海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷試驗

陳 杰,段自豪,蔣昌波,高清洋,管 喆

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114)

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海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷試驗

陳 杰1,2,段自豪1,蔣昌波1,2,高清洋1,管 喆1

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114)

基于波浪水槽,分別考慮獨棟和房屋群兩種情況,開展海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷試驗研究，分別建立了獨棟房屋情況下相對最大沖刷深度與海嘯波相對越頂高度關系式和房屋群情況下局部最大沖刷深度與海嘯波波高、房屋寬度、房屋高度、房屋數量、房屋間的中心間距的關系式。試驗結果表明在海嘯波越頂水流產生的水跌以及海嘯波通過房屋時產生的擾流共同作用下,房屋周圍,特別是海側會產生明顯的局部沖刷坑；回落水流水跌是局部沖刷坑產生的主要因素,擾流是次要因素。所建立的關系式揭示了最大局部沖刷深度與海嘯波、房屋尺寸、房屋布局的內在聯系。

波浪水槽;海嘯波;局部沖刷;近岸房屋;試驗研究

近年來海嘯災害頻發,不僅造成了大量的近岸建筑物坍塌或損毀,而且嚴重威脅著沿岸人民的生命安全[1]。

我國以往的海嘯研究多集中在海嘯成因、海嘯波傳播以及防災減災等方面[1]。大量現場調研表明,海嘯波引起的岸灘沖刷危害巨大,很多近岸建筑物不是被海嘯波的沖擊水流損毀,而是因海嘯波引起的建筑物局部沖刷而坍塌或損毀[2-3]。因此,近年國內外學者開始逐漸關注海嘯波作用下的泥沙運動現象,先后開展了海嘯波作用下的泥沙起動和推移質運動[4],岸灘剖面變化的試驗研究[5-8]和數值模擬[9-10],墩柱[11-13]、沿海公路[14]、潛堤[15]和直立堤[16]的局部沖刷等研究工作。近期的海嘯現場調研發現,近岸地區的房屋基礎產生了較嚴重的局部沖刷[2-3],但沖刷機理不明確。為彌補現有研究不足,本文擬基于波浪水槽試驗,開展海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷研究,為海嘯防災減災工作提供科學依據。

1 試驗概述

試驗在長沙理工大學波浪水槽內進行,水槽長40.0 m,寬0.5 m,高0.8 m，試驗布置如圖1所示。在水槽內建立三維直角坐標系,以斜坡起點為原點,波浪傳播方向為x方向,水槽寬度方向為y方向,垂直向上方向為z方向。

考慮到造波機性能和水槽尺寸,幾何比尺采用1∶200。試驗采用斷面尺寸為10.0 cm×10.0 cm的混凝土方塊來模擬房屋,方塊埋入岸灘中并露出地面1.5 cm,其中心距水陸分界線0.5 m,對應原型尺寸為20.0 m×20.0 m、高度為3.0 m的單層正方形房屋,房屋中心距離海邊100 m。試驗分別考慮獨棟房屋和房屋群兩種情況,共設計3種方案,房屋模型間距取0.2 m,對應實際距離為40.0 m(圖1)。

圖1 試驗布置示意圖

表1 研究工況

波高測量采用加拿大WG-50型浪高儀和超聲波水位計,儀器位置隨組次而調整。浪高儀最小測量周期為1.5 μs,誤差為0.4%,采樣頻率為50 Hz。超聲波水位計采樣頻率為20 Hz,測量精度為0.2 mm。地形測量采用URI-IIU超聲波地形儀,用已知地形對儀器進行校準后使用,測量精度為1 mm。試驗同時采用分辨率為1 920×1 080的Logitech C910高清攝像頭從水槽側面進行拍攝記錄,視頻的采樣頻率為15 Hz。

試驗首先將斜坡鋪好整平,安裝好房屋模型,水槽灌滿水,浸泡沙質斜坡12 h以后,再緩慢將水位降低到試驗水深,約30 min后開始造波,測量波高數據。待水面充分平靜后,進行下一次造波,共進行6個波的逐個作用,最后測量最終三維地形。正式試驗開始前開展大量預備試驗,對造波機可靠性和重復性、地形變化重復性、儀器設備的可靠性進行驗證。完成一個組次的試驗之后,把整個斜坡的沙子全部翻動攪拌,使沙均勻混合,再重新鋪好斜坡并整平,接著重復上述步驟開始下一組次試驗。

