波浪作用下岸坡孔隙水壓力響應試驗研究

波浪作用下岸坡孔隙水壓力響應試驗研究

海岸和河流附近的海岸通常受到風和船波的影響。波浪作用下產(chǎn)生的底部壓力波不但使土體產(chǎn)生瞬態(tài)的附加孔隙水壓力和有效應力,而且使土體產(chǎn)生的循環(huán)剪切作用可能引起孔隙水壓力的動態(tài)累積和有效正應力的不斷降低,大幅度降低土體的抗剪強度,甚至導致土體的液化。孔隙水壓力的變化對岸坡土體穩(wěn)定性具有重要的影響。范云沖等認為波浪對岸坡進行周而復始的沖刷、搬運和堆積,是影響坍岸寬度和速度的主要作用力。程昌華和鄧伯強通過模型試驗研究,分析了庫岸坍塌變形與波高、岸坡坡度、岸坡土質(zhì)等要素的關(guān)系。程昌華和陳學兵分析了影響水庫庫岸坍塌失穩(wěn)的因素,并通過概化模型試驗,對波浪特性造成庫岸坍塌的影響進行了初步研究。以上所述試驗研究,主要是研究庫岸附近的水動力特性,沒有考慮土體內(nèi)的孔隙水壓力變化,并且未深入研究其力學機理。徐績青等通過試驗,研究了波浪對單一光滑坡面的波壓力作用。包太等通過分析不同周期波浪載荷作用下動靜強度之比,證實孔隙水壓力對波浪作用下土體的穩(wěn)定性有一定影響。傅華等對散體斜坡內(nèi)的波壓力衰減進行了試驗研究。本次利用波浪水槽進行的試驗研究,主要分析波浪作用下岸坡土體動力響應規(guī)律,為進一步探索波浪作用下岸坡的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。1試驗總結(jié)1.1波浪多次反射性能試驗水槽長60m,寬1.5m,高1.8m。試驗段位于水槽的中后部;為減少岸坡模型引起水槽中波浪多次反射的影響,用玻璃隔板將水槽試驗段等分為3部分,各寬50cm;試驗模型和數(shù)據(jù)采集傳感器布置在水槽的右側(cè)。試驗水槽的造波機采用大連理工大學研制的不規(guī)則波造波控制系統(tǒng),孔隙水壓力采用SG2000型水工試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),浪高儀采用加拿大RBR公司W(wǎng)G-50型。1.2土體介質(zhì)材料岸坡模型頂部高70cm,在末端用裝滿砂石的木箱固定模型。為減少木箱的邊壁效應,在其上部設(shè)計一長為20cm的平臺。岸坡模型采用1∶2和1∶3坡比的2種邊坡。岸坡模型中沿水平方向和垂直方向2個斷面分別布置壓力傳感器,當坡比m=1∶3時,沿X軸方向分別為15#、18#、20#、17#傳感器,沿Z軸方向分別為28#、19#、17#、16#傳感器,兩傳感器之間、28#和水槽底部間隔均為10cm;當坡比m=1∶2時,X軸方向20#、17#傳感器互換位置,其它不變。試驗中采用2種土體介質(zhì),即砂質(zhì)(滲透系數(shù)為0.041cm/s)和黏土(滲透系數(shù)為0.0058cm/s)。岸坡試驗模型立面,如圖1所示。1.3坡前深水d對于砂質(zhì)和黏土2種介質(zhì)模型,試驗中的入射波均采用橢圓余弦波。岸坡坡比m為1∶2、1∶3,坡前水深d分別采用30cm、35cm、40cm,波高H為4~12cm,周期T為1~3s。在此范圍內(nèi)進行多組試驗,試驗中數(shù)據(jù)采樣時間間隔為0.02s,采集1024個數(shù)據(jù),采集時間為20.46s。2試驗現(xiàn)象與分析2.1波浪作用下的植被狀況根據(jù)試驗觀測,在1個波周期內(nèi),波浪在岸坡上的變化,可分為3個階段:1)入射階段。