浙江典型海塘实时安全监测分析

魏海云，许小杰，李红文，汤明礼，赵震波

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020； 2.浙江广川工程咨询有限公司，杭州 310020)

浙江典型海塘实时安全监测分析

魏海云1,2，许小杰1,2，李红文2，汤明礼2，赵震波2

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020； 2.浙江广川工程咨询有限公司，杭州 310020)

海塘是浙江沿海及海岛抵御台风暴潮的第一道防线。针对海塘跨域大、台风期恶劣气候影响严重以及海塘外部影响对内部响应变化速度快的特点，提出了大范围、分布式、集中管理的远程实时动态海塘安全监测技术，并对钱塘江海宁盐仓段标准塘和浙东海塘舟山万丈塘进行实时监测。监测结果表明：海塘内部渗压水位与潮位有较好的相关性,潮位涨落对海塘渗流影响由海塘外侧至内侧逐渐减弱；海塘内部水力坡降均小于允许坡降，海塘渗透稳定满足要求。在潮涌作用下，海塘将产生mm级水平变形，随着潮位涨落，海塘内部水平位移呈周期性变化；水平位移沿深度分布呈现上部大、下部小的特点。研究成果为海塘的日常维护和应急抢险提供技术支撑。

浙江典型海塘；台风暴潮；实时安全监测；渗压水位；水平变形

1 研究背景

浙江省濒临东南沿海，海岸线长，沿海地区台风频繁，海塘成为浙江省抵御台风暴潮的第一道屏障。浙江海塘由钱塘江海塘和浙东海塘2大部分组成，北与上海接壤，南与福建毗邻，总长2 171 km[1]。钱塘江海塘承受山洪、海潮、风浪3大动力作用，特别是涌潮，破坏力极大；钱塘江为游荡型河道，主槽迁徙不定，且钱塘江河口又为冲积性很强的河口，在潮流和径流共同作用下，易冲易淤，河床冲淤变幅大，常常导致海塘塌毁；钱塘江海塘地基属粉砂地基，易被冲刷破坏[2]。浙东海塘位于潮流稳定地带，海涂基本只涨不降，但处于台风、热带风暴经常侵袭地区，台风暴潮破坏力极大，海塘屡建屡毁；浙东海塘地基多为淤泥质土层，承载力极低，建塘后沉降量很大，且沉降稳定时间特别长[3]。

浙江省海塘破坏形式主要包括：①在强涌潮共同作用下，将洪(潮)水越顶破坏；②在潮流、波浪长期作用下，塘脚与岸滩受侵蚀或冲刷失稳；③由于与沿塘涵闸接触面止水失效、或塘身填筑存在缺陷或由于塘身沉降造成部分海塘闭气土方高程不足，在高潮位作用下，海塘发生管涌、堤基深层渗透变形和接触破坏；④在强涌潮(特别是台风暴潮)共同作用下，海塘发生整体滑坡或毁坏[4-6]。

国内在水库大坝监测方面取得大量成果，但在海塘监测方面刚起步。徐卫军等[7]开展长江堤防渗流监测；李树巍等[8]通过海塘现场筑围堰蓄水研究了海塘渗流试验；邹双朝等[9]开展基于水下多波束的长江堤防护岸工程监测和稳定性分析研究；黄铭等[10]进行潮水影响下海塘渗压监测模型研究，均获得了不少成果。由于浙江海塘线长，塘身结构多样，加之现状海塘安全监测偏少，且监测方法不够可靠、技术不够先进、受制于恶劣气候，难以适应海塘外部影响和内部响应快速变化的特点，不能及时可靠评价海塘安全状况。为此，结合浙江省海塘结构特点，选择位于粉砂地基的钱塘江海宁盐仓段和位于淤泥质地基的浙东海塘舟山万丈塘等开展安全实时监测，实现海塘渗流和海塘内部水平变形的实时、动态监测，为海塘遭遇超标准台风暴潮灾害的应急处置赢得极其宝贵的时间，为海塘的日常维护和抢险提供技术支撑。

