大比尺水槽波浪-防波堤-地基相互作用试验方法初探

刘针，孟祥玮，姜云鹏，戈龙仔

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

大比尺水槽波浪-防波堤-地基相互作用试验方法初探

刘针，孟祥玮，姜云鹏，戈龙仔

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

依托交通运输部建设科技项目，拟在水槽中进行波浪-结构物-软粘土地基相互作用的试验，由于软粘土地基的制备耗费大量的人力、物力和时间，大水槽的建模和试验成本远远大于小水槽，受项目工期、试验场地和试验费用的制约软粘土地基试验可重复性较差，由于缺乏在大水槽中进行类似试验的经验，故先在已有沙地基上进行预备试验。文章针对已在大比尺波浪水槽中开展的波浪-半圆型防波堤-沙地基相互作用的试验，从模型的设计与半圆型沉箱的制作、土压和孔压传感器的布置和钻孔埋设技术、半圆体沉箱的吊装技术以及试验过程中出现的问题和注意事项进行了说明，从而为大比尺波浪水槽中进行波浪-结构物-地基相互作用提供了一套合理可行的试验技术。

大比尺波浪水槽；沙地基；试验技术

交通运输部天津水运工程科学研究院于2014年7月建成大比尺波浪试验水槽（简称大水槽）1座［1］，波浪水槽设计总长度450 m，宽5 m，最深处12 m，按波浪的生成、实验、消波等，分为造波区、实验区、消波区。大水槽铺砂段位于水槽试验段部分，铺砂段长100 m，砂层厚度为4 m，铺砂段顶面距离水槽顶面为8 m，在铺沙段可以进行波浪-结构物-地基的相互作用的试验。为完成交通运输部建设科技项目《恶劣水文条件下港口水工结构的破坏机理和设计参数优化研究》中子课题波浪-结构-地基耦合作用破坏机理研究［2］，拟在水槽中进行波浪-结构物-软粘土地基相互作用的试验，由于软粘土地基的制备耗费大量的人力、物力和时间［3］，受项目工期和试验费用的制约软粘土地基试验的可重复性较差，由于缺乏在大水槽中进行类似试验的经验，所以先在已有沙地基上进行试验，从模型设计、模型制作、传感器的埋设、测试仪器的安装与调试、在大比尺波浪水槽中的施工技术等方面进行研究，找到一套适合在大水槽中进行波浪-结构物-地基相互作用的试验技术。

1 试验条件

1.1 模型设计和制作

原型中一个半圆体的长度为19.94 m，根据已有的研究成果，原型中波浪动荷载对地基的影响范围在10 m左右。模型按照重力相似设计，大水槽的宽度为5 m，可以模拟地基的深槽高为4 m，大水槽底部边界对试验有一定的影响，综合考虑这些因素，模型几何比尺定为1：5［4］。沉箱模型宽4.8 m，两端和水槽边壁各留10 cm空隙。在小比尺波浪水槽中，模型比尺一般小于1：20，虽然地基的模拟深度可以增大，但是在波浪动荷载影响范围内地基模拟的深度有限，对研究地基内孔隙水压力和土压力的变化规律不利。

半圆型沉箱模型用1cm厚的钢板制成，模型尺寸按照几何比尺，钢沉箱模型高1.7 m，宽2.84 m，钢沉箱自身重4.47 t。半圆体原型重1 177 t，原型内填沙重1 646 t，按照重力相似，在沉箱的箱体内用石子进行配重，石子配重为22.4 t。用钢板制成的半圆体和基床之间的作用同原型混凝土材料存在差异，模型试验主要考虑结构物和地基的沉降，不考虑结构物自身的变形。

沉箱上有2个比较大的开孔，孔的尺寸为60 cm×80 cm，人可以自由出入，开孔作为沉箱上安装波压力传感器和沉箱配重的通道。配重完成后开孔用止水胶进行止水。沉箱迎浪侧、背浪侧和底部共布置了29个波压力传感器，波压力传感器的直径为8 mm，沉箱上钻孔直径为10 mm，传感器慢慢嵌入预留孔后再用玻璃胶把孔封住，所有传感器的导线均在沉箱顶部一个直径为20 cm的预留孔引出来。半圆体模型见图1，半圆体断面结构和波压力测点布置见图2，沉箱的开孔见图3，波压力传感器埋入见图4。

1.2 沙地基特性

本次试验开始前，大水槽的深槽段，已经用细沙进行填充。本次试验主要对波浪-结构物-地基在大水槽中的试验流程和试验方法进行研究，只对沙子进行筛分试验分析，特性见表1和图5，其他物理特性没有进行详细的研究，沙子的中值粒径为0.267 mm。

