秦山核電廠海堤加高工程擋浪墻波浪力研究

沈靠山,李 翔

(浙江省錢塘江管理局,浙江 杭州 310016)

1 問題的提出

為提高已建海塘防洪潮減災(zāi)能力和增強應(yīng)對臺風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害的能力。近年來海塘加固工程日益增多。在應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮等特殊水動力條件下,擋浪墻上浪壓力對擋浪墻的穩(wěn)定至關(guān)重要。

本文將介紹在1 000 a一遇水位與100 a一遇臺風(fēng)浪組合工況下,秦山核電廠海堤加高工程中擋浪墻上浪壓力的研究成果,并對水槽模型試驗與經(jīng)驗公式計算得到的波浪力進行了比較,為類似工程設(shè)計積累經(jīng)驗。

2 模型試驗[1-2]

2.1 試驗條件

試驗在不規(guī)則波水槽中進行,主要儀器包括液壓式不規(guī)則波系統(tǒng)、相應(yīng)的控制軟件以及電阻式波高儀。測力系統(tǒng)為DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng),可對水位、波高、點脈動壓力、面脈動壓力等進行同時采集。試驗時不考慮水體黏性的影響,只保持模型與實物之間的Froude數(shù)和Strouhal數(shù)相同。模型比尺M采用25,即長度比尺λ L=λ H=25,時間比尺 λ T=5.0, 重量比尺λ W=15 625。

試驗斷面堤前波浪和潮位采用浙江省水利河口研究院于2008年編制的 《秦山核電廠擴建工程(方家山核電)設(shè)計基準(zhǔn)洪 (低)水位專題總報告》相關(guān)資料。試驗水文組合為基準(zhǔn)水位與臺風(fēng)浪組合情況,即最高潮位 (基準(zhǔn)水位10.01 m)及前后各2 h的潮浪工況。試驗中主要采用不規(guī)則波,波譜采用JONSWAP譜,試驗斷面堤前波浪和潮位資料[3]見表1。

表1 試驗斷面堤前水文要素表

2.2 模型試驗斷面

試驗斷面型式:堤頂高程為10.20 m,堤頂路面外側(cè)擋浪墻高于堤頂1.20 m,在內(nèi)側(cè)設(shè)2.50 m高的內(nèi)擋墻;迎潮面護坡采用C25混凝土四腳空心塊(4 t),5.50 m高程平臺表面為混凝土預(yù)制塊2.00 m×2.00 m×0.60 m,斷面鎮(zhèn)壓層頭部為1.65 t扭工字塊 (見圖1)。

圖1 海堤波浪水槽模型試驗斷面圖

2.3 試驗成果

擋浪墻迎潮面以1.00 m高度為間隔共布置4個測壓頭(見圖2)。在基準(zhǔn)洪水位與臺風(fēng)浪組合情況下,實測擋浪墻迎潮面波壓力見表2。從表2中可看出,①對于擋浪墻不同測力位置,靜水位附近測力點波壓力最大,不規(guī)則波最大值達174.7 kPa,靜水位上、下1.00 m處波壓力稍小,擋墻迎潮面底部波壓力相對最小;②不規(guī)則波的試驗結(jié)果整體要大于規(guī)則波;③沿高度方向積分,得單位堤長擋浪墻水平總波浪力為558 kN。

表2 實測擋浪墻迎潮面波壓力表

圖2 擋浪墻測力點布置圖

3 經(jīng)驗公式分析

分別采用SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中斜坡式海堤、直立式海堤護面、Martin等研究成果的經(jīng)驗公式進行計算。

(1)SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中對于斜坡式海堤頂部防浪墻上的波浪力,當(dāng)無因次參數(shù)時ζ≤ζb,可采用下式計算擋浪墻上的浪壓力:

式中:d1為擋浪墻前水深,m,取2.01 m;d為靜水面至涂面高度,m,取9.01 m;為平均壓力壓強,kPa;P為單位長度防浪墻上的總波浪力,kN/m;KP為與無因次參數(shù)ζ和波坦L/H有關(guān)的平均壓強系數(shù),查規(guī)范P119頁圖G.2.3-2確定KP取4.63;Kz為與無因次參數(shù)ζ和波坦L/H有關(guān)的波壓力作用高度系數(shù),查規(guī)范P119頁圖G.2.3-2確定Kz取1.36。

(2)SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》 中對于直立式護面上的波浪力采用:

式中:K1為水底坡度 i的函數(shù),查規(guī)范P114頁表G.1.1-1確定K1取1.89;K2為波塘L/H的函數(shù),查規(guī)范P115頁表G.1.1-2確定K2取1.0;PS為靜水面處的波浪壓力強度,計算結(jié)果為123.36 kPa。

靜水面以下深度 Z=H/2處的波浪壓力強度為86.35 kPa,水底處波浪壓力強度為74.00 kPa。根據(jù)規(guī)范P114頁圖G.1.1-1波壓力分布圖可確定作用在擋浪墻上的總波壓力為379.0 kN/m。

(3)Martin[4]等人的研究成果計算波浪壓力,Martin從波浪爬高角度,根據(jù)爬高以及爬高水體形成的“水舌”的厚度分析波浪力與壓強的關(guān)系。計算公式如下:

hw為在靜水處 “水舌 “的厚度,Martin認為其近似為波高H,為6.66 m;Z為堤頂至靜水位間的高度,為0.19 m;Ru為波浪在斜坡面上的最大爬高,為5.42 m;β為坡角,約為45°,由公式計算確定 h1為6.43m;α為0.96;Ρh1為60.5 kPa;則作用在擋浪墻上的總波壓力為205.7 kN/m。

4 結(jié) 語

由試驗可知靜水位附近測力點波壓力最大;擋浪墻的波浪力試驗值和規(guī)范值相比,試驗值基本為規(guī)范值的1.5～2.5倍。在類似工程設(shè)計中,建議由規(guī)范公式計算值乘以2作為設(shè)計波浪作用力。

[1]胡金春.應(yīng)對超高水位的海堤加高方案波浪模型試驗研究[J].浙江水利科技,2011(6):36-38.

[2]胡金春.秦山核電廠一期海堤加高優(yōu)化方案波浪水槽模型試驗報告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[3]黃世昌.秦山核電廠擴建工程 (方家山核電工程)設(shè)計基準(zhǔn)洪(低)水位專題報告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.

[4]Francisco L.Martin,Miguel A.losada,Raul Medina.Wave loads on rubblemound breakwater crown walls[J].Coastal Engineering,1999(37):149-174.