（地质工程专业论文）波浪作用下水下岩质边坡模型试验.pdf

摘要 摘要 边坡稳定一直以来是人们研究的热点，已经有了相当的理论基础，尤其是 水上边坡的理论和实践发展已经比较成熟。而对于水下边坡的稳定性分析，除 了考虑边坡自身的稳定性，还要考虑水对边坡的影响。对水下岩质边坡稳定性 的深入研究成果与实践应用不多，目前对水下边坡的研究主要集中在土质边坡， 进行了计算模式讨论和一些模型试验研究，并取得了一些成果。但是，对水下 岩质边坡的研究仅仅局限于理论和计算模式的探索阶段，对水下岩质边坡模型 试验研究还甚少。 波浪作用下水下岩质边坡的稳定性分析在工程实践中具有十分重要的现实 意义，如三峡水库蓄水后，大量原本位于水面以上已趋于稳定的自然或人工岩 质边坡就将被淹没，导致边坡稳定性降低，并由于水的压力，水的冲击，水的 渗流，水的侵蚀等综合作用，将对水下岩质边坡的稳定性带来大量的不确定性。 本文基于前人关于水下边坡稳定性试验得出水下斜坡破坏规律和机理的基 础上，进行水下边坡模型试验研究，考虑在波浪冲击力作用下波浪作用对水下 边坡破坏的规律性和机理研究。试验模拟规则波浪作用下，在水槽内进行斜坡 坡角为3 0 。模型时不同水深下的波浪冲击试验和坡角度为3 0 度和5 0 度时的升降 水试验。在试验中量测出规则波浪作用下边坡面于水下不同高度水头变化规律， 最后通过对试验成果的综合分析，得出水下边坡在规则波浪冲击下的破坏机理 和一些规律：( 1 ) 水下边坡的破坏应主要分析临界深度附近和静水面附近；( 2 ) 斜坡的破坏在临界深度附近主要为受拉应力的破坏，在静水面附近为最大压应 力和最大拉应力联合作用引起的破坏。( 3 ) 在同水深同波高周期t = l s 和t = 2 s 之间有一个比较明显的波浪能量变化的过程。 关键词：水下岩质边坡，水槽，波浪冲击，模型试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en a t u r eo ra r t i f i c i a ls l o p ea b o v ew a t e rw h i c ht r e n dt os t a b i l i t ya st h ec a u s e so f t h er i s eo ft h ew a t e rl e v e la n dw a t e rp r e s s u r ea n dt h ep e n e t r a b i l i t y ，t h ew a t e ra n dt h e w a v ew a s ht h es u b m a r i n eb a n ko fs l o p e ，i nt h el a wo fs e t t l i n gt u b ec o n s t r u c t i o n t h e a v a l a n c h eo fs u b m a r i n es l o p ea n ds oo na l lt or e q u e s tt h es u b m a r i n e s l o p ec e r t a i n l yt o h a v es t a b i l i t y 也es u b m a r i n es l o p ew i l lb e c o m ei n s t a b i l i t ya sar e s u l to ft h es t r e n g t h o ft h ew a t e r , t h eb a l l i s t i co f w a v e ，t h es e e p a g ef o r c eo fw a t e r ，t h ec o r r o s i o no fw a t e r a n ds oo nt h e r e f o r e ，t h ed e s t r u c t i o nm e c h a n i s mr e s e a r c ho ft h es u b m a r i n es l o p ei s e x t r e m e l yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h ep r o j e c t t h ea n a l y s i so fs t a b i l i t yo fu n d e r w a t e rr o c ks l o p ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，f o re x a m p l e ，w h e nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ri sb u i l d e d ，m a n y n a t u r a la n da r t i f i c i a lr o c ks l o p e sw i l lb ed r o w n ，t h e nt h es t a b i l i t yo ft h e s es l o p e sw i l l r e d u c e t h ec o m p r e h e n s i v