2 結果分析與討論

圖2為波高為12.18 cm的6個孤立波(組次6)作用后獨棟房屋(模型布置1)局部三維地形變化結果。可以看出在孤立波的作用下岸灘在x方向3.2～4.5 m范圍發生沖刷并形成沖刷坑,在2.5～3.2 m處淤積,同時房屋模型周圍產生明顯的局部沖刷坑。試驗錄像顯示,岸灘沖刷發生在水流回落時,泥沙在離岸區水躍發生處堆積,呈沙壩剖面,結果與Jiang等[4-7]的試驗一致。孤立波上爬階段,波浪越過房屋模型形成水跌,同時能看見很明顯的擾流現象,房屋岸側開始出現局部沖刷坑。在孤立波回落階段,水流迅速回落,受房屋模型的阻擋,兩側出現擾流,越頂水流則在房屋海側的根部形成明顯的水跌。在水跌和擾流的共同作用下,房屋向海側的局部沖刷坑迅速增大。2棟和4棟房屋試驗均呈現類似的結果,房屋的局部沖刷均是由水跌和擾流的共同作用形成的。

圖2 波高12.18 cm作用下模型布置1局部沖刷試驗結果(組次6)

圖3 房屋中間斷面地形變化

圖3分別為3種模型布置方式下每棟房屋中心線斷面的地形變化(6個孤立波作用后的最終高程減去初始高程),其中房屋中間斷面與側面斷面位置如圖2所示。從圖3可以看出房屋均坐落在岸灘發生沖刷的位置,特別是房屋中心線向岸和向海側均發生了局部沖刷,向海側的局部沖刷更為嚴重,且入射波波高越大,局部沖刷坑越深。在最大波高作用下,模型布置1房屋向海側局部沖刷深度最大,達到3.9 cm;模型布置2房屋向海側局部沖刷深度略小,為2.9 cm;模型布置3房屋間的局部沖刷深度相對較大,達到3.7 cm,靠海房屋的向海側局部沖刷深度略小,為2.8 cm。

圖4分別為3種模型布置方式下房屋的側面斷面地形變化。從圖4可以看出房屋兩側均出現局部沖刷,入射波波高越大,局部沖刷坑越深。和中間斷面結果相比較,側面斷面局部沖刷明顯減小。

圖4 房屋側面斷面地形變化

海嘯波作用下引起的近岸房屋局部沖刷,會造成基礎破壞,房屋倒塌,因此最大局部沖刷深度是學者們最關注的問題。最大局部沖刷深度zmax受到海嘯波、房屋尺寸、房屋布局等共同作用的影響,試驗發現其主要影響因素有海嘯波波高H、房屋寬度B、房屋高度dw、房屋數量n、房屋之間的中心間距s,可用下式進行描述：

(1)

根據試驗觀測結果,分獨棟房屋和房屋群兩種情況進行討論。可采用無量綱參數對海嘯波作用下引起的獨棟房屋局部最大沖刷深度進行描述:

(2)

式中：H-dw為海嘯波的越頂高度;zmax/B為相對最大沖刷深度;(H-dw)/dw為海嘯波相對越頂高度。分別取獨棟房屋中軸線和側面局部最大沖刷深度數據,擬合得到相對最大沖刷深度與海嘯波相對越頂高度的關系如圖5(a)所示,趨勢線擬合度為0.845,zmax/B與(H-dw)/dw呈良好的自然對數關系:

(3)

圖5 房屋局部最大沖刷深度與入射波高、 房屋尺寸、房屋數量的關系

可以看出隨著海嘯波相對越頂高度(H-dw)/dw的增加,相對最大沖刷深度zmax/B隨之增大。試驗結果表明,房屋的局部沖刷是由水跌和擾流共同作用形成的,海嘯波越頂水流產生的水跌是局部沖刷坑產生的主要因素,擾流是次要因素,這與Arikawa等[17]的防波堤試驗結果一致。海嘯波的越頂高度越高,產生的水跌強度越大,局部沖刷坑的深度越深。基于式(3)計算本試驗條件下組次4～6獨棟房屋局部最大沖刷深度,并與實測值進行對比,平均相對誤差如表2所示,計算結果較為合理。繪制房屋局部最大沖刷深度與入射波高、房屋高度、房屋數量的關系如圖6所示。若增加房屋高度,如H=25 cm,dw=3 cm時,根據式(3)預測房屋最大局部沖刷深度為3.82 cm。結合圖6(a)可以看出,當房屋高度不變時,房屋局部最大沖刷深度隨波高的增大而增大;當波高不變時,最大局部沖刷深度隨房屋高度的增加而減小。

表2 公式(3)試驗值與預測值對比

圖6 房屋局部最大沖刷深度與入射波高、 房屋高度、房屋數量的關系

針對房屋群情況,可采用無量綱參數對海嘯波作用下引起的房屋群局部最大沖刷深度進行描述:

(4)

