（岩土工程专业论文）涌潮冲击排桩式丁坝的数值模拟和动力性状研究.pdf

塑垩查兰堡主兰垡堡壅塑塑壁圭! ! 垫茎! 塑竺墼堕堡垫塑垫垄堡、状翌塞查堂! ! ! ! 生! 旦 摘要 钱塘江排桩式丁坝在涌潮作用下的受力性状和响应特性一直是工程界比较 关注的问题。本文结合现场试验，对排桩式丁坝上的涌潮压力和动力响应进行了 比较系统的研究。 首先，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；并研究了排桩桩身内力的大小以及分布情 况，为工程设计和后面的数值模拟及理论计算提供了可靠的参考。 其次，采用标准_ i 一s 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；在已经研究出来的实际工况下的涌潮冲击丁坝全过程的 流场分布、自由水面位置以及丁坝上涌潮压力随时间和空间的变化规律等成果的 基础上，对涌潮高度、涌潮行进速度和潮前水位等涌潮自身因素以及丁坝两侧防 护抛石的结构形态等因素，对丁坝上涌潮压力的大小，以及涌潮压力随时间和空 间的变化规律的影响进行研究和分析。 再次，应用动力方法有限差分法理论对丁坝的动力响应特性进行计算分 析，通过与现场测试结果比较可知，理论计算值与实测值基本吻合，验证了该方 法的精度和稳定性。应用该方法进行参数研究揭示了结构的形式、结构的刚度、 土的剪切波速( 即反映桩土相对刚度) 对排桩式丁坝框架结构横向振动的影响。 最后，对常数法、m 法和有限差分法等多种静力和动力方法计算所得的理论 计算结果与试验测试结果进行了对比，并对不同计算方法所得结果的差异进行了 分析。同时通过研究丁坝的位移和内力响应结果随涌潮高度的变化情况，得出了 不同涌潮高度下丁坝响应的规律。建议了排桩式丁坝的结构优化计算方法，以指 导排桩式丁坝的结构设计。 关键词：排桩式丁坝；现场试验；数值模拟；涌潮压力；动力性状；动静对比 浙江大学硕士学位论文涌潮冲击排桩式丁坝的数值模拟和动力性状研究 宋洋2 0 0 6 年6 月 a b s t r a c t t h em e c h a n i s m 觚dr e s p o n s ec h a r a c t 甜s t i c so ft h es h e e t - p i l ef o i nu n d e rm e i 1 p a c to fb o r ei nq i a m a l l g 础v e rh a sn o tb e e ns o l v e ds i n c et h c 印p l i c a t i o no ft h e s h e e tp i l e f 0 1 l o w i n gt 1 1 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 t - p i l e 铲o i n ，“s p 印e rm a k e sas y s t e m a t i cs t l l d yo nt h eb o r ep r e s s u r ea i l dd y n a m i cr e s p o n s eo ft t l e s h e e t _ p i l eg r o i n f i r s t l mm ei n f o m a t i o no ft h ei n s i t ut e s ti si 1 1 t r o d u c e d b a s e do nt h e 飘a l y s i so f d a t aw h i c hi so b t a i n e dt l l r o u g hm ei n s i n lt e s t ，t h ep r i n c i p l eo fb o r ep r e s s l 】r eo nt h e s h e c t - p i l eg r o i nv a r i e dw i t ht i m ea 1 1 ds p a c ei sd i s c l o s e d ，m e a n w h i l e ，t h ep i l ee n d o g e n f b r c ei sr e s e a r c h e d s e c o n d l y ，m es t 锄d a r d | l 一占t u r b u l e n c em o d e l 卸dv o ff o rs u r f 如et r a c k i n g a r e 印p l i e dt o 肌m e r i c a ls i m u l a t i o no ft l l eb o r ea g a i n s tt 1 1 es h e e t p i l e 乒d i n t h e n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wn o wn e l d s ，t h ep o s i t i o no f 丘e es l 】r f 犯e 蛆dt i m el l i s t o r ya n d s p a t i a ld i s 试b u t i o no f b o r ep r e s g n r eo nt h es