ef a c t o r so ft h ew a t e rp r e s s u r e ，w a t e rl e a k a g e ，w a t e r i m p a c t i o na n dw a t e rc o r r o s i o nw i l le n d a n g e rt h es t a b i l i t yo fu n d e r w a t e rr o c ks l o p e t h i sa r t i c l eb a s eo nt h el a wa n dt h em e c h a n i s ma b o u t s l o p eu n d e rw a t e rm a d eb y p r e d e c e s s o r , w ed ot h ee x p e r i m e n ta n dm a k es o m ei d e aa b o u tt h ed e s t r u c t i o no fs l o p eu n d e rw a t e r u n d e rt h ew a v ea c t i o n u n d e r s i m u l a t i n gr e g u l a rw a v ea c t i o n u n d e rp i t c ha s3 0 。w ed o e x p e r i m e n ti nd i f f e r e n tw a t e rd e p t hw a v ei nt h ew a v et a n k u n d e rt h eq u a n t i t yw a v ea c t i o n ，w e m e a s u r eh y d r a u l i cp o w e rc h a n g eo nt h es l o p ef a c eu n d e rt h es u r f a c eo fw a m ri nd i f f e r e n th i g h l y , f i n a l l y ，w ea n a l y s et h ea c h i e v e m e n ta n do b t a i nd e s t r u c t i o nm e c h a n i s ma n ds o m el a w st h e d e s t r u c t i o no fs u b m a r i n es l o p eu n d e rt h ew a v e ：( 1 ) w h e nw e a n a l y s i st h ed e s t r u c t i o no fs u b m a r i n e s l o p e ，w es h o u l dm a i n l ya n a l y s i st h ed e p t ha n dn e a r b yw a t e r $ b r f a c e ( 2 ) n e a r b yt h ed e p t ht h e d e s t r u c t i o no ft h es l o p ei sa st ot h ec o m p r e s s i o ns t r e s s ，t h eb i g g e s t c o m p r e s s i o ns t r e s sa n db i g g e s t t e n s i o ns l l e s sa r ec o m b i n e da c t i o nn e a r b yt h ew a t e rs u r f a c eo ft h es l o p ea n d c a u s ed e s t r u c t i o n ( 3 ) a si l lt h es a m ew a t e rd e p t ha n dt h es a m ew a v e h e i g h t b e t w e e np e r i o d i c i t yt = l sa n dt = 2 st h e r e h a sao b v i o u sc h a n g eo ft h ee n e r g yo ft h ew a v e k e yw o r d s ：r o c ks l o p eu n d e rw a t e r , w a v et a n k ，w a t e ri m p a c f i o n ，m o d e le x p e r i m e n t ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名 釜苎甩 2 0 06 年夕月届日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：方z 衫睬 。6 年0 其，z 日 学位论文作者签名：叁艰 2 0 0 6 年夕月伪日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：垃癌l ：2 - 0 0 6 年夕月形日 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 我国地质灾害较多，尤其以滑坡灾害较为突出。