勝利水庫拋石防浪護(hù)坡的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

【摘要】勝利水庫自1961年運(yùn)行至今，主壩段受到風(fēng)浪的沖蝕嚴(yán)重，近年來對(duì)主壩段部分嚴(yán)重沖蝕段采用拋石的辦法防浪護(hù)坡，取得了良好的效果。本文試圖結(jié)合勝利水庫的拋石防浪護(hù)坡的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況，進(jìn)一步探究拋石這種古老的護(hù)面形式的設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】拋石護(hù)坡；設(shè)計(jì)；粒徑

1、水庫概況

勝利水庫位于新疆阿克蘇河流域最下游的農(nóng)一師塔里木灌區(qū)，阿克蘇河南岸，和田河西岸，阿克蘇市東南面約110km，東距阿拉爾城鎮(zhèn)30多公里。庫址屬于阿克蘇河、和田河、葉爾羌河三河沖積平原。水庫攔截葉爾羌河，系從阿克蘇河塔里木攔河閘引水入庫。其地理位置為東經(jīng)80°33′45″～80°45′，北緯40 °20′～40°32′30″。水庫庫容1.8億m3，調(diào)節(jié)灌溉面積目前73.65萬畝，屬二等大（二）型工程，其中永久性主要建筑物為2級(jí)，永久性次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)性建筑物為4級(jí)，灌溉保證率P=75%。

2、拋石防浪護(hù)坡設(shè)計(jì)

2.1 拋石的粒徑

勝利水庫拋石的代表粒徑伊里巴侖推導(dǎo)岸坡塊體的穩(wěn)定性方程進(jìn)行計(jì)算。水庫的波高采用官廳公式進(jìn)行計(jì)算，取0.838m。由于水庫的壩坡在1：5—1：12之間，在計(jì)算時(shí)取1：8，拋石的比重為2.6，容重為2.2g/cm3。計(jì)算拋石的代表粒徑分別為30.3mm和30.6mm。計(jì)算取值30mm。

2.2 拋石的級(jí)配

拋石的級(jí)配影響其穩(wěn)定性。尺寸變化不大的拋石空隙大，能吸收部分波能而減小爬高但所受到的力也較大。均勻級(jí)配的拋石，大石塊間的空隙被小石塊填充，這樣可以改善內(nèi)部連接，同時(shí)保持浪壓力作用在護(hù)層的外面而增加穩(wěn)定性，勝利水庫所采用的最大拋石粒徑為35cm左右，由此計(jì)算出拋石的厚度為30cm即可。

3、拋石防浪護(hù)坡應(yīng)用

拋石護(hù)坡在實(shí)際應(yīng)用中不可能對(duì)用于拋石的料進(jìn)行篩分后再鋪筑在壩坡上，因而選用符合或接近于上述設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的料場(chǎng)就顯得較為重要了，施工時(shí)我們采用了勿甫渠首處的料場(chǎng)作為護(hù)坡用料，實(shí)際就是混合戈壁料，以水庫庫容為9800×104m3時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水位1192.74m為準(zhǔn)垂直向上0.6m向下0.4m沿壩坡方向鋪筑混合戈壁，戈壁料各種顆粒含量所占比例以及其級(jí)配曲線如所示，可以看出40-80mm的顆粒占有相當(dāng)大的比例，占有62.3%這接近我們?cè)O(shè)計(jì)的d50=30mm的要有求。

經(jīng)過這幾年的運(yùn)行可以看出效果較好，可以很大程度地保護(hù)壩坡不被風(fēng)浪沖蝕。而且由于拋石護(hù)坡具有良好的柔性，冬季不怕冰凍的影響，不產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，水庫結(jié)冰，冰蓋下粘有的少量石子來年化凍又回落在壩坡上。從運(yùn)行上可以看出影響護(hù)坡安全的最大因素是拋石的粒徑以及均勻程度。在這方面由于設(shè)計(jì)時(shí)采用的現(xiàn)有的公式大多為半經(jīng)驗(yàn)公式，因而往往不能夠較為全面考慮各種影響拋石穩(wěn)定的因素。使得計(jì)算的結(jié)果針對(duì)本地的情況應(yīng)用難免出現(xiàn)偏差。應(yīng)用時(shí)為降低工程的造價(jià)不可能象做反濾層一樣對(duì)拋石按照不同的粒徑分層鋪筑。事實(shí)上從小到大分層鋪筑才是最為有效的辦法，這一點(diǎn)已從現(xiàn)在運(yùn)行的情況可以看出，已有部分的小的石子被回落的波浪帶走?？磥硎欠衲軓睦碚撋喜⒔Y(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)踐找到一種較為通用的設(shè)計(jì)方法，合理的確定拋石的粒徑控制指標(biāo)，對(duì)水庫拋石防浪這種古老的護(hù)面形式是十分必要的。