h e e t _ p i l ef o i n b a s e do nm e s e ，p a r 锄c t e r s t u d i e sr e v e a l l h ei n n u e n c e so fm et i d e - b o r eh e i 曲t ，m ep r o p a g a t i o ns p e e d ，t h es t i l l w a t e rl e v e la 1 1 dt 1 1 es t m c t m 弓o f 廿1 er i p r a ps t o n e s t h i r d l y ，f i i l i t ed i 虢r c n c em e t l l o di su s c df o rm ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so f 1 e s h e e t - p i l eg r o i n g o o da 伊e e m e n tb e t w e c nt l l ei n s i n lt e s ta n dm et h e o r e t i c a la 1 1 a l ”i s v a l i d a t e st h ep r e s e n ta p p r o a c h p a r a m e t e rs t u d i e sr e v e a lt h ei i l n u c n c e so ft 1 1 e s 劬l c t i l r a ls t y l e ，t l l ei j 百d i t yo f 血es m l c t i l r ea n dt l l es h e 捌n gw a v ev e l o c i t y ( r e n e c t i n g m ep i l e s o i ls t i f j h e s sr a t i o ) f i n a l l y ，b yc o m p 耐n gb e t w e e nt l l ec o n s t a n tm e t l l o d ，m emm e t h o da n dm ef i n i t e d i m 玎饥c em e m o d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f r e r e mm e m o d sa r ea 1 1 a l y z e d t h es c a l eo f 也eg r o mr e s p o n s ew h i c hi sc a l c u l a l e db yd i 圩e r e n tm e m o d si sa l s oo b t 血c d m e a r l w h j i e ，t h er e l a t i o n s l l i p sb e 研e e nb o r ep r e s s u r ea i l db o r ch e i g h t ，乒o i nr e s p o n s e a i l db o r eh e i 曲ta r cr c s e a r c h e d t h ec o n c l u s i o n sc a l ld i r e c tt 1 1 ep m c d c a ls t a t i cd e s i g l l i nv a r i o u sd r a c t i c a lc o i l d i 缸o n s k e y w o r d s ：s h e e t 巾i l e 掣d i n ； i n s i t ut e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b o r ep r e s s l l r e d y n a m i cc h a r a c t 谢s t i c s ；d ”a m i c s t a t i cc o m p 撕s o n 塑垩查堂堡主兰垡望苎塑塑壁圭塑竺苎工塑塑塑堡堡型塑垫垄堡鉴塑塞查堂型里墅兰! 旦 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 举世闻名的钱塘江涌潮是由杭州湾的特殊地形引起的。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，在出海口扬子角宽约1 0 0k m 左右， 至闸口附近江面宽度已束窄到约l k m 左右( 如图1 1 所示) 。当天文潮自东海形成 并沿杭州湾溯流而上时，集能所增加的能量大于摩擦所损失的能量，潮差向内递 增。涌潮波峰的传播速度取决于波谷的传播速度，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。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。 姚 市 图1 1 钱塘江河口平面图 丁坝作为江道整治、护岸工程中的常用建筑物，其在挑流促淤、保滩护岸中 的作用已得到了广泛的认同。