式中nB/s表征房屋分布情況。分別取兩棟和四棟房屋局部最大沖刷深度數據,繪制關系圖,建立了局部最大沖刷深度與海嘯波波高H、房屋寬度B、房屋高度dw、房屋數量n、房屋間的中心間距s的關系如圖5(b)所示,趨勢線擬合度為0.881,呈良好的冪函數關系:

(5)

由圖5(b)可以看出,隨著海嘯波相對越頂高度(H-dw)/dw的增加,以及房屋數量n變少,房屋尺寸B減小,房屋間的中心間距s增大,即房屋分布nB/s越稀疏,相對最大局部沖刷深度zmax/B越大。房屋的局部沖刷是水跌和擾流共同作用的產物,隨著房屋分布越來越密集,水流阻力增大,房屋越頂水流強度降低,同時房屋間的擾流強度受到一定的抑制,因此最大局部沖刷深度減小。特別是水流回落時,受到靠岸房屋的保護,靠海房屋擾流明顯減弱,因此出現房屋間的局部沖刷深度相對較大,靠海房屋的向海側局部沖刷深度相對較小的情況(圖3(c))。基于式(5)計算本試驗條件下組次7～12最大局部沖刷深度,并與實測值比較,平均相對誤差如表3所示,結果較為合理。繪制房屋群房屋局部最大沖刷深度與入射波高、房屋高度、房屋數量的關系如圖6(b)所示。若增加房屋數量,如H=25 cm,n=8時,根據式(5)預測房屋最大局部沖刷深度為4.02 cm。結合圖6(b)可以看出,當房屋數量不變時,房屋局部最大沖刷深度隨波高的增大而增大;當波高不變時,最大局部沖刷深度隨房屋數量的增大而減小。

表3 公式(5)試驗值與計算值對比

3 結 語

在波浪水槽試驗的基礎上,對海嘯波引起的近岸房屋局部沖刷機理開展研究。依據前人研究成果,采用無黏性細沙堆砌而成的1/10～1/20組合坡概化岸灘,選取孤立波模擬海嘯波,分別考慮獨棟房屋和房屋群兩種情況。海嘯波試驗研究結果表明,在海嘯波越頂水流產生的水跌以及海嘯波流過房屋時產生的擾流共同作用下,房屋模型周圍產生明顯的局部沖刷坑,且水流回落時水跌和擾流強度更大,造成房屋向海側局部沖刷深度相對較大。海嘯波越頂水流產生的水跌是局部沖刷坑產生的主要因素,擾流是次要因素。基于本文試驗數據,分別建立獨棟房屋情況下相對最大沖刷深度與海嘯波相對越頂高度的關系式,房屋群情況下局部最大沖刷深度與海嘯波波高H、房屋寬度B、房屋高度dw、房屋數量n、房屋間的中心間距s的關系式,得到了最大局部沖刷深度與海嘯波、房屋尺寸、房屋布局的內在聯系,并將試驗數據回代到公式中,驗證其準確性。建議在海嘯可能發生區域修建房屋時,其基礎周圍應采取防沖刷措施,以防止局部沖刷危害建筑物安全。

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Experimental study of local scour around seaside houses by tsunami waves//

CHEN Jie1, 2,DUAN Zihao1,JIANG Changbo1, 2,GAO Qingyang1,GUAN Zhe1

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China; 2.KeyLaboratoryofWater,SedimentSciencesandFloodHazardPreventionofHunanProvince,Changsha410114,China)

An experimental study of local scour around a seaside single house and a group of houses by tsunami waves was carried out in a wave tank. The experimental results show that local scour occurs around the house, especially on the sea side due to a hydraulic drop generated by tsunami wave overtopping and the disturbed flow generated by tsunami waves passing through the house. The hydraulic drop is the main cause of local scour and disturbed flow is the secondary cause. For a single house, the empirical relationship between the relative maximum scour depth and relative overtopping height of the tsunami wave was established. For a group of houses, the empirical relationships between the maximum local scour depth and the tsunami wave height, house width, house height, the number of houses, and center spacing of houses were established. The internal relation between the maximum local scour depth and the incident wave height, house size and layout was determined.

wave tank; tsunami wave; local scour; seaside house; experimental study

國家自然科學基金 (51239001, 51409022);交通運輸部應用基礎研究項目(2015319825080)

陳杰(1982—),男,副教授,博士,主要從事海岸動力過程及其模擬技術研究。E-mail:chenjie166@163.com

蔣昌波(1970—),男,教授,主要從事海岸動力過程及其模擬技術研究。E-mail:jcb36@vip.163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.006

TV14

A

1006-7647(2017)01-0033-05

2016-06-15 編輯：鄭孝宇)