2 海塘安全实时监测技术

海塘安全实时监测技术集成框架如图1所示，主要包括海塘安全实时监测系统和人工数据导入系统。海塘安全实时监测系统由现场传感器、数据采集单元、数据传输单元、监测控制中心站以及公用GPRS网络组成。海塘安全实时监测技术集成适应海塘外部影响和内部响应快速变化的特点，实现关键安全数据自动采集，突破海塘空间跨域大和台风期恶劣气候的影响限制，建立基于GPRS无线网络的大范围、分布式、集中管理的远程实时动态海塘监测技术。

图1 海塘安全实时监测技术集成框架Fig.1 Integrated framework of real-time safetymonitoring technology for seawall

3 海塘安全监测仪器布置

3.1 钱塘江海宁盐仓段标准塘监测布置

海宁盐仓段标准塘位于钱塘江河口涌潮顶冲段，是钱塘江北岸海塘的重要组成部分，塘线长7 km，为Ⅰ级工程，设防标准为100 a一遇的台风暴潮标准。本段海塘布置了2个渗流观测断面(桩号K71+420和K71+520)和4根测斜管，单根测斜管安装了3～5支固定式测斜仪，具体监测布置断面见图2。

图2 钱塘江海宁盐仓段标准塘监测仪器布置断面Fig.2 Sectional layout of monitoring instruments forstandard seawall at Yancang segment ofQiantang River

图2中,P代表的渗压计也称作孔隙水压力计，用于观测海塘内部孔隙水压力或渗透压力；CX代表固定式测斜仪,用于观测海塘等土体内部的水平方向位移。

3.2 浙东海塘舟山万丈塘监测布置

浙东海塘舟山万丈塘位于舟山临城街道，塘线长7.4 km，Ⅲ级工程，设防标准为50 a一遇的台风暴潮标准。塘身土质为黏土，塘基土质为淤泥质黏土。本段海塘布置2个渗流观测断面(桩号K4+170和K4+260)和2根测斜管，单根测斜管安装4支固定式测斜仪，具体监测布置断面见图3。

图3 浙东海塘舟山万丈塘监测仪器布置断面Fig.3 Sectional layout of monitoring instruments forWanzhang seawall in Zhoushan City of easternZhejiang Province

4 监测成果分析

4.1 钱塘江水位

2014年8月份天文大潮期间，钱塘江盐仓段江水位和海塘典型渗压水位过程线见图4。从图4中可看出，钱塘江水位受潮汐影响，每日2次涨落，属非正规浅海半日潮，日夜潮不等现象显著。钱塘江水位较短时间内变化快，很难维持稳定水位，海塘渗流呈现典型的非稳定渗流特点。

图4 盐仓段江水位和海塘典型渗压水位过程线

4.2 海塘渗流分析

4.2.1 钱塘江海宁盐仓段标准塘渗流

4.2.1.1 海塘渗压水位

2014年8月份天文大潮期间，海宁盐仓段海塘内部各测点渗压水位特征值见表1，断面K71+520海塘渗压水位典型过程线见图5。

表1 盐仓段海塘渗压水位特征值

图5 盐仓段海塘渗压水位过程线Fig.5 Time-history curves of water level obtained byseepage pressure gauges at Yancang seawall

从图5和表1中可看出，海宁盐仓段海塘渗流主要受潮汐影响，每天经历2次骤升骤降过程。海塘渗压水位与钱塘江水位变化有较好的相关性，其水位的峰值出现时间与潮位基本同步；这与钱塘江粉砂土地基强渗透性有关(粉砂土渗透系数1.2×10-4～1.0×10-3cm/s)。

2014年8月份天文大潮期间，钱塘江水位介于3.08～6.55 m，最大变幅为3.47 m；江水位与2个监测断面迎水侧塘脚渗压水位的最大差值分别为1.85 m和1.52 m；断面K71+420迎水侧塘脚P1最大变幅为1.31 m，背水侧塘脚P6最大变幅为0.59 m；断面K71+520迎水侧塘脚P7的最大变幅为1.69 m，背水侧塘脚P12最大变幅为0.82 m。由此可知，海塘的护坡混凝土面板消减水头显著，起到较好防渗作用。海塘渗压水位随潮位涨落而升降；且离海塘外侧越远，海塘渗压水位升降幅度越小，即潮位涨落对海塘渗流影响由海塘外至海塘内逐渐减弱。4.2.1.2 海塘水力坡降