我国的松花江、漳河、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、日本等也广泛采 塑垩查兰婴主兰垡笙苎塑塑塑圭苎垫苎! 塑堕堑堕坚垫塑垫垄丝些竺塞查堂! ! 塑兰! 旦 用丁坝作为护岸导流的水工结构，并对涌潮作用下丁坝的促淤效果和对环境影响 做过分析研究 1 1 】。钱塘江上，古代就曾修筑丁坝用于护塘。 近三百年以来，钱塘江丁坝技术经历了三个阶段。分别是：埽工坝、堆石丁 坝和排桩式丁坝。埽工坝在清代乾隆时期编撰的海塘录和两浙海塘通志 曾有过记载，但此类丁坝很难经受涌潮冲击，至今已了无痕迹。堆石丁坝建造史 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。 钱塘江的传统形式的护岸丁坝应用广泛、历史长，但其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 个排桩式丁坝群，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 座排桩式丁坝；4 6 座排桩式丁坝中，1 3 样丁坝建造1 5 米后废除。 2 锈塑要查兰堡兰垡笙塞 塑塑壁查篓壁苎工塑竺墼篁堡苎塑垫查壁鉴! 壅 塞鲎! ! ! ! 兰! 旦 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。而目前工程界设计时通常只能用一些简单的静力桩基设计方法对其设 计，对涌潮冲击丁坝的强动力过程没有考虑，其设计过程中的涌潮作用下排桩式 丁坝受力机理和动力响应特性的问题一直没有得到很好地解决，对其认识基本停 留在经验层面上，设计的安全性及经济性无从得到保证。此问题亟待科研人员深 入研究，以指导工程设计和施工。 1 。2 研究现状 目前，排桩式丁坝研究在防冲促淤方面的研究成果较多。赵渭军( 2 0 0 1 ) 在 水槽中用动床模型试验手段研究了涌潮条件下不同透水率的排桩式低丁坝群的 水力学冲淤特性，并探讨了低丁坝的护滩保塘机理【4 】。杨火其等( 2 0 0 1 年) 通过 对强涌潮作用下排桩式丁坝局部冲刷的试验得到了强潮河口排桩式丁坝在块石 防护下不同部位的局部冲刷特性口】。但是，对排桩式丁坝上涌潮压力以及排桩式 丁坝受力机理和动力响应特性的研究较少。工程界设计时通常只能用一些简单的 桩基设计方法( 静力设计方法) 对其设计，对其受力机理的认识基本上停留在经 验层面上，设计的安全性及经济性无从得到保证。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，以指导工程设计施工。 1 2 1 涌潮压力的研究 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。 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。周胜等对钱塘江涌潮进行了原型观 测，得到了涌潮高度、涌潮行进速度和陡度、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【6 】。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【”。杨永楚等对排桩 塑坚查兰堡主堂垡堡苎翌塑壁壹苎壁垄工塑塑墼堕竖垫塑垫塑堡鲨! 窒窒鲎! ! 堂主! 星 式丁坝的设计进行了初步探讨研究 8 】，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。林炳尧等进行了涌潮翻越丁坝 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【9 】。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，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 1 。邵卫云等对钱塘江 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f l ”，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【12 1 。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。 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 仃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 1 3 】。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【l4 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 ”】。万德成 等用人工压缩法和差分法求解二维n a v i * 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【1 6 】。