西部地区地形地貌复杂多变， 随着西部大开发，势将面临大量的滑( 边) 坡工程，滑坡与边坡事故也日益增 多。尤其是随着三峡、小浪底等大型水利枢纽的建设，岩质边坡的稳定性问题 就更为突出。同时，随着这些大型水利工程的蓄水，大量原本位于水面以上可 能已趋于稳定的自然或人工岩质边坡将被淹没，这样由于水的压力、水波的冲 击、水的渗流等综合作用，将对岩质边坡的稳定性带来大量的不确定性。特别 在大型水库的库区，水波会对库区边坡的稳定性产生重大的影响。波浪引起的循 环水压力直接作用在边坡上，产生很大的压力作用，特别是水与边坡交界的地 方，库区表面波浪的周期性运动在水和边坡的交界处产生一个振荡波压力，导致 边坡不同深度岩体内超孔隙水压力场随时间而变化。这就将会对库区人民的生 命财产安全以及水库的正常生产运作带来巨大的危险。因此水下岩质边坡的稳 定性分析在工程实践中具有十分重要的现实意义。诸如三峡工程，建成后的船 闸高边坡以及沿江库岸边坡的稳定性成为人们十分关注的问题。但是实际岩体 中含有大量不同构造、产状和特性的不连续结构面( 如层面、节理、裂隙、软弱 夹层、岩脉和断层破碎带等) ，这给岩质边坡的稳定分析带来了很大的困难。给 国民经济建设各部门带来了严重地干扰和损失。同时，滑坡对于居住在山坡和 坡趾地带的人们造成生命和财产损失，这样的灾难是难以用金钱来估量统计的 2 】 0 另一方面波浪对堤岸构造物的破坏作用曲副，也一直是工程界广泛重视的问 题。传统的构造形式斜坡堤广泛的应用于库区以及一些水工结构当中。波浪对 斜坡堤的破坏，主要包括两种：一种是长期作用，即波浪在较长时间内反复对 坡岸进行冲刷，长期的低频动荷载作用对于边坡尤其是一些松散结构的土质边 坡的破坏作用十分明显；对于岩质边坡也类似作用了反复加载卸载过程，由于 内部孔隙水作用长期坡体将发生破坏失稳。另外随着大型水利工程的出现，水 库水位的变化对岩质边坡的稳定性也是不容工程师们所忽略的一个重点，比如 第1 章绪论 水位突然下降时，将类似对边坡卸去围压，由于内部空隙水压不能及时消散， 表面坡体就有可能逐层破坏。最终导致边坡失稳。波浪在斜坡堤上冲击后破碎 亦相当剧烈怕副，而且其破碎规律也比较复杂，加上对波浪长期的精确观测资料 有限，基于这些原因，虽然对斜坡堤岸的应用与研究己经有相当长的历史，但 对于波浪对于坡体结构特别是岩质坡体的破坏作用研究甚少。 随着举世瞩目的长江三峡工程的进行，库区的地质灾害已经较以往发生的 频率有很大提高，两岸人工、天然边坡的活动加剧显得尤为突出h 圳川1 。长 江三峡工程干流库段全长6 9 0 k m ，库区涉及鄂西3 县和重庆地区3 市7 县，3 1 条较大支流库段总长8 0 7 8 k m 。库岸岸坡总的稳定条件较好，稳定条件较差的 占8 8 ，差的占1 2 ，其余为好的和较好。2 0 0 6 年汛后三峡库水位将抬高至 15 6 m 运行，2 0 0 9 年全部枢纽工程将竣工，坝前正常蓄水位17 5 m 。三峡工程库 区两岸有数百处大大小小的崩、滑体和危岩体。这些崩、滑体和危岩体现阶段 或处于稳定状态，或稳定性较差，有的局部已经有明显的变形迹象。三峡库区 蓄水后将导致前缘高程低于仃5 m 的滑坡、塌崩和变形体的稳定性降低，有些 滑坡甚至会复活破坏。今后在暴、久雨和特大洪水、库水等营力作用下，可能 出现局部抑或整体性失稳。一旦大规模失稳发生，一方面将给失稳区及其周缘 居民带来巨大灾难；另一方面，崩、滑物质入江将阻塞部分河道，所形成的涌 浪将危及附近沿江村镇和航道安全，同时对坝区施工( 特别是汛期) 安全和水 库调度也有一定的影响埔剀u w 。 三峡水库蓄水后，岸坡将发生如下一些变化u u 引：库水上升及周期性涨落 引起岸坡的静水压力和渗透力的变化；浸润线上升，水位以下的岩土体力学性 能弱化；变化后的水流与波浪对库岸的侵蚀冲刷；河床发生明显淤积。水库蓄 水后，岩质边坡的稳定性问题就更为突出，大量原本位于水面以上已趋于稳定 的自然或人工岩质边坡就将被淹没，这样由于水的压力，水波的冲击，水的渗 流等综合作用，就将对岩质边坡的稳定性带来大量的不确定性。这就将会对库 区人民的生命财产安全以及水库的正常生产运作带来巨大的危险。水下岩质边 坡的稳定性分析在工程实践中具有十分重要的现实意义。 另一方面，目前在整个华东地区软土覆盖层较厚，越来越多的越江隧道采 用沉管法修建副u 引，事先需要先在河床中开挖基槽。沉管隧道水下基槽边坡合 理坡率的确定，直接影响工程水下开挖的土方量和管段沉放之后的回填覆盖率， 也直接影响到工程的工期和造价。就目前情况来看水下基槽的坡率从1 ：l 到l ： 2 第1 章绪论 7 均有，变化范围非常大，究其原因在于：一、水下边坡的稳定性计算至今尚不 成熟；二、水下边坡的稳定性与河床的岩质条件和水流速度有关。因此，基槽 边坡的稳定性与合理坡率的确定是设计中必须慎重研究解决的一个问题。 目前，研究水下边坡，特别是水下岩质边坡的稳定性的研究尚处于起步阶 段。相关理论与实践研究还不成熟。因此对水下岩质边坡进行研究，具有一定 的理论与实践意义。目的得到在波浪作用下，影响岩质边坡稳定的因素，及其 相关破坏机理、破坏形态、破坏特征，为工程应用提供理论依据。 