1.3 波浪要素

要模拟长江口半圆体破坏时的试验情况，根据波浪后报，破坏时高水位+3.94 m和低水位+0.06 m，沉箱的堤顶高程为+2.95 m，泥面高程是-7.00 m，在高水位作用下半圆型沉箱属于潜堤［5-6］。为研究不同波高对孔隙水压力和土压力的影响，在固定周期下，试验模型波高从0.1 m开始，每次加大0.1 m，加大波高直到波浪破碎。为研究不同周期对孔压和土压的影响，在固定波高下，周期从2 s开始，每次加大1 s，最后增大到5 s，对于波要素见表2。由于大比尺波浪水槽刚交付使用，对造波机性能没有十足的把握，所以试验过程中采用规则波，试验在没有结构物的情况下进行了率波，造波个数为30个，造波机的二次反射影响较小。

图1半圆型沉箱模型Fig.1Model of semi⁃circular caisson

图2半圆型沉箱结构断面图和波压力测点布置Fig.2Cross sections of semi⁃circular caisson and layout of wave pressure sensor

图3沉箱出入口Fig.3Caisson entrance

图4波压力传感器Fig.4Wave pressure sensor

表1沙子的颗分结果Tab.1Particle analysis results of sand

2 试验准备

2.1 地基中传感器的布设

沙地基中布置了孔隙水压力和土压力传感器。传感器的布置示意见图6。孔隙水压力和土压力传感器分布在2个剖面上，孔隙水压力传感器布置在沿水槽中心的位置，土压传感器和孔隙水压力传感器布置在相同深度处，沿水槽中心剖面位置偏移50 cm。

沙地基中共布置了八竖排孔压传感器和五竖排土压传感器，孔隙水压力传感器38个，土压力传感器19个，传感器的竖向距离为0.5 m或1.0 m，横向间距为1.5 m。传感器在出厂前都进行了标定，在试验过程中无需再率定。传感器的直径为8 mm。

图5概率累计百分数分布曲线和频率直方图Fig.5Probability cumulative percent distribution curves and frequency histograms

传感器的埋设方法：首先对每竖排传感器按照相对距离把传感器绑在一起固定好，对于土压力传感器要保证受力面水平，事先进行了固定。由于沙地基已经铺设完成，所以需要钻孔把传感器埋入。后埋传感器对沙子的局部有扰动，对强度有一定程度的影响，但细沙会随时间慢慢恢复（图7）。

采用简易的钻孔设备来埋设传感器，传感器固定在一根细管上，通过水泵向细管内充水把细管内部和周围的沙冲开，细管慢慢的压入沙地基，到达预定位置后，关掉水泵，传感器固定好后细管慢慢的抽出，一排传感器埋设完成，按照同样的方法埋设其他排传感器。在水槽壁上先固定好一条尼龙细绳，传感器的导线绑在尼龙细绳上到水槽顶部与采集设备相连，在试验过程中使尼龙细绳受力防止传感器导线被拉断。

表2试验波要素Tab.2Test wave conditions

2.2 基床与半圆型沉箱的吊装

实验段设一20 t轨道门机，用于吊装试验设备及构件。利用轨道门机对基床和沉箱进行吊装，基床由块石组成，块石重量按照重力相似进行选择，基床的模型见图8，基床长6.2 m，高0.49 m。散状块石先装入塑料网兜内，每个塑料兜内石子重量20 kg左右，这样方便块石的吊装与摆放。

沉箱吊装时，由于水槽两端各留有10 cm的空隙，所以在吊装过程中要控制好沉箱的下沉速度和下沉位置，吊装前在沉箱底部4个角的位置系好细绳，在门机慢慢下降过程中通过人拉绳子控制好沉箱的位置。沉箱吊装过程见图9，模型摆放完成见图10。

按照重力相似沉箱用块石配重，块石从沉箱底部向上均匀布置，虽然沉箱上开了2个出口，但是对于近20 t的配重，人工操作还是很费力。所以在接下来的模型设计和制作中要充分考虑施工的可操作性，可考虑把结构拆分成几个部分分别制作，部分构件在配重完成后再安装，模型拆除也会比较方便，从而减轻人工操作的难度，节省人力。

图6传感器布置（空心孔压，实心土压）Fig.6Sensor layout

图7传感器钻孔埋设Fig.7Sensor burying drilling

3 孔隙水压力主要结果

将要进行的波浪-结构物-软黏土地基相互作用试验，要得到软黏土地基在长时间波浪动荷载作用下的软化现象，主要是孔隙水压力在波浪作用下的变化规律，所以本文只给出部分孔压传感器的分析结果。

对高水位+3.94 m，规测波波高0.6 m，周期3.5 s波浪作用下部分孔压数据进行了处理，结果见图11，沉箱来浪侧，1#～4#（位置见图6）孔压传感器由波浪引起的超静孔压值分别为2.6 kPa、0.48 kPa、0.42 kPa和0.39 kPa，传感器之间的竖向间距分别为1 m，随时间的变化过程见图11，图11的横坐标为时间，纵坐标为超静孔压值。1#传感器的值较大，2#、3#和4#传感器的值较小，之间的差别不大，5#～8#（位置见图6）孔压传感器由波浪引起的超静孔压值分别为0.73 kPa、0.34 kPa、0.34 kPa和0.34 kPa，结果见图12，5#传感器的值较大，6#、7#和8#传感器的值较小，之间的差别不大，传感器之间的竖向间距均为0.5 m。