波浪傳播至岸坡,水深變淺,波浪破碎,水質(zhì)點以射流形式?jīng)_擊岸坡上的土顆粒,同時水體上爬一定高度,在整個坡面形成具有較大流速的破波水流。2)上爬階段。波浪破碎后,立即在坡面形成上爬水流。這時坡面土顆粒受力主要是上爬水流產(chǎn)生的拖曳力和上舉力,而且由于土顆粒之間的嵌鎖力和自身重力又有阻礙作用,因此上爬水流一般不會使土顆粒產(chǎn)生較大的運動。3)回落階段。波谷時段,波浪開始回落,水體自上爬高度逐漸消退,從而形成了沿坡面方向的坡面水流。在波浪對砂土岸坡沖刷破壞的3個階段中,入射和回落階段的破壞效果顯著,上爬階段土顆粒所受作用力較小。土顆粒的起動主要在波浪入射階段完成,而回落階段的坡面流則將起動的土顆粒帶走形成斜坡的整體沖刷。在試驗過程中,由于受反射波的影響,因此岸坡不可能受波浪1個完整波周期的作用。波浪在回落時與入射波浪疊加導致水體紊動加強,紊動區(qū)水體中充滿了大小不同的漩渦,受坡面流影響回落的泥沙與部分床面泥沙將被漩渦帶離而懸起進入紊動區(qū)。在波浪周期較長的條件下,水流紊動減弱時,處于懸浮狀態(tài)的砂粒在搬運一段距離后,會沉淀下來或回淤在坡前。波浪作用下砂土岸坡沖刷破壞試驗采用的相關(guān)參數(shù)如下:岸坡坡度為1∶2,水深為40cm,波高為12cm,周期為3s,波浪連續(xù)作用時間約為10min。經(jīng)試驗,波浪作用下沙土岸坡沖刷破壞,見圖2。從圖2中可以看出,在坡度1∶2的較陡情況下,波浪對堤岸的沖刷破壞比較嚴重,波浪作用后的坡度線與原標示于玻璃上的1∶2的坡度線偏離程度十分明顯。同時,在波浪的沖刷破壞過程中,岸坡出現(xiàn)了幾次大體積坍塌的現(xiàn)象。在波浪作用下,岸坡表面的物質(zhì)被水逐漸沖刷破壞并被搬運帶走,從而使岸坡由表及里出現(xiàn)漸變破壞。當水位變動帶范圍內(nèi)的物質(zhì)被沖刷破壞到一定程度時,上部物質(zhì)失去支持,從而發(fā)生塌岸。最終,水位變動帶內(nèi)及變動帶以上的土層,以各自的穩(wěn)定坡角而存在。2.2坡體的滲流—波浪作用下岸坡崩塌的原因分析坡內(nèi)的滲流作用與坡前波浪的沖刷作用是岸坡發(fā)生崩塌的主要動力因素。當波浪底部流速大于土體的起動流速時,土體將被起動,并被水流沖走。坡腳土體在水流的淘刷下不斷流失,尤其對于以細砂為主的土體,抗沖刷能力極低。另外,在岸坡表面附近,由于坡面上透水,孔隙水的流入與流出相對比較自由,以致孔隙水和土骨架之間存在明顯的相對運動,從而引起滲流?？紫端鲃舆^程中受到土骨架的阻力作用,反過來土骨架也會受到滲透水流施加給它的作用力,這個力就是滲透力。當滲透力垂直向上時,就會對泥沙顆粒造成一種抬升作用。坡內(nèi)孔隙水壓力對土體的軟化效應,使得土體更易被波浪水流所沖走。坡前波浪水流的沖刷使得水下坡體不斷后退,波浪隨之發(fā)生變形,坡內(nèi)滲流狀況也隨之不斷改變,從而使得坡體的穩(wěn)定性不斷下降。在滲流與坡前水流沖刷的雙重作用下,坡體的穩(wěn)定性越來越差,岸坡越易于發(fā)生崩塌破壞。砂土凝聚性差,強度指標低,易被波浪掀起,而被掀起的泥沙又迅即被回落波浪水流帶走,造成岸坡侵蝕破壞。而黏土坡體由于土體強度指標高,土體顆粒不易被起動,在波浪水流沖刷作用下坡腳后退緩慢。同時,岸坡坡度也是崩岸發(fā)生的內(nèi)在原因之一,岸坡體坡度越陡,坡體抗?jié)B透破壞的能力越差,坡體的穩(wěn)定性也越差,崩岸更易于發(fā)生。3岸壁式開口的內(nèi)部空氣壓力分析3.1波高和波后方向與孔隙水壓力幅值的變化規(guī)律岸坡土體介質(zhì)參數(shù)和其它波浪參數(shù)相同的情況下,分別采用4cm,6cm,8cm,10cm4種不同波高的波浪,得到波高變化對岸坡土體中孔隙水壓力幅值變化的影響。