灘涂水庫堤前波要素計算及斷面試驗研究

鄭國誕,陳 剛,胡金春,魯海燕

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

浙江省水庫多屬灘涂水庫,其特點為:地形平坦,庫容主要由圍壩形成,水庫水面比較開闊,水深較小,一般為淺水[1].。水庫修建后,庫區(qū)形成封閉的人工湖泊,水面比較寬,并且四周沒有山峰或高大建筑物阻擋,所以庫區(qū)風(fēng)的吹程比較大,風(fēng)浪形成力強,對壩體等工程措施產(chǎn)生嚴重危害。一般而言,在同樣條件下,庫區(qū)的風(fēng)浪尺度比非庫區(qū)風(fēng)浪尺度大,比外海的風(fēng)浪尺度顯著減小[2].。因此在進行水庫壩體設(shè)計時,有必要搞清楚圍堤堤前波要素并且在條件允許的情況下最好進行斷面波浪模型試驗來檢驗設(shè)計的合理性,本文以臨海浦海涂水庫為例進行波要素的推算并開展斷面試驗研究。

1 工程概況

臨海浦海涂水庫工程選址于尖山河灣南岸余姚岸段,余姚市海塘除險治江圍涂四期工程的湖北北塊圍區(qū)內(nèi),即臨海浦新閘下游側(cè)、湖北東直堤上游側(cè) (見圖1)。本海涂水庫工程是作為余姚市海塘除險治江圍涂四期工程的新增項目,沒有前期的項目建議書和可行性研究階段的相關(guān)研究成果。為達到初步設(shè)計階段的深度要求,本文對水庫庫區(qū)堤前開展了波要素的計算并且進行了波浪斷面模型試驗。

圖1 工程區(qū)域位置圖

2 堤前波要素計算

根據(jù)浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)范[3].推算了50 a一遇工程區(qū)域設(shè)計風(fēng)速見表1。

表1 50 a一遇工程區(qū)域設(shè)計風(fēng)速表

庫內(nèi)設(shè)計水位為庫內(nèi)設(shè)計蓄水位6.5m同時遭遇50 a一遇3日最大暴雨 (330mm),即6.83m。

利用基于波作用能守衡方程的SWAN模型[4].建立了庫區(qū)波浪計算模型,模型Y方向為正北向,計算網(wǎng)格步長為20m,模型范圍為4.4 km×3.0 km(見圖2)。

圖2 波浪計算模型范圍圖

為檢驗數(shù)學(xué)模型成果的合理性,把本次模型計算值與經(jīng)驗公式得到的數(shù)值進行比較分析。本庫區(qū)東北—西南向風(fēng)區(qū)長度及設(shè)計風(fēng)速均較大,利用莆田公式計算西堤中間位置NE—ENE向的波浪要素,有效波高為0.64m。而用本次SWAN模型在同等條件下有效波高的計算結(jié)果為0.65m,二者基本一致。

將表1中的8個方向組設(shè)計風(fēng)速及對應(yīng)潮位作為模型的輸入條件進行計算,得到庫區(qū)各堤不同方向50 a一遇設(shè)計波要素,由于篇幅原因,本文僅列出NE—ENE和SW—WSW二個方向的波矢量圖 (見圖3、4),提取各堤前不利波要素見表2(南堤和北堤同時列出正向波要素和最大斜向波要素)。

圖3 50 a一遇波浪分布圖(風(fēng)向:NE—ENE,風(fēng)速:22.7 m/s)單位:km

圖4 50 a一遇波浪分布圖 (風(fēng)向:SW—WSW,風(fēng)速:18.7 m/s)單位:km

表2 堤前不利波要素表

3 模型設(shè)計與制作

試驗在長70m,寬1.2m,高1.7m的水槽中進行,首端采用液壓造波機系統(tǒng),可生成規(guī)則波和不規(guī)則波。為消除波浪反射,在水槽末端設(shè)置1∶7的消波灘,灘上裝有格柵及浮動泡沫板,借以吸收波浪能量,消波設(shè)施性能良好,基本消除反射波,本試驗不規(guī)則波模擬采用常用的JONSWAP波譜作為目標譜?？紤]堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素,采用模型比尺λ=12,即長度比尺λL= λH=12,時間比尺 λT=3.46,重量比尺 λW=1728,該比尺符合JTYT 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[5].的要求。

4 試驗設(shè)計

庫區(qū)東、南、西、北各堤中,西堤和南堤采用同一種斷面型式,東堤和北堤采用同一種斷面型式,另外北堤中部設(shè)有觀景平臺,平臺處斷面結(jié)構(gòu)與上述2種斷面相異(見圖5～7)。

圖5 西堤 (南堤)試驗斷面圖

圖6 東堤 (北堤)試驗斷面圖

圖7 觀景平臺試驗斷面圖

根據(jù)上述計算結(jié)果,以不利條件原則安排試驗組次,各堤前試驗水文要素及試驗工況組合見表3。由于3種斷面下部結(jié)構(gòu)基本一致,僅對堤前波要素最大的西堤補充較低潮位和50 a一遇波浪組合工況,以檢驗斷面下部結(jié)構(gòu)護面的穩(wěn)定性。

