強潮河口橋墩涌潮壓力試驗研究

李 穎，潘冬子，潘存鴻

(1. 浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018；2. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

強潮河口橋墩涌潮壓力試驗研究

李 穎1，潘冬子2，潘存鴻2

(1. 浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018；2. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

為明確強潮河口設計條件下涌潮壓力特征，以嘉紹大橋工程為背景進行了涌潮壓力的動態測試和分析。選取主墩圍堰和施工棧橋進行現場觀測，分析了涌潮壓力分布及其變化的特點。利用經驗模態分解法，研究了涌潮壓力的時均和脈動特性，建立了涌潮壓力及其脈動分量極值與涌潮高度的擬合關系。研究結果表明：涌潮壓力變化脈動性強，經驗模態分解法能較好地處理這種非平穩時變信號；時均分量反映了局部水位的平均變化趨勢，脈動分量反映了涌潮與結構物相互作用時自由水面的紊動情況；從垂向分布上看，壓力極值在潮前低水位附近最大，并隨著傳感器安裝高程的增加而減小；從平面分布上看，主墩圍堰的迎潮面壓力極值最大，背潮面最小；涌潮壓力及其脈動分量的極值與涌潮高度滿足指數分布規律。

強潮河口；涌潮；水壓力；經驗模態分解；橋墩；信號處理

Abstract: To understand the characteristics of tidal bore-induced pressures on design condition in a macro-tidal estuary, the Jiashao Bridge on the Qiantang River was cited as an example and a dynamic test in site during the construction of the bridge was performed. The tidal bore-induced pressures on main pier cofferdam and construction trestle were measured, and the features of distribution and the change of the pressures were analyzed. The time-averaged and fluctuating pressures due to the tidal bore were discussed by the Empirical Mode Decomposition (EMD) method. A fitting relationship between the pressures extrenmum and the height of the tidal bore was developed. The measured pressures possess the characteristics of strong fluctuation and the EMD method can effectively deal with the non-stationary and time-varying signals. The time-averaged components reflected the mean change trend of the local water level and the fluctuating components reflected the turbulence of the free surface on the interaction between the tidal bore and the structures. For the vertical distribution, the location of the maximum pressure extremum was on the vicinity of the low water level and the values decreased with the increase of the sensor installation level. For the plane distribution, the location of the maximum pressure extremum was on the upstream face of the main pier cofferdam and the minimum value was on the downstream face. The relationship between the total pressure extremum and the height of tidal bore agreed with exponential distribution law and the fluctuating components as well.

Keywords: macro-tidal estuary; tidal bore; water pressure; empirical mode decomposition (EMD); pier; signal processing

錢塘江河口是典型的強潮河口，涌潮是錢塘江河口潮汐的重要特征。外海潮波經杭州灣、錢塘江河口下游段向上游傳播過程中，因河寬收縮變窄和河床沙坎抬高而產生劇烈變形，使漲潮波前形成明顯的行進鋒面[1]。單向水流、波浪對涉水構筑物的作用力已經有了比較成熟的計算方法和工程設計規程，但由于涌潮現象發生的地域性及其自身的復雜性，在理論上對涌潮作用力研究的深度和廣度還比較欠缺。一般為了解決生產實際問題而基于現場觀測和室內試驗研究得到涌潮作用力的相關成果。楊永楚[2]在錢江二橋南岸利用施工棧橋和橋墩樁基護筒進行了涌潮壓力觀測；陳希海等[3]實測了錢塘江舊倉段海塘織物模袋混凝土護坦涌潮壓力過程；酈麗娟等[4]對海寧八堡44#丁壩壩頭的環梁和掛樁進行了涌潮作用下的受力觀測；林炳堯等[5]對排樁式丁壩涌潮作用力進行了試驗研究；邵衛云等[6-7]對錢塘江六橋橋墩所受的正面涌潮壓力及回頭潮壓力全過程進行了動態測試；陳海軍等[8]對排樁式丁壩上的涌潮壓力進行了現場觀測；沈躍軍等[9]研究了錢塘江北岸海寧段魚鱗石塘在涌潮作用過程中受到的作用力。但由于涉水構筑物的形式各異，現場測試儀器、河床地形和水沙條件各不相同，目前對涌潮壓力的理論分析和認識仍存在較大的差異。