1 2 研究现状 水下岩质边坡的稳定性分析虽然已经历了几十年的探索，并取得了一定的 进展，但系统的理论与实验研究却不多。国内外学者从不同角度开展了相关研 究王新寿( 1 9 9 6 ) 提出了从库水位与边坡地下水关系判断边坡稳定问题，分析 了龙羊峡滑坡，农场滑坡，查纳滑坡的发育规律；杨太华等( 1 9 9 7 ) 讨论了复 杂岩体工程中渗流场与损伤场得相互作用问题，建立了渗流损伤耦合作用数学 模型，并运用数值方法对山峡船闸高边坡节理岩体中的渗流场和损伤场的相互 作用机理以及其对工程岩体稳定的影响进行了分析研究；马崇武等( 2 0 0 0 ) 分 析了江河水位升降对堤岸岩质边坡稳定性的影响；彭良泉等( 2 0 0 3 ) 基于临界 土力学理论，利用状态路径图对库水位降落作用下的边坡失稳机理进行了研究。 孙瑞娟等( 2 0 0 3 ) 对三峡库区蓄水后江边岸坡坡体稳定进行了研究，分析了滑 面参数，蓄水水位和坡脚破坏对坡体稳定性的影响。 国内在水下边坡方面研究较多的主要有重庆大学的包太教授以及同济大学 的周顺华教授等人。 包太对水下边坡的研究方向主要是针对土质边坡，通过理论计算和模型试 验，分析在边坡在水( 尤其是波浪) 作用下的静动力反应，探讨在边坡在水流 场环境中的破坏机理和破坏模式。主要的理论成果有：通过相似模型试验，认 为波浪较小时，土体变形也小，可以认为边坡土体是线弹性体，研究了在波浪 作用下，边坡的动力反应、超孔隙水压力与波浪循环周期的关系以及不同波浪 周期下应力与应变的关系，探索了不同深度处边坡土体的动静强度之比以及破 坏过程，得出了一些有意义的结论。包太还提出了边坡在波浪作用下产生的共 3 第1 章绪论 振问题，很值得我们去研究。分析研究在水库水位下降时岩质边坡发生滑动的 机理及稳定性，并得出了一些有意义的结论：水库水位下降时会对边坡产生卸 荷作用，从而在边坡裂隙中产生水锤效应，当考虑水锤效应时，岩质边坡的稳 定系数大大降低，说明水锤效应加剧了边坡破坏失稳的过程。同时，包太还进 行波浪作用下水下土质边坡动力反应的有限元分析，认为边坡在高水位的长期 浸泡作用下，已达到饱和，在波浪的作用下，变形较小，可认为水下边坡为多 孔线弹性体，采用动弹性固结有限元法来讨论波浪引起的循环水压力作用于边 坡所引起的超孑l 隙水压力和位移自由场响应，以及不同周期波浪作用下，瞬时 应力和初始应力的比较。 周顺华教授主要针对京沪高速公路上越江沉管隧道水下开挖的粉砂质边坡 和细砂质边坡进行了计算模式探讨和离心机模拟试验研究。通过研究，得出了 许多有工程意义的成果：水下边坡的破坏始于坡角，这与水上边坡一般先由坡 顶发生开裂从而开始滑移或坍塌不同；粉沙层水下边坡的极限坡率为1 ：1 而细 砂层水下边坡的极限坡率接近1 ：2 ，这与一般的工程认识不同。而现在的力学 分析方法仅能考虑有效应力指标；水深对边坡的稳定不存在影响，水对于边坡 的作用仅仅体现在浮力；在计算边坡稳定安全系数时，无论计算下滑力还是抗 滑力，均应采用浮容重；粉砂水下边坡的高度对极限坡率无影响，这也于常规 认识有出入；边坡表面的水流速度对水下边坡的稳定性影响较大。不同的水流 速度可能导致的临界边坡角相差很大，水流速度越大，临界边坡角越小；在动 水场中水下边坡的临界坡率与水流速度、水力坡降及砂土内的渗流等因素有关， 同时，水下边坡的稳定坡率和边坡材料的颗粒大小有关；对于计算水下砂质边 坡的稳定性问题，已有的计算模型存在着缺陷，而采用b i s h o p 法计算水下边坡 是可行的，但关于力学指标的选择、安全系数的确定还有待于进一步的研究。 国外在这方面的研究主要集中在对于海底边坡的研究h 副瞄川。 历史上，海底边坡滑动造成了巨大的灾难和损失，例如1 9 6 9 年，美国卡米 尔风暴中由于土体滑移，造成南7 0 通道三个钢平台破坏，其中b 平台翻倒并沿 斜坡向下滑出3 0 m ，损失1 亿多美元，引起了人们巨大的关注，因此海底边坡稳 定性研究具有极其重要的意义。在对海底边坡的研究中发现波浪影响作用是海 底边坡问题最大特点。根据研究，得出海底边坡除了受自重产生的静载荷外， 在波浪的周期荷载左右作用下，会造成土的强度和模量下降，会产生瞬态孔隙 水压力和残余孔隙水压力，同时波浪的频率低，持续时间比较长，因此在借鉴 4 第1 章绪论 地震工程研究经验的同时，也要注意两者的区别。在边坡稳定性分析方法上也 可以分成极限平衡法、静态变形法、动力分析法三类。文献中介绍的大多数海 底边坡稳定分析方法为准静态的极限平衡方法，多数为无限坡分析，这是和海 底滑动的形态向适应的，极限平衡方法的最大优点是方便和经济，特别是初步 勘察阶段，但是也有缺点：一、不能提供坡内的应力和变形；二、只有当假定 的破坏机制完全附和实际情况时，才能得到满意的结果。对于静态变形分析， w r i g h t 用非线性变形模型进行有限元计算，得到由波浪荷载和重力引起的海底 土层中的应力和变形，优点在于不要求预先假定破坏机制或破坏面，缺点在于 其结构正确依赖于土性资料的可靠性，在海洋土工条件下常常受到一定限制。 对于动力分析方法，其实质性优点是考虑惯性效应，给出随时间变化的应力和 变形。动力模型可以考虑土的非线性，周期荷载引起的变形分析以及孔压的消 散。采用何种分析方法应该在实际参数基础上，根据具体的土工条件来选择。 