半填方防波堤抗滑移稳定的物理模型试验研究

半填方防波堤抗滑移稳定的物理模型试验研究

半圆形防波堤是日本一项相对创新的保护建筑结构。它可用于港口探测、海岸、河岸保护和港口运河的管理。在中国的海岸和河流管理项目中广泛使用半径不变的防波堤。本文采用物理模型试验对半圆形防波堤在不同水深下的波浪作用进行简要分析,分析不同水深下影响半圆形防波堤抗滑移稳定的因素,找出堤体滑移失稳破坏和不同水深下滑移方向不同的原因。1试验模型与数据采集模型试验在大连理工大学近海与海岸国家重点实验室的浑水水槽中进行,水槽长56m,宽0.7m,最大水深0.7m,配有实验室自制的不规则波造波机,周期控制范围为0.5～5s,采用微机控制与数据采集系统,两台流量为0.5m3/s轴流泵组成的双向造流系统,设有搅拌池与沉沙池,在水槽的一端安装消浪设备。试验模型为有机玻璃制成,长0.68m,高0.35m,半径0.25m,底板宽0.58m,堤身未开孔。为了减小防波堤对波浪的反射影响,将模型放置在水槽中部,距离造波板约33.5m处,堤前设有1∶20的缓坡,堤下设置有细石透水垫层,堤身一共布置14个点压力盒测量同步压强(图1中小圆形为压力盒)。测量压强系统采用天津水科所的SG2000压力测量系统,仪器出厂前均经过严格检测、反复率定,性能可靠,在试验之前对14个压力盒做了检测和率定。2规则波和不法波作用下驳岸场特征分析模型试验所得数据经积分后可得总水平波浪力和总垂向波浪力,分析不同水深条件下规则波和不规则波其最大波浪荷载作用下堤身的压强分布情况,了解堤体受力特征,可找出堤体抗滑移的解决方法,波浪力方向定义参见图3,分析时按堤前水深状态划分。2.1总垂向力fy最大时总初始压力1)总水平正向力Fx+最大时,堤体所受最大压强为波峰作用,位于堤体迎浪侧静水面附近;总水平负向力Fx-最大时,最大压强为波谷作用,位于堤体迎浪侧静水面以下;当堤前水深较浅,背浪侧无波浪透过,基本无压强作用。当波浪越过堤顶,背浪侧越浪量较小时,压强作用也比较小。2)总垂向力Fy±最大时,最大压强出现在静水面以下。3)底板压强在Fx±、Fy±最大时前趾点压强最大,随后压强由前趾点向后趾点逐渐减小,后趾点压强较小。2.2水库顶部淹没在水中(1)总垂向力及底板初始压力分布1)总水平力Fx+最大时,堤体所受最大压强位于迎浪侧堤顶附近;总水平力Fx-最大时,规则波作用时,堤顶靠近迎浪侧和背浪侧压强均较大;不规则波作用时,最大压强出现在堤体迎浪侧圆弧面中部附近,背浪侧压强相对较小。2)总垂向力Fy±最大时,最大压强出现在迎浪侧堤顶附近。3)底板压强在Fx+、Fy-最大时,压强由前趾点向后趾点逐渐减小;底板在Fx-、Fy+最大时,压强变化较为复杂,压强从前趾点向后趾点由正向变为负向,先逐渐减小,变换方向后又逐渐增大,后趾点压强相对较大,不规则波Fx-例外。(2)总垂向力fy最大时底板压力变化规律1)总水平力Fx+最大时,堤体所受最大压强位于迎浪侧堤顶附近;Fx-最大时,最大压强位于迎浪侧堤顶附近。2)总垂向力Fy±最大时,最大压强出现在迎浪侧堤顶附近。3)底板压强在总水平力最大时,压强由前趾点向后趾点由负向变为正向,其值先逐渐减小,后又逐渐增大;底板在Fy-最大时,压强由前趾点向后趾点逐渐减小,前趾点压强相对较大;底板在Fy+最大时,规则波时,底板各点处压强基本一致,不规则波时,压强从前趾点向后趾点逐渐增大。3堤体抗滑移各部位的波浪力关系对同步采样所得压强积分后得到的波浪力进行分析,可得到同步总水平力、总垂向力和底板的波浪力过程线,可找出在堤体抗滑移不利时刻波浪力之间的相位关系。