图9半圆体沉箱的吊装Fig.9Semi⁃circular caisson hoisting

图10建模完成Fig.10Modeling completed

图8基床示意图Fig.8Sketch of rock bed

对高水位+3.94 m和低水位+0.06 m，规则波波高是0.6 m，周期是3.5 s波浪作用下1#超静孔压值进行了比较，结果见图13，高水位和低水位波浪作用下超静孔隙水压力的最大值分别为2.09 kPa和3.87 kPa。对高水位+3.94 m，周期是3.5 s规则波不同波高下1#传感器的超静孔隙水压力进行了分析比较见图14，不同波高从小到大对应的超静孔隙水压力最大值分别为0.97 kPa、1.98 kPa、2.57 kPa、3.21 kPa和4.04 kPa。

图11沉箱前排孔压变化（1～4号）Fig.11Change of pore pressure in front of the caisson

图12沉箱后排孔压变化（5～8号）Fig.12Change of pore pressure at the back of the caisson

图13不同水位孔压变化（1号）Fig.13Pore pressure variation of different water levels

图14不同波高孔压变化（1号）Fig.14Pore pressure variation of different wave heights

从结果可以看出，随孔隙水压力传感器深度的增加，波浪引起超静孔压减小，深度在0.5 m范围内超静孔压迅速衰减，波浪对1 m以下地基影响较小。随水位由高到低同波高下由波浪引起的超静孔压值增大。相同水位和周期，不同波高下，随波高增加超静孔压值也相应增加。

孔压变化较小时，受传感器本身的精度和造波机等电信号的干扰对试验结果有较大影响。所以在接下来的软粘土地基试验中要尽量消除外界对传感器的干扰，在1 m深度范围内加密地基内孔压传感器的布置。

4 试验中出现的问题和注意事项

（1）由于大水槽比较深，试验过程中水槽内的光线比较暗，对于试验现象的观测和录像的录制造成一定的困难，暂时通过在地面架设一架照明灯，只对沉箱附近进行加强，对整个波浪的传播过程观测不到，所以在以后的试验中应该解决这个问题。建议从造波侧到消波侧沿程在水槽边壁上布置照明灯，但要注意灯的布置方式对吊车运行的影响。

（2）大水槽造波侧和消波侧分别设有出水口，模型放水时，如果两侧出水口速度不同就会造成沉箱下部基床的冲刷。由于本次试验放水方式操作不当，基床下部的泥沙产生了冲刷变形，如果要对变形的地形重新恢复工程量比较大，所以在试验开始注入水时就要注意。在开始注水时速度要慢，控制好出流速度和流量，技术人员一定要在现场，出现问题及时停止注水。

（3）半圆体沉箱为出水堤时，波浪传播到结构物前发生反射，反射波与从造波机传入的入射波进行叠加，试验结束造波机停止造波后，由于沉箱的阻挡，造波机与沉箱之间的波能消散的很慢，需要静置很长一段时间。在本次试验中采用人为吊入消波框的方式，数据采集完成后把消波框立刻吊入水里，加速波能的消散，等水静止后再缓慢吊出，开始下一组试验，可以节省试验时间。本次试验采用的是波浪整体物理模型试验中使用的消波框，但对消波框的高度和自身宽度没有进行详细的研究。造波机的无反射功能完善后，在试验造波完成后可以继续输入波高为0的参数继续造波，也可以加速波能的消散。

（4）对于有块石的基床，块石从场外吊入水槽内和试验完成后从水槽内吊出都十分费力，需要耗费大量的人力物力，本次试验采用的是用人把块石装入网状袋子的办法，每个袋子重大约20 kg，虽然模型安装和拆卸方便了很多，但是也耗费了大量的人力来装块石，希望在以后的试验中找到更有效的解决方法。

（5）半圆体模型的制作费用近5万元，软粘土在水槽内制作的人工费超过10万元，软粘土的制作时间近一个月，如果考虑软粘土从水槽内部取出，所花的人工费和时间会超过制作费用。大比尺水槽模型的建模成本和试验成本远远大于小比尺水槽，所以在大比尺水槽建模过程中要提前做好施工方案，确定合理的试验方法和施工步骤。在试验过程中要合理选择试验组次和试验顺序。在试验过程中要注意安全作业，确保人身安全。

［1］耿宝磊，郑宝友，孟祥玮，等.天科院大比尺波浪水槽的建设与应用前景［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］张华庆.恶劣水文条件下港口水工结构的破坏机理和设计参数优化研究可行性研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2014.

［3］郑剑锋，马巍，赵淑萍，等.重塑土室内制样技术对比研究［J］.冰川冻突，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.

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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

交通运输部建设科技项目（2013328224070）

刘针（1979-），女，河北省衡水人，副研究员，主要从事港口海岸及近海工程研究。

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