目前，在海底边坡稳定性分析方面已经做了许多工作，当前应致力于结合 实测资料，特别是搜集海底边坡滑动的实例，修改或综合已有的方法，同时， 也要结合模型试验检验海底压力、土中应力、位移和破坏等的分析方法。 对于水下岩质边坡稳定性研究，目前仅仅是有学者提出了一些计算模式， 例如水下岩质边坡稳定性分析中平面型滑动及其边坡后缘出现拉张裂缝等两种 计算模式，最主要的还是采用a n s y s 对边坡划分单元，进行线性和非线性分析。 目前对水下边坡的研究主要集中在土质边坡，进行了计算模式讨论和一些 模型试验研究，并取得了一些成果。但是，对水下岩质边坡的研究仅仅局限于 理论模式的探索阶段，对水下岩质边坡模型试验研究还甚少，因此有必要在这 方面下一定的功夫。 5 第1 章绪论 1 3 本文的研究内容 基于实验室已有试验设备和相关理论准备，本文完成了在液压伺服水槽内 对于铝板模型边坡施加规则波浪作用，采集相关试验中模型内各个深度的水压 力变化，通过分析的到在一定水深下，不同波高和周期组合对于边坡内动水压 产生的影响深度的大致规律。同时采用模型砌块在液压水槽中砌筑倾角分别为 3 0 0 、5 0 0 的两组边坡模型，完成对试验模型的升水降水试验，通过对比各个时刻 不同压力盒的压力变化以及相应于该时间段内水槽水位下降深度，得到一些适 用于库区蓄水、放水时边坡内部应力变化的粗浅规律。 6 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 2 1 波浪理论 2 1 1 概述 波浪是水流运动中的普遍现象，深为人们所熟知，也较早受到科学家们的 关注，并进行了研究。经过许多数学物理学家的努力，波动力学已经形成了独 立的理论体系。最早研究波浪的是l a g r a n g e ，接着又c a u c h y 和p o i s s o n 。英国的 一批物理学家们也作出了大量贡献，有a i r y ，s t o k e s ，k e l v i n ，r a y l e i g h 以及l a m b 等。在十九世纪后期，法国s t v e n a n t 和b o u s s i n e s q 都作了不可磨灭的贡献。近 期的n e k r a s s o v 和l e v i c i v i t a 等都为波浪理论的发展做出了成绩。波浪形态复杂， 不但需要说明，有些还说明不了，一般人们对它的认识和理解仅仅限于其表观 的现象而已。而波浪对人类活动的影响是很大的，不仅仅在海岸附近，内陆湖 泊水库区风浪也往往对水工建筑物带来不利影响，尤其是大型水库修建时，由 于水域环境的改变，风浪的冲击对库岸斜坡的稳定性影响很大。一般说来，当 浪高超过o 5 米时都应该考虑波浪的影响h 。 2 1 2 波浪荷载分类 对波浪的基本形态的描述有：形态描述，包括波浪的运动形式和波的破碎 形式( 倾倒式p l u n g i n g 和溢出式s p i l l i n g ) 等；定量描述有波浪的基本名称和波 浪的数学表达式( 如f o u r i e r 级数表达式) 等；波浪方程如j e a nl er o n d 盎2 。 a 2 一 d 、a l e m b e r t 等= g 汀兰等；波浪能量及群速度和波浪的种类。 凹饿 波浪理论分为两个领域：归属流体力学范畴的包括线形核非线性波浪理论 和随机分析理论的海浪随机分析理论。规则波线性理论将水流作用和水质点作 用结合叠加，得到波流共同作用规律，基于认为波浪振幅相对于波长是个微量 7 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 和人为水深相对波长是个小数的假设得出线性波浪方程如微幅波理论( a i r y 波 理论) 。假如上述假设认为振幅是有限的，就引出了有限振幅波理论( 规则非 线性波理论) ，有限振幅波理论有余摆线波( g e s t n e r 波) ，s t o k e s 波，椭圆余 弦波( c n o i d a l 波) 和孤立波( s o l i t a r y 波) 。 用流体力学方法确定的线性和非线性波理论共同的特点是：用确定性数学 表达式来描述运动过程。这种理论用来解释简单的波浪运动，对于复杂的海浪 运动，由于其现象的随机变化无重复性，通常可用两种统计方法对海浪进行描 述：一种方法是用统计上的特征值来描述；另一种方法是用波浪谱来描述。前 一种是从波面的外观来进行描述，后一种是从波动内部结构进行描述。 2 1 3 波浪荷载计算 知道波浪对水工建筑物的作用力并不简单，不同型式的建筑物和不同的波 浪作用形式，波荷载的作用方式和计算方法是不同的。一般根据建筑物对波浪 的阻抗、作用方式及结构型式波荷载的计算分以下几种：直墙或斜坡、桩柱和 墙桩。 1 直墙上的波荷载 各国有关规范都规定直墙上得波荷载应按照三种波浪进行计算：( 1 ) 立波， ( 2 ) 近区破碎波，( 3 ) 远区破碎波。计算方法种类繁多。在计算立波波压力 的方法中，s a i n f l o w 假设有限水深中的一种椭圆摆线立波，波高与波长之比很小。 s a i n f l o w 法是最古老的，但因其简单，并有一定的可靠性，所以直到至今，仍广 泛地被应用。