波浪參數(shù)對應的Ursell數(shù)U分別為14.0,21.0,28.0,35.0。試驗表明,在除波高以外其它參數(shù)相同的情況下,波浪作用下砂質(zhì)岸坡土體中沿水平方向X(自表面水平向岸坡)和垂直方向Z(自表面垂直向下)各點的孔隙水壓力幅值隨波高的增大而增大。當X=0~20cm時,岸坡土體中沿水平方向各點的孔隙水壓力幅值呈衰減趨勢,隨著波高的增大,各點的孔隙水壓力幅值衰減越快;當X=20~30cm時,沿水平方向各點的孔隙水壓力幅值衰減很小,趨于相等。當Z=20~40cm時,岸坡土體中沿垂直方向自表面向下各點的孔隙水壓力幅值呈衰減趨勢,隨著波高的增大,各點的孔隙水壓力幅值衰減越快;當Z=0~20cm時,沿垂直方向各點的孔隙水壓力幅值衰減很小,趨于相等。這表明隨著波高的增大,Ursell數(shù)增大,波浪的非線性增強,岸坡表層土體中的孔隙水壓力受波浪非線性的影響很大。試驗參數(shù)m=1∶3,d=40cm,H=8cm,T=2.5s時,波浪作用下砂質(zhì)岸坡中孔隙水壓力幅值隨波高變化曲線,見圖3。3.2波浪作用下駁岸坡孔隙水壓力幅值隨波浪周期的變化在岸坡土體介質(zhì)參數(shù)和其它波浪參數(shù)相同的情況下,分別選用1.5s,2.0s,2.5s,3.0s4種不同周期的波浪,得到周期變化對孔隙水壓力的影響。波浪參數(shù)對應的Ursell數(shù)U分別為8.5,17.0,28.0,41.5。試驗表明,在除周期以外其它參數(shù)相同的情況下,波浪作用下砂質(zhì)岸坡土體中沿水平方向X和垂直方向Z各點的孔隙水壓力幅值隨波浪周期的增大而增大,受波浪周期影響較大。試驗參數(shù)m=1∶3,d=40cm,H=8cm,T=1.5s,2s2.5s,3s時,波浪作用下砂質(zhì)岸坡中孔隙水壓力幅值隨波浪周期變化曲線,見圖4。對比圖3與圖4可知,岸坡土體中沿水平方向和垂直方向各點的孔隙水壓力幅值的衰減趨勢相似,表明周期增大對岸坡內(nèi)孔隙水壓力分布的影響規(guī)律與波高增大對其的影響規(guī)律基本一致,相比而言,波高的影響更大。這也表明隨著周期的增大,Ursell數(shù)增大,波浪的非線性增強,岸坡表層土體中的孔隙水壓力受波浪非線性的影響很大。3.3孔隙水壓力變化在其它波浪參數(shù)相同的情況下,分別選用黏土和砂土2種不同的岸坡土體介質(zhì),得到土體介質(zhì)變化對孔隙水壓力的影響。試驗表明,黏土岸坡淺層相應位置的孔隙水壓力比砂土中的孔隙水壓力大,沿垂直方向黏土中的孔隙水壓力衰減較快;砂土岸坡底層中相應位置的孔隙水壓力比黏土中的孔隙水壓力大。沿水平方向在波浪參數(shù)相同的條件下,在一定位置(X在23cm附近)之前,黏土岸坡中相應位置的孔隙水壓力比砂土中的孔隙水壓力大,在該位置之后,黏土岸坡中相應位置的孔隙水壓力比砂土中的孔隙水壓力小。試驗參數(shù)m=1∶3,d=40cm,H=8cm,T=2.5s時,黏土岸坡和砂土岸坡在波浪作用下的孔隙水壓力幅值變化曲線,見圖5。從圖5可以看出,在黏土岸坡淺層中,沿水平方向0~20cm段孔隙水壓力在垂直方向呈非線性衰減。這2種土體介質(zhì)的滲透系數(shù)相差較大,影響波浪作用下岸坡的孔隙水壓力分布。4岸坡表層土體孔隙水壓力隨波高、周期的變化通過對波浪作用下岸坡孔隙水壓力響應試驗研究,得出如下結(jié)論:1)在波浪對砂土岸坡沖刷破壞的過程中,入射和回落階段的破壞效果顯著,上爬階段土顆粒所受作用力較小。土顆粒的起動主要在波浪入射階段完成,而回落階