2014年8月份天文大潮期间，钱塘江盐仓段海塘水力坡降特征值见表2，断面K71+420海塘水力坡降典型过程线见图6。在表2和图6中，1-2段、2-3段、3-4段、4-5段、5-6段分别代表海塘断面K71+420的 P1，P2，P3-2，P4-2，P5，P6相邻测点之间水力坡降，海塘断面K71+520对应测点之间水力坡降也采用相同代号。

表2 盐仓段海塘水力坡降特征值

图6 盐仓段海塘水力坡降过程线Fig.6 Time-history curves of hydraulic gradientat Yancang seawall

从图6和表2可知，海塘断面K71+420和K71+520最大水力坡降分别为0.071和0.079，均位于海塘最前侧，海塘后侧最大水力坡降均为0.033，实测水力坡降均小于砂质粉土层的允许坡降0.15，海塘渗透稳定满足规范要求[6]。

4.2.2 舟山万丈塘渗流

4.2.2.1 海塘渗压水位

2014年第16号台风“凤凰”期间，舟山万丈塘断面K4+170海塘渗压水位典型过程线见图7。

图7 舟山万丈塘渗压水位过程线Fig.7 Time-history curves of water level obtained byseepage pressure gauges at Wanzhang seawall

从图7中可看出，海塘渗流主要受潮汐影响，潮位涨落对海塘渗流影响由海塘外侧至内侧逐渐减弱；同时受降雨入渗的影响，如P3-2等渗压计水位降雨期间上升较快，这可能与该软基海塘沉降量大引起塘顶产生局部裂缝有关。

4.2.2.2 海塘水力坡降

海塘水力坡降特征值见表3。

表3 舟山万丈塘段海塘水力坡降特征值

从表3中可看出，海塘K4+170和K4+260断面最大水力坡降分别为0.215和0.050，所有实测水力坡降均小于淤泥质黏土的允许坡降，海塘渗透稳定满足规范要求。

4.3 海塘内部变形分析

4.3.1 海宁盐仓段标准塘内部变形

综上所述，本研究初步证实了诃子提取物可提高脑缺血再灌注损伤模型大鼠外周血EPCs水平、神经功能学评分和梗死区域MVD，减小其脑梗死体积，对其缺血再灌注损伤具有一定的保护作用；其机制可能与上调血管新生相关因子（VEGF、VEGFR2、NO）的表达有关。本研究为藏药诃子防治脑缺血性疾病提供了实验依据。后续本课题组将进一步探讨其具体药效成分，深入挖掘其作用机制，并开展药动学、药效学研究。

2014年8月份天文大潮期间，盐仓断面K71+420海塘内部水平位移过程线见图8，海塘内部水平位移沿高程分布见图9。

图8 盐仓段海塘内部水平位移过程线Fig.8 Time-history curves of internal horizontaldisplacement of Yancang seawall

图9 盐仓段海塘内部水平位移沿高程分布Fig.9 Distribution of internal horizontal displacementalong depth direction of Yancang seawall

从图8中可看出，在潮涌作用下，海塘沿塘前后侧方向发生了一定的水平变形，且海塘变形有滞后效应。在涨潮期间，随江水位上涨，海塘朝塘后侧快速变形，直至落潮前期，海塘内部水平位移仍然呈缓慢增长，在落潮后期，海塘朝塘前侧变形。随着潮位涨落，海塘内部水平位移在一定范围内呈周期性变化，塘前塘脚和塘顶前侧水平位移变化范围分别为-0.7～6.6 mm和-1.2～4.8 mm。

从图9中可看出，位于海塘塘脚处测斜孔，上部水平位移大，底部水平位移小；位于海塘塘顶处测斜孔，中上部水平位移大，底部水平位移小。

4.3.2 舟山万丈塘内部变形

2014年第16号台风“凤凰”期间，舟山万丈塘内部水平位移典型过程线见图10。

图10 舟山万丈塘内部水平位移过程线Fig.10 Time-history curves of internal horizontaldisplacement of Wanzhang seawall

图11 舟山万丈塘内部水平位移沿高程分布Fig.11 Distribution ofinternal horizontaldisplacement along depthdirection of Wanzhangseawall