s a i n f l o w 法计算直墙上波峰压强公式 p = p 埘，( 兰 仫1 ， 尸= 掣 ( 2 2 c o s ( 丝) _ 一。 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 波谷挫强 p ：= p g ( h 一) d ：p = 型 p 22 z = 宠丽 c o s ( _ ) 其= 车( c o t 牟 ( 2 3 ) ( 2 4 ) s a i n f l o w 的解是有限水深立波的一次近似解，它一般适用于分为范围为相对 水深等介于o 1 3 5 叫2 0 之间，波陡；0 0 3 5 。g a d a 和k a k i z a k i 提出了基 无力 于s a i n f l o w 法的四阶近似解3 3 1 。m i c h e , b i e s e l 等提出了一些二次近似解，邱 大洪院士基于椭圆余弦波理论，根据模型试验结果修正了二阶椭圆余弦波波压 力公式。近区破碎波压力的计算应用最为广泛的是m i n i k i n 法，他提出最大压强 发生在静水面，由静动两部份压强组成。p l a k i d a 基于前苏联规范简化了库兹聂 佐夫基关于远区破碎波的压力计算方法u 引。b l a c k m o r e 等对原型进行了观测和研 究；s t i v e 在前滩坡度分为1 3 和1 4 的陡坡上进行了试验u 圳；c o o k e r 等和n t w b 等分别采用了不同方法进行波浪力的数值模型计算；大连理工大学研究了远破 波和近破波作用下冲击压力的问题；李玉成等进行了直墙堤上不规则远破波和 不规则近破波的波浪力研究u 引。 2 桩柱和墙桩上的波浪荷载 工程界广泛流行，普遍采用m o r is o n 法确定桩体波浪荷载。m o r is o n 公式 ( f = 圭c d 矽叫( 厂l + 缈i 0 2 u ，其中f 为单位长度的圆柱体的受力；圆柱体直 径为d ；u 为质点的水平方向的速度分量。) 没有考虑物体的存在对流动产生的 影响，同时忽略了非线性力的存在，l l g h t h i l l 对非线性力进行了进一步的论述。 9 第2 章波浪理论基础及模犁相似理论 当建筑物尺寸相对于波浪的长度较大时，其对水流的影响可以很显著( m o r i s o n 公式适用于等0 2 的情况) ，因此计算时用m o r i s o n 法并不恰当，而应用绕射 元 理论( d i 仟r a c t i o nt h e o r y ) 。有关不规则波的荷载问题，l - e b r o g m a n 作了 较多的工作，提出了不少贡献。b r o g m a n 从统计理论探讨了有关问题，为这方 面研究提供了理论基础。m o r i s o n 基于这个基础提出了修正的m o r i s o n 公式。 其他如p i e s o na n dh o l m e s ，t i c h e l l ，d e a n ，邱大洪和俞聿修等也做了不同的 贡献矧。 3 斜坡堤上波浪荷载 斜坡堤在国内外的应用已数百年或更长的历史，但人类对其认识还有待不 断深化和提高，特别是对深水堤与人工块体问题。堤防设计规范斜坡上波 浪爬高计算当为单一斜坡正向来波时： 1 当m = 1 5 5 0 时 r p k ，k v k ，p ( 2 5 ) 、1 + m 2 2 当m 1 2 5 时 r v = 屹k y k p 日 ( 2 6 ) 31 2 5 m m 1 5 时，可在m = 1 - 2 5 和m = 1 5 之间插值求得。 带有复合平台的堤坝波浪爬高计算，可先确定该断面的折减度系数，再 按坡度为的单坡断面确定其爬高。斜坡堤设计涉及的问题很多，从波浪作用 的观点而言，李玉成m 1 ( 1 9 9 0 ) 提出：波浪对斜坡式结构物的作用主要涉及设 计波况的确定，护面块体重量的确定，爬高及越浪量的计算。 1 0 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 2 2 模型试验相似比原理理论 2 2 1 相似原理简介 水工模型试验是仿照原体实物，按照一定的相似准则，缩制成模型，根据 试验结构所受的主要作用力，进行试验研究。通过对结构模型的变形、位移、 破坏等行为的观测，就可推知原型结构的实际现象和工程性质，或检查其水力 稳定性，这样就可对模型重演与原型相似的自然情况，进行观测，取得数据， 然后再按照一定的相似准则引伸于原型，从而作出判断 2 2 2 相似定律 1 相似第一定律( 相似不变量存在定律) 第一定律说明了相似现象的基本性质，可以从以下两个方面进行理解： 1 ) 相似现象 物理现象相似指的是物理体系的形态或者其变化过程相似，在不同的两个 几何体系中，存在具有相同物理性质的变化过程，在两个体系中相应的物 理量之间也存在着固定的比值。这样的两个体系叫做相似体系。对应于相 似体系之间的系数称为“相似系数 水工结构模型和其他试验中的模型均 具有此性质。 2 ) 相似指标与相似判据 对于一切相似现象，均受到某个数学公式的制约，其相似指标等于“1 ， 其相似判据数值相等，均等于一个无量钢的量值。 