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 0 f 方法和标准的t 一占模 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 1 ”。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 5 分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证f 1 8 】。滕爱国等从n a v i e 卜s t o k e s 方程 4 锈塑垩查兰堡主堂垡堡兰 塑型苎壹苎苎望! 塑塑塑堕坚垫塑垫垄丝鉴堕堑 鲞堂! 竺! 圭! 旦 出发，采用修正的七一s 方程，作为紊动波浪场的控制方程，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 1 。朱军政等采用可 以模拟自由表面破碎的v 0 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2 0 1 。目前，对钱塘江涌潮一 维、二维的数值模拟已经为数不少【2 2 】，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 2 2 排桩式丁坝受力机理和动力响应特性的研究 作为一种新型的水工结构，涌潮作用下排桩式丁坝的受力机理是非常复杂的 动力问题，整个体系是横向冲击荷载下的连系梁一排桩一土相互作用系统。然而， 目前在工程应用上，技术人员往往习惯于将复杂问题简单化，设计时经常采用m 法、常数法进行计算f 2 4 】。这些方法属于静力方法，不能考虑结构的惯性力以 及土的粘滞阻尼和动刚度，且计算时涌潮荷载常采用峰值，可以想象其计算结果 很有可能偏于保守，从而导致不必要的浪费。目前，对排桩式丁坝受力机理和动 力响应特性的研究较少；仅有一些学者在现场试验的基础上对丁坝的内力的现场 测试结果和工程上常用的静力方法的计算结果进行对比分析。赵晖，蔡袁强基于 现场测试的成果，利用常数法、m 法和编制的有限元程序对实际工况进行计算比 较，研究分析了排桩式丁坝在涌潮作用下的受力机理f 2 ”。 排桩式丁坝在涌潮作用下的动力响应，实质是密排群桩在横向动荷载作用下 的动力响应问题，与海洋平台、防波堤、高桩码头和基坑排桩式围护结构中有关 桩的横向受力机理的研究有一定的相似之处。关于土一桩一上部结构相互作用的 动力特性分析，前人已经做了一些工作 2 。目前，土一桩一连系梁系统在波浪 作用下的动力响应分析，一般都是在频域内进行的2 m8 1 。荷载计算通常采用一 阶线性波浪模型，桩土系统为动力w i i l k l c r 地基土中的e u l e r - b e m o u l l i 梁【2 9 】；对 于深梁和以剪切变形为主的梁来说，传统的e u l e r b e m o u l l i 梁理论是不适用的， 因此王宏志等t i m o s h e i l k o 梁理论的基础上用传递矩阵法求解了单桩基础在桩头 作用一瞬态荷载时的横向动力响应 3 。y 如s e r e 等也尝试用动力p y 曲线和t z 塑坚查堂堡主兰垡堡壅塑塑造童苎壁墨工塑塑塑堕堕塑塑垫尘壁鉴堕窒窒堂! ! 竺兰! 旦 曲线表示土体的非线性和能量消散【3 l 】。j a e i c h c r 等学者考虑了线性波浪荷载和 结构自重条件下，波浪波幅、频率对桩的动力响应的影响 3 2 1 。但是涌潮压力从 本质上而言，与波浪荷载有所不同。其是一个瞬态冲击荷载，而波浪荷载是周期 荷载。因此，海上平台的分析方法并不完全适用于排桩式丁坝。除此之外，各国 学者对横向动力响应问题也作了一些其它的卓有成效的工作，如：b o g d a n o k u z m a i l o v i e 等对桥桩基础在考虑船撞击时的设计作了进一步的探讨，并通过 试验提出了撞击荷载的表达式【”】；陈云敏等分析了海洋栈桥结构在侧向冲击物 体作用下的动力响应，这种方法先得到单桩传递矩阵的表达式，然后通过动能定 理和牛顿迭代法求出冲击物体的撞击力，并同时求得整个结构体系的动力响应； j o s 印hp e l l z i e n 等对长桩桥墩结构进行了地震分析f 3 4 】；g e o r g em y l o n a k i s 等分析 了地震作用下的土一桩一桥的相互作用【3 ”。 然而，由于涌潮作为横向瞬态荷载的复杂性以及排桩式丁坝体系的复杂性， 常规的解析方法无法对其进行深入的分析，需要借助有限差分法或动力有限元法 等动力数值方法进行计算分析。有限差分法的基本原理将排桩丁坝框架结构的各 梁柱单元离散后联立起来，从而求得整个结构的动力响应，它克服了传统的静力 法不能考虑结构的惯性力以及土的粘滞阻尼和动刚度的缺点，计算过程简单。朱 斌， 陈仁朋等采用差分法为基础的方法求解了埋置于分层土中的框架结构受侧 向瞬态荷载作用时的动力响应 3 ”。王文达，朱彦鹏等采用有限差分法对幂级数法 不适用的弹性中长桩和特长桩的桩身内力和变形进行了分析研究，并对桩身内力 分布情况进行了讨谢3 7 j 。