嘉紹大橋北起海寧，南接上虞，是繼杭州灣跨海大橋后，又一座橫跨杭州灣的特大型橋梁。嘉紹大橋位于錢塘江尖山河段，受河口下移的影響，這里已成為錢塘江涌潮發展壯大的水域。由于江道寬淺、潮強流急、含沙量大等原因，使得主槽擺動頻繁[10]。因此，嘉紹大橋主航道橋采用的是六塔獨柱分幅四索面鋼箱梁斜拉橋方案[11]，使主橋長度達2 680 m，分出5個主通航道，以適應河床主槽擺幅。為明確強潮河口設計條件下涌潮壓力特征，本文考慮到現場條件，在嘉紹大橋4#主墩附近利用當時正在施工的棧橋和橋墩圍堰進行了涌潮壓力觀測。根據涌潮壓力測試的結果，采用經驗模態分解(EMD)法進行了數據分析，得到涌潮壓力分布和變化的特點，可為強涌潮特殊水域同類工程的設計、施工與維護提供理論探索和實踐經驗。

1 現場潮汐特性

依據橋址斷面短期實測資料[12]：現場最高潮位5.45 m，平均高潮位4.02 m；最低潮位-3.15 m，平均低潮位-2.41 m；最大潮差8.59 m，平均潮差6.44 m。測點最大漲潮流速為6.65 m/s，垂線平均最大漲潮流速為5.37 m/s；測點最大落潮流速為4.40 m/s，垂線平均最大落潮流速為3.70 m/s。落潮流歷時顯著地長于漲潮流歷時，落潮流歷時在7.5 h至8.5 h之間，漲潮流歷時僅在3.5 h 至5 h之間。

涌潮前鋒形態受變形程度的影響。當水深變小時，由于河床阻力的影響對不同垂向部位的差異，表面所受的影響較小，因而水質點的運動速度較大，當速度超過行進波速時即發生破碎，目測破碎總在表面首先發生。由于主墩圍堰周圍沖刷較深，涌潮傳播到圍堰附近時，水深增大，會導致涌潮的潮頭高度減小。

2 試驗方案

圖1 傳感器的布置Fig. 1 Setup of sensors

嘉紹大橋主墩承臺為深埋式承臺，采用無底鋼圍堰作為承臺阻水結構物和模板體系。如圖1所示，主墩圍堰內徑40.6 m，外徑43.6 m，整體高度24. 5 m。在圍堰上布置有4條測線，其中1#測線與涌潮行進的主方向正交，在圍堰附近棧橋鋼管樁上布置第5#測線。每條測線上安裝傳感器3支，傳感器間距0.75 m。

為了保證傳感器不受邊界繞流的影響，所有的傳感器均置于300 mm×300 mm×15 mm鋼板中心(圖1(e))，傳感器中心到鋼板邊緣的距離大于三倍的傳感器直徑。為了保證測點相對位置的正確，同一測線各傳感器均置于同一型鋼上，以便吊裝。為了精確地測定局部水域的潮位變化過程，在5#測線附近設置有臨時潮位站。

3 試驗結果分析

3.1涌潮壓力作用過程

涌潮水流作用于涉水建筑物基礎時，水位和流速都在某一瞬間突然變化，而且水流湍急，流速和壓力瞬時變化的脈動性較強。本文采用的壓強極值是指涌潮沖擊建筑物后1分鐘內出現的壓力最大值。典型的涌潮壓力過程線如圖2所示。