相似第一定律适用于已知物理现象的数学方程的情况下，模型与原型之间 的相似变换；当已经知道某现象时，可以结合采用下问介绍的相似第二定 律采用量纲分析的办法进行模型与原型之间的相似变换。 2 相似第二定律( n 定律) 1 ) 量纲分析 1 1 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 物理现象中的所有单位都是基于长度、时间和质量的单位推导出来的。这 些单位都是人为确定的。如果由分析可以得到最终结果的单位形式，则可 以直接用陋】p 】来代替原来单位，这种单位称为量纲。有了这三个基本 量纲，可以由这三个基本基本单位的组合得到其他所有物理量的导出单位。 同样值得注意的是，当选定的基本单位不同的时候，得到的导出单位的表 现形式会不同，但着并不能说明结论是错误的。 3 ) 如何使用量纲分析法将一个物理方程转化为相应的n 方程 相似第二定律认为：约束两个相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的 方法转换成用相似数据方程表达的新方程，即转换成n 方程。相似系统 的n 方程必须相同。 3 相似第三定律( 相似存在定律) 相似第三定律认为：只有具有相同的单值条件和相同的主导相似判据时， 现象才互相相似。第三定律回答了怎样才能使得现象互相相似的问题。 单值条件具备以下特征： 1 ) 原型与模型几何条件相似 2 ) 在所研究的过程中具有显著意义的物理常数成比例 3 ) 两个系统初始状态相似 4 ) 在整个研究期间两个系统边界条件相似。 主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的 判据。研究目的与采用的方法不同，相应的单值条件和主导判据是布完全 相同的。 2 2 3 相似定律在模型试验中的应用 本文针对水槽中的工程铝板模型边坡，在规则波浪作用下测得其表面水压 力随深度的变化范围。同时对节理边坡进行模拟升降水试验，测得相应内部压 力变化，为进一步深入研究水下岩质边坡问题作出铺垫。 l 模拟原理 长期以来，类似的水工模型试验一直是解决工程中复杂水流，波浪作用等 问题的重要手段。模型试验就是仿造原体实物，按照相似准则缩制模型，使模 型与原体在相似的条件下对其进行研究，然后按照一定的相似准则将模型中的 1 2 第2 章波浪理论基础及模型相似理论 试验结论映射到原型中去，从而间接的给实际工程提出合理建议。由于水下边 坡模型试验影响因素较多，因此首先必须根据原型所受荷载的作用特性，确定 出主要的作用力，再按照相应的模型定律设计试验模型。 此试验中，波浪作用大都是重力作用，所以以重力相似准则为主进行模拟， 也就是说波浪相似只要求模型和原型的佛汝德数相等，得到： f m = f 节 也可表达为 磊v 露m 2 i 苛 1 2 = = = = = = 一1 2 = = = = = o 0 9 m l m0 9p lp 式中：v mv 。表示模型和原型中对应的速度。 ，。，。表示模型和原型中对应的长度。 g 。，g 。表示模型和原型在当地的重力加速度。 由于重力加速度变化比较小，所以一般认为g 。= g 。所有由上式可以得到 相应模型比尺为： 模型长度比尺 = 子 f 棚 时间比尺a ，= 硝5 力的比尺五，= 名p 力；= 名； ( 因为原型及模型试验中的流体均为水，所以以= 1 ) 压强比尺 五p = 五f 2 相似参数的确定 波浪模型试验规程中，相似准则规定：波浪物理模型试验宜采用正态 模型，其中正态模型的长度比尺应该满足，斜坡式断面物理模型长度比尺小于 等于四十。本次模型试验是在宽度为8 0 c m 的伺服波流水槽中进行的，结合造波 机的造波能力范围和所选用的仪器设备，最终确定长度比尺为1 0 。基于此比尺， 得到其他物理量的比尺。 1 3 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 3 1 概述 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 模型试验部分分为两个相对独立的部分，首先完成了在液压伺服水槽内对 于铝板模型边坡施加规则波浪作用，采集相关试验中水下边坡斜面各个深度的 水压力变化，通过分析的到在一定水深下，不同波高和周期组合对于边坡内动 水压产生的影响深度的大致规律。同时采用模型砌块在液压水槽中砌筑倾角分 别为3 0 0 、5 0 0 的两组边坡模型，完成对试验模型的升水降水试验，通过对比各个 时刻不同压力盒的压力变化以及相应于该时间段内水槽水位下降深度，得到一 些适用于库区蓄水、放水时边坡内部应力变化的粗浅规律。 3 2 铝板模型试验 3 2 1 试验设备介绍 在实验水池或水槽中模拟波浪、水流，研究波浪和水流对港口工程和海洋 工程建筑物的作用，可以为工程设计和科研提供可靠的依据。下面简要介绍一 下同济大学的波流水槽及波流模拟系统，波流水槽照片如图3 1 。 1 同济大学波流水槽和造波机的技术性能 同济大学造波系统是由大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室研制 的液压伺服波浪水槽造波机系统。