4、拋石防浪護(hù)坡設(shè)計(jì)方法的探究

拋石護(hù)坡設(shè)計(jì)的最終目的是確定適宜的拋石粒徑尺寸及級(jí)配和相應(yīng)的拋石厚度。拋石尺寸應(yīng)以能防止被波浪搬動(dòng)為準(zhǔn)。石塊的穩(wěn)定性與下列因素有關(guān)：拋石的形狀、尺寸、重量和擠實(shí)情況，壩坡的坡度、排水、拋石對(duì)堤身的附著狀態(tài)。波浪的要素如波高、波形波幅、質(zhì)點(diǎn)速度、進(jìn)入角頻率和含氣量等。由此可以看出，現(xiàn)有的拋石設(shè)計(jì)方法最終可以歸結(jié)為以粒徑指標(biāo)為核心的設(shè)計(jì)參數(shù)，拋石的關(guān)鍵就是粒徑，能建立起波長(zhǎng)、拋石的容重、內(nèi)摩擦角、壩坡坡腳等與拋石拋石粒徑的關(guān)系式也就找到了可行的設(shè)計(jì)方法。

對(duì)易沖河槽邊界以及土渠的彎曲段的拋石設(shè)計(jì)已經(jīng)有較成熟的方法，這些設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)主要是利用拖曳力理論形成的，拖曳力常用在拋石設(shè)計(jì)技術(shù)上，因?yàn)樗枋隽税l(fā)生在邊坡邊界上的力。但對(duì)于水庫的拋石護(hù)坡，由于拋石主要用于防護(hù)波浪的侵蝕沖刷，而波浪作用于壩坡邊界層的機(jī)理較為復(fù)雜，能否運(yùn)用起動(dòng)拖曳力的有關(guān)理論也建立起可以用于設(shè)計(jì)的方法，關(guān)鍵在于要弄清楚波浪作用于邊坡邊界的機(jī)理以及用于護(hù)坡的哪一級(jí)的粒徑為代表粒徑。在這我們建議從工程的安全考慮采用d60為代表粒徑。則以壩坡最大切應(yīng)力為指標(biāo)的石塊起動(dòng)條件為：

上式的左側(cè)也就是希爾茲希在分析單向流中泥沙起動(dòng)時(shí)所用的參數(shù)，由于起動(dòng)拖曳力，這樣作用于壩坡上的波浪起動(dòng)切應(yīng)力條件就可以轉(zhuǎn)化成起動(dòng)流速條件，而起動(dòng)流速，流速條件轉(zhuǎn)化為我們熟悉的波浪高、周期等參數(shù)，波浪作用于壩坡成為可解條件了。在此基礎(chǔ)上再依據(jù)斯維（Svee）壩坡穩(wěn)定性方程就可以建立起拋石粒徑與波浪浪高、壩坡等設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式了。這樣我們就找到了既能夠在理論上有合理的依據(jù)又能夠應(yīng)用于水庫防浪拋石護(hù)坡實(shí)際工程設(shè)計(jì)的一般關(guān)系式，從而擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，不再局限于某一條件或某些地區(qū)的水庫拋石護(hù)面的設(shè)計(jì)了。

5、結(jié)論與建議

水庫拋石護(hù)面是最為古老的一種護(hù)面形式之一，卻缺乏一般性的設(shè)計(jì)方法，我們所作的嘗試是初步的，還有待于更進(jìn)一步的工程應(yīng)用來加以驗(yàn)證，事實(shí)上拋石設(shè)計(jì)中波浪因素是較難確定的，這進(jìn)一步使得用于設(shè)計(jì)的方法所得的結(jié)果的不確定性增加。拋石的代表粒徑用平均粒徑進(jìn)行計(jì)算是欠妥的，進(jìn)一步分析采用何種粒徑為計(jì)算代表粒徑是值得研究的事。同時(shí)拋石粒徑只是設(shè)計(jì)中幾個(gè)重要因素之一，拋石的坡腳防護(hù)、拋石的鋪筑方法等也是設(shè)計(jì)當(dāng)中必須考慮的因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]D.斯蒂芬森 堆石工程水力計(jì)算 海洋出版社 1984

[2]錢寧 泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué) 水利電力出版社 1980