圖2 典型的涌潮壓力測試值Fig. 2 Typical measured tidal bore-induced pressure

從圖2可以看出，涌潮壓力時程曲線實際上是一種典型的時變非平穩載荷信號。最大的涌潮作用力并不出現在涌潮鋒面到達的時刻，而是滯后2.5 s，最大的觀測壓力34.28 kPa。涌潮沖擊作用面后反射，與正向傳播的漲潮流相互作用，形成振蕩脈動水流，持續時間約35 s。

3.2經驗模態分解(EMD)法的應用

經驗模態分解法(EMD)是美國華裔科學家黃鍔院士提出的一種信號分析方法[13], 其核心思想是任何信號都由一簇固有模態函數(intrinsic mode function, 簡稱IMF)組成，用EMD方法能將這些IMF分離出來。近年來，EMD方法在動力學、生物醫學、地震工程學以及經濟學等學科已得到了廣泛的應用[14]。

經驗模態分解方法本質上是對一個信號進行平穩化處理，其結果是將信號中不同尺度的波動或趨勢項逐級分解開來，產生一系列具有不同特征尺度的數據序列IMF，因而能在時頻域內描述非平穩信號的局部特性。原始信號s0經EMD分解后，可表述成[15]

式中：s1(t)表征信號的脈動分量，s2(t)表征信號的時均分量；ci(t)是第i次分解得到的高頻項，rn(t)是第n次分解后得到的殘余項。

對圖2中涌潮壓力信號進行EMD分解得到典型壓力信號的脈動分量如圖3(a)所示，脈動壓力極大值21.86 kPa，發生在涌潮沖擊作用面的時刻，脈動持續時間大約35 s，隨后趨于穩定；脈動分量反映了涌潮與結構物相互作用時自由水面的紊動情況。典型壓力信號的時均分量如圖3(b)所示，通過與臨時潮位站數據的對比，發現時均分量基本反映了局部水位的平均變化趨勢。

圖3 壓力信號EMD處理Fig. 3 Pressure signal processing with EMD

3.3涌潮壓力垂向分布

棧橋鋼管樁上的5#測線，3個壓力傳感器由潮前低水位向上等間距0.75 m布置。典型的壓力過程線及EMD分解結果如圖4所示。

圖4 涌潮壓力垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of tidal bore-induced pressures

在圖4中，5a0、5b0和5c0是5#測線垂向原始觀測信號；5a1、5b1和5c1是EMD法分解得到的原始信號脈動分量；5a2、5b2和5c2是原始信號的時均分量。從圖4可以看出，壓力極值在潮前低水位附近(a點)最大，并隨著傳感器安裝高程的增加而減小。壓力測試信號的時均分量變化較大，但是其脈沖分量極值的變化并不顯著，即在一定范圍內涌潮脈動壓力近似滿足矩形分布。

3.4主墩圍堰上的壓力分布

涌潮沖擊主墩圍堰過程中流體運動和自由面變化非常復雜，會出現水沖擊、界面破碎以及復雜的漩渦運動等現象。同時由于試驗河段的特殊性，涌潮反射波會出現多次疊加的現象。主墩圍堰上典型的壓力過程線及EMD分解結果如圖5所示。從圖5可以看出迎潮面(1#)涌潮壓力及其脈沖分量最大，背潮面(4#)最小。

圍堰四周壓力極值分布及其與潮向的關系如圖6所示。從圖6可以看出，正對潮向處(1#)，壓強極值最大；隨著偏離潮向角度的增加，壓強逐漸減小，背潮面(4#)壓力最小。

圖5 圍堰四周壓力分布Fig. 5 Pressures distribution around cofferdam

圖6 圍堰四周壓力極值分布Fig. 6 Pressure extremums distribution around cofferdam

3.5涌潮壓力和涌潮高度的關系

涉水建筑物在涌潮作用下所承受的壓力與涌潮的高度直接相關。但是由于涌潮變化的復雜性和隨機性，加之涌潮在傳遞過程中由于涌波破碎能量損失而使涌潮高度減小，另一方面又由于承受不同部分反射潮波的疊加而有所增加。因此，即使在同一河床斷面不同測線上的涌潮高度及其產生的壓力也是不盡相同的。但通過實測資料表明，涌潮高度和壓力之間具有一定的函數關系。