刘东甲，王建国在、n “e r 假定的基础上对b a r a l l o v 和 n o v a k 的研究进行了更深入的发展【3 8 39 1 ，推导桩瞬态横向振动所受土阻力频率域 中的b a r a n o v 公式，研究出w i n k l e r 地基的参数七和c 的实用简化式【4 0 1 ，并对均 匀土中有限长桩瞬态横向动力响应进行了研究【4 ”。动力有限元法则可以通过建立 合理的土体计算模型来更为全面地考虑土体与桩体之间的相互作用，这种方法要 对大量的单元进行计算，特别是高频的时候，从而需要较长的计算时间，计算过 程比较复杂。c a i 等开发了一个采用基于土的塑性本构模型的三维有限元子系统 方法，其中桩、土均被离散为八节点六面体单元【4 2 】。赵振东等用三维显式有限元 模型研究了在桩头侧向脉冲式荷载作用下单桩一土系统非线性动力性能 43 1 。数值 计算方面的研究成果很多，这里不再一一赘述。然而，上述数值方法在涌潮冲击 塑垩查堂堡主堂垡丝塞塑塑造查苎竺茎工塑塑塑堕塑型塑垫查堡鉴堕窒室堂! 竺! 兰! 旦 下排桩式丁坝的动力响应计算中尚未得以应用。 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；并研究了排桩桩身内力的大小以及分布情况，为 工程设计和后面的数值模拟和理论计算提供了可靠的参考。 2 采用标准* 一r 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；在已经研究出来的实际工况下的涌潮冲击丁坝全过程的流 场分布、自由水面位置以及丁坝上涌潮压力随时间和空间的变化规律等成果的基 础上，对涌潮高度、涌潮行进速度和潮前水位等涌潮自身因素以及丁坝两侧防护 抛石的结构形态等因素，对丁坝上涌潮压力的大小，以及涌潮压力随时间和空间 的变化规律的影响进行研究和分析。 3 采用实际工程设计中较为常用的常数法和m 法，结合现场试验的多种不 同工况，对排桩式丁坝的响应特性进行了静力计算分析。 4 应用有限差分法理论对涌潮冲击下排桩式丁坝的受力机理进行研究，对 丁坝的动力响应特性进行计算分析；应用该方法进行参数研究揭示了结构的形 式、结构的刚度、土的剪切波速( 即反映桩土相对刚度) 对排桩式丁坝框架结构 横向振动的影响。 5 对常数法、m 法和有限差分法等多种静力和动力方法计算所得的理论计 算结果与试验测试结果进行了对比，并对不同计算方法所得结果的差异进行了分 析。同时通过研究丁坝的位移和内力响应结果随涌潮高度的变化情况，得出了不 同涌潮高度下丁坝响应的规律。 塑垩查堂堡圭堂堡垒兰递塑、冲查! ! 苎苎工塑塑塑堕塑型塑垫垄丝鉴翌窒窭鲎! ! 堕兰! 星 第二章涌潮作用下排桩式丁坝 2 1引言 受力特性现场试验 排桩式丁坝为一种新型的丁坝结构，在钱塘江治理中发挥着阻流促淤，护塘 保堤的作用。由于钱塘江涌潮汹涌，尤其是河口涌潮潮头高，流速快，破坏力强， 排桩式丁坝的设计中涌潮压力荷载一直是一个工程界比较关注的问题，而且涌潮 压力作用机理以及丁坝的动力响应等问题的也未得到解决。 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，对钱塘江涌潮以及排桩式 丁坝在涌潮作用下的受力特性及动力响应有个全面了解，为理论分析和数值模 拟提供试验基础；本项目组于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 1 m ，坝头处为 1 8 m ，断面尺寸都为2 5 3 5 c i n ，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 o m ，每隔1 5 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 。 浙江大学硕士学位论文 涌潮冲击排桩式丁坝的数值模拟和动力性状研究宋洋2 0 0 6 年6 月 图2 1 丁坝测试平面图( 单位：c m ) 9 塑坚查堂堡圭兰竺堡壅塑塑造童塑塑茎! 塑堕塑笪堡型塑垫查堡鉴婴塞鲞堂! 塑! 兰! 里 2 2 涌潮压力现场测试 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。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，另外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。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 。 哑珥：幸圈中高嚣舟曼礁高授戳h 译茸杂0 h n 计 。舟钠话式虚力投测点 u 为城啦蹙进# 耐点 图2 2 涌潮压力测点布置图 1 0 塑坚查堂堡主堂壁堡苎塑塑苎童苎苎垄工塑鳖塑笪竖型塑垫垄丝鉴堕壅签鲎! ! 竺兰! 旦 ( 3 ) 测试原理 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。 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( 参见图2 4 ) 。 塑坚查兰堡主兰垡堡苎塑塑堡鱼! ! 苎苎工塑箜塑堕堕型塑垫垄丝鲨竺窒塞堂! ! ! ! 兰! 旦 水位高程( m ) 01 0 0卸03 0 04 0 。