从图10中可看出，在潮涌作用下，海塘沿塘前后侧方向发生了一定的水平变形。随潮位上涨，海塘发生朝向塘后侧水平变形；潮位回落期间，海塘水平变形逐渐减小。随着潮位涨落，海塘内部水平位移在一定范围内呈周期性变化，塘顶前侧水平位移变化范围分别为-0.3～0.6 mm。

海塘内部水平位移沿深度分布见图11。

从图11可以看出，海塘水平位移呈现上部大、下部小的特点。

5 结 论

通过钱塘江海宁盐仓段标准塘和浙东海塘舟山万丈塘实时安全监测资料分析，获得如下一些结论：

(1) 钱塘江盐仓段潮汐影响，每日2次涨落，属非正规浅海半日潮；江水位较短时间内变化快，海塘渗流呈现典型的非稳定渗流特点。

(2) 海塘渗流观测分析表明，潮位涨落对海塘渗流影响由海塘外侧至内侧逐渐减弱。钱塘江海宁盐仓段标准塘渗压水位与钱塘江潮位变化具有较好的相关性，其水位的峰值出现时间与潮位基本同步，这与钱塘江粉砂土地基强渗透性有关。

(3) 钱塘江海塘的护坡混凝土面板消减水头显著，起到较好防渗作用，海塘内部水力坡降均小于砂质粉土层的允许坡降，海塘渗透稳定满足规范要求。

(4) 海塘内部水平位移分析表明，在潮涌作用下，海塘将产生mm级水平变形；随着潮位涨落，海塘内部水平位移呈周期性变化；水平位移沿深度分布呈现上部大、下部小的特点。

[1] 胡金春,杨火其,郑国诞,等.浙江省沿海和钱塘江河口海堤现状及除险加固调查研究报告[R].杭州：浙江省水利河口研究院,2012.

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[3] 张民强,施齐欢,许江南,等.浙东标准海塘安全状况监测与分析总报告[R].杭州：浙江省水利河口研究院,2007.

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[6] SL 435—2008，海堤工程设计规范[S]. 北京:中国水利水电出版社, 2009.

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[10]黄 铭,刘 俊,潘 翔.潮水影响下海塘渗压监测模型研究[J].水电能源科学,2005,23(4): 48-50.

(编辑：姜小兰)

Analysis of Real-time Safety Monitoring for Typical Seawallsin Zhejiang Province

WEI Hai-yun1,2, XU Xiao-jie1,2,LI Hong-wen2,TANG Ming-li2, ZHAO Zhen-bo2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China; 2.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co., Ltd., Hangzhou 310020, China)

Seawall is the first barrier against typhoon storm surge for coastal areas and islands in Zhejiang Province. Cutting through broad areas, seawalls are severely affected by bad climate in typhoon period with rapid internal response to external influence. In view of this, a remote real-time dynamic monitoring technology for seawall safety is presented with features of large coverage, distributed monitoring and centralized management. The real-time monitoring technology was applied to the standard seawall at Yancang of Haining City in Qiantang River, as well as Wanzhang seawall of Zhoushan City in east Zhejiang. Monitoring results show that the inner water level of seawall obtained through seepage pressure gauge is well related to tide level, and the effect of tidal level fluctuation on seepage gradually weakens from the inside to the outside of seawall. The internal hydraulic gradient of seawall is within allowable value, guaranteeing seepage stability. Moreover, horizontal deformation at millimeter level would occur under the action of tide. With the tide level fluctuation, internal horizontal displacement of seawall changes cyclically. In particular, the horizontal displacement of the upper part of seawall is greater than that of the lower part. The real-time monitoring results provide technical support for routine maintenance and emergency treatment of the seawall.

typical seawall in Zhejiang Province; typhoon storm surge; real-time safety monitoring; water level obtained by seepage pressure gauge; horizontal deformation

2016-08-11；

2016-09-14

水利部公益性行业科研专项经费项目(201201043)；浙江省科技计划项目(2014F50016)；浙江省水利厅科技计划项目(RB1514,RC1543)

魏海云(1978-)，男，江西南昌人，高级工程师，博士，主要从事水利工程安全与环境土工研究，(电话)13777862201(电子信箱)weihy07@126.com。

10.11988/ckyyb.20160818

2017,34(6):51-55

TV147

A

1001-5485(2017)06-0051-05