如圖7所示，根據實測的涌潮總壓力極值和涌潮高度可建立如下關系

其中，H為涌潮高度，p為涌潮壓力極值。

考慮到涌潮壓力極值有較大的隨機性和脈動性，圖7中涌潮高度取外包絡線如下

對應的涌潮壓力極值外包絡線為

如圖8所示，根據實測信號的壓力脈動分量極值和涌潮高度可建立如下關系

同樣，考慮到壓力脈動分量極值的隨機性，圖8中取涌潮高度的外包絡線如下

對應的壓力脈動分量極值外包絡線為

圖7 涌潮高度～涌潮總壓力極值的關系Fig. 7 Relationship between total pressure extremum and height of tidal bore

圖8 涌潮高度～壓力脈動分量極值的關系Fig. 8 Relationship between fluctuating pressure components extremum and height of tidal bore

4 設計條件下的涌潮壓力分析

嘉紹大橋工程區域屬于涌潮發展壯大的區域，涌潮高度自橋位一帶向上游不斷增大。根據橋址附近的數次涌潮觀測成果和北岸上游側的尖山、大缺口臨時觀測站以及南岸曹娥江口的涌潮觀測資料，經相關分析得到橋位附近涌潮高度與潮差經驗關系：

其中，Δh為潮差；H為涌潮高度。

橋位的潮差可通過與澉浦相應潮差建立相關關系獲得，結果如下：

其中，Δhg為澉浦潮差。

根據上述關系，參考澉浦重現期的潮差，可以得到橋位附近100年一遇、20年一遇和5年一遇的涌潮高度分別為3.0 m、2.75m 和2.5 m。由式(5)，對應的涌潮壓力特征值分別為77 kPa、68 kPa和60 kPa，與實際采用的設計參數基本一致[16]。

5 結 語

涌潮水動力對結構物的作用是強涌潮水域涉水建筑物設計的主要問題之一。利用嘉紹大橋主墩圍堰和施工棧橋進行了現場涌潮觀測，得到壓力分布和變化的特點，可為類似橋梁工程的設計提供借鑒。主要結論如下：

1)涌潮水流作用于涉水建筑物基礎時，壓力瞬時變化的脈動性很強。最大的涌潮作用力較涌潮鋒面到達的時刻滯后，是涌潮沖擊作用面后與正向傳播的漲潮流相互作用的結果。

2)采用經驗模態分解法對涌潮壓力測試結果進行了信號處理。試驗得到的脈動分量反映了涌潮與結構物相互作用時自由水面的紊動情況，時均分量反映了局部水位的平均變化趨勢。

3)涌潮壓力極值在潮前低水位附近最大，并隨著傳感器安裝高程的增加而減小，但是其脈沖分量極值的變化并不顯著，即在一定范圍內涌潮脈動壓力近似滿足矩形分布。主墩圍堰的迎潮面涌潮壓力最大，背潮面最小。

4)涌潮總壓力及其脈動分量的極值與涌潮高度滿足指數分布規律。采用本文得到的擬合關系式，對設計條件下的涌潮壓力進行了分析，與實際采用的設計參數基本一致。

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Experimental study of tidal bore-induced pressures on piers in a macro-tidal estuary

LI Ying1, PAN Dongzi2, PAN Cunhong2

(1. Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China)

U446; TV139.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.007

1005-9865(2017)04-0053-06

2016-11-14

國家自然科學基金項目(51379190，50809062)；國家留學基金項目(2011833140)

李 穎(1979-)，女，浙江金華人，副教授，主要從事水利工程防災減災方面的研究。E-mail: liying@zjweu.edu.cn

潘冬子，男，教授級高級工程師。E-mail：pandz@zjwater.gov.cn