排桩式丁坝垂线方向上分布的涌潮压力测试所得结果进行 线性回归分析，其结果见图2 7 2 3 2 。 图2 79 月2 1 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 浙江大学硕士学位论文陈海军2 0 0 6 图2 89 月2 1 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 99 月2 2 臼早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 1 0 9 月2 2 日早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 浙江大学埘l 学位论文陈悔军2 0 0 6 3 0 一2 5 呈2 0 丢1 5 鐾1 0 葵5 o v = 一1 20 2 2 x 十5 75 确、 测点吴淞高程( m ) 图2 1 19 月2 2 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 1 29 月2 2 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 1 39 月2 3 日早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 、哳江人学倾士学位论文陈海军2 0 0 6 z u 1 8 1 6 邑1 4 考1 2 r 1 0 斟8 ，_ 疑6 喾4 2 2 533 544 5 5 测点吴淞高程( i f 1 ) 图2 ，1 49 月2 3 日早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 ，1 59 月2 3 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 1 69 月2 3 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化盐线 浙江大学倾士学位论文 陈海军2 0 0 6 图2 1 79 月2 4 日早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 1 89 月2 4 同早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 1 99 月2 4 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 浙江大学硕士学位论文 陈海军2 0 0 6 图2 2 09 月2 4 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 2 19 月2 5 日早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 2 29 月2 5 曰早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 浙江大学硕1 1 学位论正 陈海：车2 0 0 6 弘 厂、3 0 呈2 5 2 0 奋1 5 蓬1 0 v ：一1 32 6 l x + 7 。l a h 5 2 533 544 5 5 测点吴淞高程( m ) 图2 2 39 月2 5 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 ，2 49 月2 5 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 2 59 月2 6 日早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 浙江大学顷i 学位论文 陈海军2 0 0 6 z b 2 0 、 基 专1 5 r 鹾1 0 歪 爨5 n 33 544 55 测点吴淞高稃( m ) 图2 2 69 月2 6 日早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图z 2 79 月2 6 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 2 89 月2 6 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 浙江夫学硕【i 学位论文陈海军2 0 0 6 z b 2 0 卫 e1 5 长 拦1 0 v = 一1 15 1 l x + 5 5 7 盲卜 麓 熙5 n u 2 5 33 544 5 测点吴淞高程( m ) 图2 2 99 月2 7 日早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 3 09 月2 7 日早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 图2 3 19 月2 7 日晚潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 塑坚查兰堕! 兰垡堡苎 陈海军2 0 0 6 图2 3 29 月2 7 日晚潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 表2 1 5 是数据拟合成线性曲线时的相关系数，除了少部分外，大部分的相 关系数大于o 9 8 0 ，说明涌潮压力在垂直方向上线性相关系数较大，用线性拟合 完全可行。 表2 1 5 拟合过程中的相关系数 9 月2 1 晚潮9 月2 2 早潮9 月2 2 晚潮 9 月2 3 早潮9 月2 3 晚潮 坝头坝根坝头坝根坝头坝根坝头坝根坝头坝根 0 9 9 9 90 9 9 9 80 9 9 9 60 9 9 9 50 9 9 9 90 9 9 9 609 9 6 10 9 9 9 909 9 9 70 9 9 0 3 9 月2 4 早潮9 月2 4 晚潮 9 月2 5 早潮 9 月2 5 晚潮9 月2 6 早潮 坝头坝根 坝头 坝根坝头坝根 坝头坝根坝头坝根 0 9 9 8 0 0 9 9 9 4 0 9 8 8 2 0 9 9 9 7 0 8 5 5 2 0 9 8 7 30 9 9 1 50 9 9 8 00 9 9 9 1 0 9 9 1 3 9 月2 6 晚潮9 月2 7 早潮9 月2 7 晚潮 ( 部分测试由于数据较少，未进行相关系 坝头坝根坝头坝根坝头坝根 数分析) o - 8 5 5 9 0 9 9 9 2 0 9 9 9 70 9 9 9 6 由图2 7 2 3 2 可以得出丁坝上涌潮压力在空间上的分布情况：涌潮冲击排 桩式丁坝时，在潮前水位处丁坝上的涌潮压力最大，潮前水位以上丁坝上的涌潮 压力沿水深呈线性规律分布。 2 3 结论 本次测试是规模较大，测试内容较全面的测试，获得了大量的现场实测数据。 通过对实测数据的整理分析，可以得到以下几点结论： 1 、通过现场实测，获得了钱塘江排桩式丁坝上的涌潮压力时程曲线，得出 堑望查兰堡! 兰堡堡苎 陈海军2 0 0 6 了丁坝上涌潮压力随时问的变化过程：涌潮冲击排桩式丁坝时，丁坝上的涌潮压 力急剧增大，约2 s 后涌潮压力达到最大值。达到最大值之后，有段下降的过 程，其持续时间一般为1 2 s 左右。随后涌潮压力趋于稳定，虽然由于流速的变 化，涌潮压力略有波动，但变化范围不大。 2 、研究了排桩式丁坝上涌潮压力在空间七的分布情况。结果表明：当涌潮 冲击丁坝时，在潮前水位处丁坝上的涌潮压力最大，潮前水位以上丁坝上的涌潮 压力沿水深呈线性规律分布。 3 、本次测试规模较大，测试内容比较全面的测试，其测试成果为今后的工 程设计、理论研究提供了可靠的依据。 堑坚查兰堡一! 兰堡丝兰 陈海车2 0 0 6 第三章直立方桩上涌潮作用力的 3 _ 1 引言 分析与计算 排桩式丁坝作为一种新结构型式的丁坝，许多堆石丁坝的研究成果都不能直 接应用于排桩式丁坝，其在涌潮作用下的受力特性是工程界中一直比较关注的问 题。目前对其受力机理研究的文献甚少，而应用浅水长波或驻波理论对其进行计 算的方法无法考虑涌潮的冲击特性，计算结果与实际情况仍有一定的差距。由于 工程中采用的排桩式丁坝一般为透水式丁坝，是由具有一定间隔的并列式