5 0 06 0 0o1 0 02 0 03 0 04 伽5 0 06 时问( s )时间( s ) ( a ) 9 月2 4 日晚潮坝头处潮水位过程线 ( b ) 9 月2 5 日早潮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l 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 坝单侧的水压力( 测试结果参见图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( 参见图2 6 ) 。 从图2 6 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 0 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。 ；i 7 5 ：；i 4 6 4 2 5 8 6 4 2 4 i；4 塑垩查堂婴主兰些堡苎塑塑兰童苎苎茎! 塑塑塑堕堡型塑垫查竺鉴竺塞室蓬! ! 塑主! 旦 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 + 9 月2 1 日晚潮 9 月2 5 目早潮 o24 681 0 1 2 时间( s ) 图2 5 实测压力时程曲线( 单侧压力) o24 68 时间( s ) 图2 6 排桩式丁坝上涌潮压力时程曲线 3 一蛊毒r出辱螵 ：5 ； 筋 加 1 2 伯 5 o 一叠邑r出露熙 塑垩查兰堕主兰垡笙苎 塑塑造童苎垫垄工塑竺垫望堡型塑堡丛型塑r _ 蔓羔二兰塑生! ：! 旦 ( 3 ) 排桩式丁坝上实测压力峰值列表 表2 1 2 _ 2 为排桩式丁坝上的实测压力峰值表( 全部测试结果中选取涌潮压 力最大的2 4 日晚潮和2 5 日早潮两次测试值) ，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 ) 。 表2 19 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5 2 1 m 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 1 仪仪 低点 3 3 0 7低点 2 1 4 6 表2 29 月2 5 曰早潮实测压力峰值( 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 l i l流速5 4 7 毗 坝头坝根 高点 4 7 2 中点 1 3 6 7 液位变送器中点 1 8 2 7 液位变送器 低点 3 2 5 1 低点 2 6 ，6 7 钢弦式应力 高点 8 2 4 中点 2 4 9 3 钢弦式应力中点 8 5 1 仪仪 低点 3 7 8 5 低点2 5 6 3 ( 4 ) 排桩式丁坝上涌潮压力沿垂线方向上的分布 将沿排桩式丁坝垂线方向上的分布的涌潮压力测试所得结果进行线性回归 分析( 全部测试结果中选取涌潮压力最大的2 5 日早潮坝头和坝根上的测试结 果) ，其结果见图2 7 2 8 。 d 塑垩查兰堡主堂竺堡苎一塑塑壁圭苎壁垒工塑塑垫堕堕型塑垫查竺鲨婴窒签堂! ! ! ! 兰! 旦 图2 79 月2 5 日早潮坝头涌潮压力随高程变化曲线 图2 89 月2 5 日早潮坝根涌潮压力随高程变化曲线 由图2 7 2 8 可以看出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，潮前水位以上丁坝的涌潮压力沿水深呈线性规律分布。 计算初各次测试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0 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。 2 3 桩身内力现场测试 由于最大的涌潮压力和涌潮高度发生在9 月2 5 日早潮( 阴历八月十九) ，本 节主要总结9 月2 5 日早潮的观测结果。 塑垩查堂堡主兰竺堡壅塑塑造圭! ! 苎苎工塑塑鍪堕堡型塑垫丝堡些婴塞查堂! ! 塑兰! 星 2 3 1 实测土压力 在涌潮到达之前即坝体没有产生位移时，桩前土压力为静止土压力模式，将 实测的土压力和用快剪、固快理论计算值进行了比较。 经过如表2 3 所示的对比分析表明：采用固快指标计算所得的土压力比较接 近实测土压力，在理论分析和工程应用中，土体抗剪参数推荐采用固快指标。 