波流水槽长宽x 高为4 2 x 0 8 1 2 5 m ；波 流水槽的最大流速0 7 m s ，最大流量0 3 m 3 s ；波浪力作用的形式：可以进行 双向放水的规则波和不规则波；波浪作用的参数选择：水槽波的周期为0 5 - - 5 s ， 波高3 一- 2 0 c m 。 1 4 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 圈3 1 水槽外观 2 盏菠蕞统的工作点理 造波机安装在波流水槽( 长：4 2 m 、宽：08 m 、深：12 5 m ，最大工作水深08 m ) 一端，造波机后侧设有直立式消能网，水槽的另一端设有消能坡，以消除波浪 反射影响。该系统由造波板、液压伺服作动器、液压泵站、伺服放大器、a d d a 接口及计算机与外设等部分组成。 实验中要模拟一个波谱时，首先根据目标谱( 实测谱或理论拟合谱) ，利用 傅立叶变换将其展开成一个电压时间序列值控制信号，经d a 接口转换成不规 则的电压信号，送给伺服控制放大器，驱动造波机推板作相应的推挽运动，推 动水体而产生波列，位移传感器实时测出推板的运动轨迹，实时反馈到控制放 大器，修正机械惯性带来的误差，以确保推波板能准确地跟踪计算机给定信号 运行。造波的同时，浪高仪将波浪物理量转换成电量信号送a d 转抉器进行数 据采集，并暂存于内存中供谱分析。一般情况下，每次谱模拟不得少于1 2 0 个波。由于传递函数拟台时产生的误差及机械系统的影响，很难一次模拟成功， 必须按以下公式修正： s + ( u ) = s ( u ) + c i s ( ) 一d s ( ) ( 31 ) 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 结束 图3 2 谱模拟控制过程图 式中： s 牢( ) 修正后的控制谱 s ( ) 实测模拟谱 a 修正参数 d s ( ( ) ) 目标谱 按s 术( 6 0 ) 重新计算出电压时间序列值，再一次控制造波机造波，分析比较， 直至得到理想的模拟谱为止。一般情况下经过二到五次修正就可基本成功。谱 1 6 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 模拟控制过程如图3 2 所示。 3 造波系统的组成 1 ) 机械框架及造波板：目前国内外采用的造波形式有锤击式、提篮式、摇 板式、推板式、推摇结合式，而推板式用于造浅水波效率最高。此波流 水槽中，最大水深低于0 4 5 m ，因此选用推板式是最佳方案。推波板通 过支脚挂在拖板上，拖板由四个密珠直线运动轴承架在两个平行导轴 上，这种轴承摩擦系数很小，轻便灵活，寿命长。作动器固定端与框架 交接，当作动器做往返运动时，带动拖板及推波板，使其随之移动而推 动水体产生波浪。 2 ) 液压伺服系统：该部分对造波特性起到关键作用，主要由电液伺服阀、 油缸、液压源及其控制电路等部分组成。 3 ) 伺服控制放大器：伺服作动器的动作是受伺服放大器控制的。 4 ) 正弦波发生器：在系统调试或者仅仅要造规则波时，将信号源计算 机转换开关设在信号源位置，即可利用正弦波发生器来控制造波； 5 ) 电源。 4 系统软件概述 为了提高本造波机系统的控制精度，加快运算速度，方便用户使用，结合 现代通用微型计算机的特点，应用软件采用了w i n d o w s 平台上的v i s u a lc + + 语 言编程，见图3 4 图3 6 。此套应用软件配备的主要功能有： 1 ) 谱分析：对实验中采集的数据，利用f f t 进行分析，可进行自谱、互谱、 自相关、互相关、统计分析等计算。 2 ) 谱修正：将目标谱与实测谱比较，根据差值的大小，修正系统的传递函 数，形成新的给定谱。 1 7 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 圈33 伺服渡流水槽液压控制系统 3 ) 谱展开：把模拟谱展开成控制造波机运行的电压时间序列值信号文件。 造波机控制及采样：其作用是从d a 转换接口发出电压时间序列信号， 控制造波机造渡；同时从a d 接口采入实验检测信号，一共可采1 6 个 通道的数据信号。 4 ) 绘图及打印：在显示屏上单通道或多通道绘出谱曲线或者波面过程线， 在点阵打印机或激光打印机上拷贝输出。 5 ) 传感器标定程：对波浪、应变、位移等传感器进行丈验标定，标定系数 自动行成文件，供数据分析时调用。 6 ) 正弦波、椭圆余弦波产生：根据给定渡高、波周期结合系统的传递函数， 计算出电压时间序列值控制信号。 第3 章波浪作用下水下边坡模型试验 图34 单板造波机控制软件搜4 被设置示意圈 图35 单板造波机控制软件不规则波设置示意图 第3 章波浪作用1 f 水下边坡模型试验 ! * 4 ) * m | # & ig # # # * * i = ! | ro 曾 t 周y p 期e ：。是：孑”8 ”襞曩：。0 。8 。0 。0 。0 ： # g 5 液压系统 图36 单扳造被机控制软件采集过程实时显示示意图 本造波机的液压系统由叶片泵提供油源，其工作压力为仇= 7 0 v a n a ，最高压 力为p _ = 9 0 i 咿a ，最大流量c k e = 5 0 m i n ，根据造波机使用情况工作压力可以 调节。 旧：溺i i i 二1 _ 4 州h o oo n