試驗內(nèi)容與設(shè)計:①對各試驗斷面的設(shè)計工況進行波浪爬高和越浪量測定;②驗證各斷面在設(shè)計潮位及不利潮位和設(shè)計波要素不同組合情況下,擋浪墻和各護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;③上坡混凝土預(yù)制塊的比選,并根據(jù)試驗結(jié)果提出優(yōu)化意見。

表3 試驗水文參數(shù)及工況組合表

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 波浪爬高和越浪量試驗結(jié)果

西堤、東堤試驗中可觀察到各斷面4.5 m高程平臺對波浪形態(tài)基本無影響,波列中較大波僅在接近上斜坡時開始變形,即波浪的前坡變陡,峰頂前傾卷曲并出現(xiàn)浪花,在推進過程中逐漸加劇破碎,破波水流主要打擊在上坡靜水位附近,并形成向上涌動的波流沿斜坡上爬,最大上爬高程接近擋浪墻底部,各斷面加風(fēng)試驗中波浪爬高有所增大,基本無越浪現(xiàn)象。觀景平臺斷面試驗中由于波高較小,僅有少量波浪可爬上7.0m高程寬平臺并作用到上斜坡(見表4)。

表4 各圍堤的越浪量及波浪爬高結(jié)果表

5.2 穩(wěn)定性試驗結(jié)果

(1)西堤斷面:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,西堤斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、平臺及下坡30 cm厚干砌石、平臺灌砌石梁與混凝土護肩均能保持穩(wěn)定。較低水位 (4.5m)與50 a一遇波浪組合工況主要對斷面平臺及以下部分護面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行復(fù)核,試驗結(jié)果顯示,該工況下平臺及下坡30 cm厚干砌石、平臺灌砌石梁與混凝土護肩均能保持穩(wěn)定。

根據(jù)要求,本次試驗對上坡混凝土預(yù)制塊厚度進行了比選,除設(shè)計20 cm厚度外,增加16 cm及12 cm厚度對比組次,結(jié)果表明:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,少量16 cm厚混凝土預(yù)制塊有上下浮動現(xiàn)象,基本處于臨界穩(wěn)定狀態(tài);12 cm厚混凝土預(yù)制塊部分失穩(wěn),失穩(wěn)率為10.7%。

(2)東堤斷面:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,東堤斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、平臺及下坡30 cm厚干砌石、平臺灌砌石梁與混凝土護肩均能保持穩(wěn)定。上坡混凝土預(yù)制塊厚度比選試驗中,50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,個別16 cm厚混凝土預(yù)制塊有輕微浮動現(xiàn)象;12 cm厚混凝土預(yù)制塊部分失穩(wěn),失穩(wěn)率為4.8%。

(3)觀景平臺:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,觀景平臺斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、高程7.0m寬平臺20 cm厚混凝土護面、灌砌石擋墻及30 cm厚干砌石、混凝土護肩均能保持穩(wěn)定。上坡混凝土預(yù)制塊厚度比選試驗中,50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,16 cm及12 cm厚混凝土預(yù)制塊均能保持穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

本文通過SWAN模型進行了水庫堤 前波要素的計算,并對典型斷面進行了波浪斷面試驗,得出以下結(jié)論:

(1)各圍堤在各種工況下基本無越浪,波浪爬高也較小。

(2)50 a一遇設(shè)計高水位及較低水位 (4.5 m)遭遇50 a一遇設(shè)計波浪條件下,西堤、東堤及觀景平臺試驗斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、平臺及下坡30 cm厚干砌石、寬平臺20 cm厚混凝土護面及灌砌石擋墻等護面結(jié)構(gòu)均能保持穩(wěn)定。上坡混凝土預(yù)制塊厚度比選試驗中,設(shè)計條件下西堤和東堤斷面16 cm厚混凝土預(yù)制塊有上下浮動現(xiàn)象,處于或接近臨界穩(wěn)定狀態(tài),兩斷面12 cm厚混凝土預(yù)制塊均部分失穩(wěn),失穩(wěn)率分別為10.7%和4.8%;觀景平臺斷面16 cm及12 cm厚混凝土預(yù)制塊均能保持穩(wěn)定。

[1].鄭殿祥,周榮星,金瑞清,等.平原水庫波浪爬高計算方法探討 [J]..人民黃河,2009,31(3):86-87.

[2].程昌華,鄧伯強.庫區(qū)風(fēng)浪對水庫港碼頭建設(shè)的影響[J]..重慶交通學(xué)院學(xué)報,2001,20(B11):112-115.

[3].浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定.浙江省工程技術(shù)規(guī)定 [S]..杭州:浙江省水利廳,1999.

[4].The SWAN team.SWANUser Manual[M]..The Netherlands:Delft University,2008.

[5].南京水利科學(xué)研究院.JTYT 234—2001波浪模型試驗規(guī) [S]..北京:人民交通出版社,2001.