表2 - 39 月2 5 日晚潮实测土压力 i i 断面一i i 断面m 断面 滩面线下1 5 m 4 6 9 4 55 6 4 2 45 6 6 1 8 土压力实测值o 毋a ) 滩面线下3 嘶 7 0 7 6 27 9 3 2 48 0 9 1 8 滩面线下1 5 m 3 7 7 3 l4 7 5 3 54 7 5 3 3 静水压力( k p a ) 滩压线下3 0 m 5 2 4 3 26 2 2 3 66 2 2 3 5 滩面线下1 5 m 9 2 1 58 8 9 49 0 8 8 有效土压力旧a ) 一a 滩面线下3 o m 1 8 3 3 21 7 0 9 41 8 6 8 8 采用快剪指标计算的土压滩面线下l ，5 m 1 0 3 9 21 0 _ 3 9 21 0 3 9 2 力值( k p a ) 一b 滩面线下3 0 m2 0 7 8 42 0 7 8 42 0 7 8 4 采用固快指标计算的土压 滩面线下1 5 m9 - 3 2 l9 3 2 19 3 2 1 力值0 ( p a ) 一c滩面线f3 o m 1 8 6 4 21 8 6 4 21 8 6 4 2 误差_ l 竿i 滩面线下1 5 m 0 1 2 8o 1 6 8o 1 4 4 滩面线下3 o m o 1 3 40 2 1 60 1 1 2 误差2 吲 滩面线下1 5 m 0 0 1 20 0 4 8o 0 2 6 滩面线下3 0 l i l o 0 1 7o 0 9 1o 0 0 2 注：各断面在滩面线下1 5 m 和3 o m 处各埋2 只土压力盒，表上所列为测量的平均值。 2 3 2 实测桩身弯矩 在试验中，桩身弯矩的测试选用m 旧一l 型水泥混凝土内埋式电阻应变计。用 桩身弹性模量将桩身的实测应变转换为应力，进而根据桩的截面尺寸确定实际弯 矩。 在排桩式丁坝平面布置图所示的5 个测试截面中选取较为典型的坝头桩身弯 矩最大处的i 一i 断面为例，说明桩身弯矩的具体测试结果。 i 一i i i 断面桩的刚度e p i _ 3 4 8 2 8 8 k n m 2 ，坝项高程3 4 0 0 米，潮前水位 2 8 5 0 m ，滩地高程o 5 0 0 m 。 i i i i i i 断面测点布置如图2 9 所示： 塑坚盔兰堡圭兰垡堡苎翌塑、冲童苎苎苎! 塑堕塑堕蔓丝塑垫垄堡鲨竺! 塞圭鲎! 竺! 兰! 旦 下游面密排桩 图2 9i i i i i i 断面测点布置图 应变片编号z e l z e 2z e 3 z e 4z e 5 z e 6z e 7 z e 8z e 9 z e o 弯曲应变e ( p ) 1 5 4 - 3 4 1- 4 3 - 3 6 01 2 9 6 9 81 6 5 3 6 2 1 1 9 3 3 5 弯矩( k n m ) 1 9 9 0 95 5 9 31 6 7 2 92 l - 1 3 41 5 3 9 3 上游面疏桩 应变片编号 z f l z f 2z f 3 _ z f 4z f 5 - z f 6z f 7 - z f 8z f 9 - z f o 弯曲应变e ( h8 ) 1 0 1 ，7 9 17 9 5 4 21 1 7 5 8 51 5 7 9 5 81 1 39 0 2 弯矩( k n m )一1 3 1 3 0l o 2 6 01 4 4 5 52 0 1 9 91 3 9 8 3 连系梁 应变片编号l 9l 1 0l 1 ll 1 2 l 应变( ue )1 0 0 7 31 0 3 6 51 1 7 3 99 2 6 l 弯矩( k n m ) 8 7 8 l ( 连系梁中点处) 一i 断面实测弯矩如图2 1 0 所示 7 塑坚叁兰堡主兰堡笙苎望塑苎查塑苎茎工塑塑茎篁堡垫塑垫塑生鲨翌塑塞堂! ! ! ! 生! 旦 下游 87 8 1 * 坝顶34 0 0 ：日9 9 功 4 65 5 9 一 j l t z r 一 7 ；5 9 3 1 02 6 。 1 67 2 9 l 1 44 s 5f j 乒丑。滩面线 文v |， ，n 2 0 1 9 9 l 一 一 1 5 3 9 3 一 ”9 8 3 一 一 图2 1 0i i i i i i 断面实测弯矩图( 单位：k n m ) 2 4 本章小结 通过对钱塘江排桩式丁坝上涌潮压力和涌潮冲击时桩身内力的现场测试和 数据分析，总结出以下几点结论和建议。 1 现场实测了钱塘江排桩式丁坝上的涌潮压力时程曲线，钱塘江涌潮冲击 排桩式丁坝的涌潮压力随时间有一个发展变化的过程。测试结果表明：涌潮冲击 丁坝时，涌潮压力急剧增大，约2 o 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。 2 通过实测数据，获得了排桩式丁坝上涌潮压力竖向分布规律。测试结果 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 丁坝的涌潮压力沿水深呈线性规律分布，并且丁坝上最大的涌潮压力与涌潮高度 有近似的线性关系。 3 基于排桩式丁坝上涌潮压力的实测数据，以及由此获得的涌潮压力随时 间的变化过程、涌潮压力的空间分布，为今后的工程设计、理论计算提供了可靠 的依据。也可校核后面的排桩式丁坝上涌潮压力的理论分析计算。 4 实测土压力和理论计算土压力的对比表明，土体的固快指标比较接近实 塑堡墨堂堡! ：兰垡堡奎塑塑壁壹! ! 苎垫! 塑塑塑堕堡塑塑塾塑丝鉴婴壅查堂! ! 堑兰! 旦 际情况，在理论分析和工程应用中，土体抗剪参数推荐采用固快指标。 5 根据实测结果，上、下游侧排桩弯矩沿桩身变化较大，最大弯矩出现在 桩头位置，在工程中可以采用变截面配筋以节省工程造价。 6 本次现场测试试验获得了钱塘江涌潮冲击排桩式丁坝时，排桩桩身内力 的大小以及分布情况，为工程设计和后面的理论计算提供了可靠的参考。 塑坚查兰堡主兰竺堡兰塑塑造圭苎竺茎工塑塑塑堕堡型塑垫查丝鉴堕塑窒堂! ! 些生! 旦 第三章涌潮冲击排桩式丁坝的数值模拟 3 1引言 涌潮在