规则波和不规则波波浪力过程线变化规律较为相似,分析时按堤体所处水深状态划分。3.1周期相位差检验1)总垂向力和总水平力波浪力过程线之间存在约为1/2周期的相位差;2)底板垂向力和总垂向力波浪力过程线基本同步,底板所受垂向力相对较大;3)向背浪侧作用的水平波浪力较大。3.2水库顶部淹没在水中(1)底板垂向力及总垂向力变化1)总垂向力和总水平力波浪力过程线之间存在约1/4周期相位差;2)底板垂向力和总垂向力波浪力过程线变化趋势:规则波基本相同,不规则波略有变化,圆弧面上所受的垂向力同底板所受垂向力相比较大;3)总水平力作用过程中,向堤体迎浪侧作用负向水平波浪力较大。(2)垂向力和总垂向力1)总垂向力和总水平力波浪力过程线之间存在约1/4周期相位差;2)底板垂向力和总垂向力波浪力过程线之间有较大相位差,堤体底板相比圆弧面部分受到较大的垂向压力作用;3)不规则波总水平力作用过程中,向堤体迎浪侧作用负向水平波浪力较大。4稳定性条件选取通过上述分析,得出规则波和不规则波的同步波浪力过程线变化趋势比较接近。但堤体在不同水深下的总水平力和总垂向力同步波浪力过程线变化趋势并不相同,底板波浪力过程线变化趋势受水深影响比较复杂。参考文献堤体抗滑移稳定公式:F′x=f(W′+F′y)/Ks(1)F′x=f(W′+F′y)/Κs(1)式中F′x、F′y分别表示抗滑移稳定的极限水平力和垂向力;f为堤体与基床的摩擦系数;W′为堤体在水中的重量;Ks为抗滑移安全系数。当f、W′、Ks为一定值时,将模型试验所得的总水平力Fx和总垂向力Fy(其中Fx取绝对值,Fy向下取正值、向上力取负值)代入式(1)。要使堤体保持稳定,必须满足:Fx≤f(W′+Fy)/Ks=[F′x](2)Fy≤W′+FxKs/f′=[F′y](3)Fx≤f(W′+Fy)/Κs=[F′x](2)Fy≤W′+FxΚs/f′=[F′y](3)结合上式,考虑影响堤体滑移稳定的几种条件:(1)W′≤|Fy|,当堤体受到向上作用力时堤体容易发生滑移破坏,可在设计时采取增大堤体重量的办法来避免。(2)W′>2[|Fy′|],公式(1)可以简化为F′x=fW′/Ks,结合本文试验可以推出[Fx′]≥2Fx,堤体稳定。但如果要满足W′>2[|Fy′|],需加大堤体重量,从技术经济角度考虑很适宜。(3)2[|Fy′|]>W′>[|Fy′|]1)最大水平力FXmax、垂向力FYmax之间相位差约为1/2周期时,FXmax+和FYmax-同时发生时,此时F′x较小,也是堤体抗滑移不利时刻,[Fx′]≤Fx+容易向背浪侧的滑移;FXmax-和FYmax+同时发生时,F′x较大,也是堤体抗滑移有利时刻。2)FXmax-和FYmax+同相位,FXmax+和FYmax+同时发生,F′x最大也是堤体抗滑移有利时刻;而FXmax-和FYmax-同时发生时,此时F′x较小,当[Fx′]≤Fx-时,堤体容易向背浪侧滑移而失稳。5堤体受波浪力作用的稳定性经过试验分析,堤体在规则波作用和不规则波作用下,堤体受压分布和总波浪力对堤体作用变化趋势基本相同。(1)由于堤前水深的因素,相对于出水状态,淹没状态下底板受压分布较为复杂,堤体受压分布趋势也差别较大;不同堤前水深,堤体受最大波浪力作用时,堤体受压分布差别较明显。(2)当堤顶露出水面时,堤体所受波浪力作用变化趋势比较相似;总水平波浪力和总垂向波浪力并不同步出现,之间存在约为1/2周期的相位差。(3)当堤体被完全淹没时,随着堤前水深的变化,总波浪力过程线变化趋势也发生改变;总水平力和总垂向力并不同步,之间存在约为1/4周期的相位差。(4)堤