某土石壩上游護坡型式改變影響壩頂高程的試驗研究

徐麥菊 葉偉 徐章耀 劉永強 馬福恒

摘要：針對病險水庫除險加固過程中會出現(xiàn)的上游護坡型式改變的情況，基于物理模型試驗，研究各工況下干砌石與混凝土兩種類型護坡的波浪爬高及越浪情況，確定護坡類型變化對波浪爬高和壩頂高程的影響。以某水庫大壩為例，采用1∶15的模型比尺進行了不同護坡型式典型斷面的波浪物理模型試驗。研究發(fā)現(xiàn)，由于干砌石、混凝土兩種型式護坡的糙滲系數(shù)相差015，干砌石護坡改為混凝土護坡后最大波浪爬高計算值增長056 m，試驗值增長06 m，此情況下壩頂?shù)默F(xiàn)狀高程不能滿足規(guī)范要求；改變護坡型式后波浪沖擊壩頂胸腔而產(chǎn)生的躍浪量也會增加，胸墻收到的最大波浪壓力從159 kPa增至178 kPa。試驗的成果對類似除險加固工程的設(shè)計工作具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：土石壩；護坡；壩頂高程；模型試驗；糙滲系數(shù)

中圖分類號：TV641文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16721683（2018）03014906

Experimental study on effect of the upstream slope protection type change of an earth rock dam

XU Maiju1，YE Wei2，XU Zhangyao3，LIU Yongqiang3，MA Fuheng2

（1.Management Bureau of Zhaopingtai Reservoir，Pingdingshan 467300，China；

2.Dam Safety Management Department， Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；

3.Management Bureau of Baiguishan Reservoir，Pingdingshan 467301，China）

Abstract：In view of the upstream slope protection type change in the process of the reinforcement of dangerous reservoirs，we conducted a physical model test to study the wave runup and overtopping situation of the dry masonry slope protection type and the concrete type，and determined the effect of slope protection type change on the wave runup and crest elevation.In this paper，we took a reservoir dam for a case study.A wave physical model test of a typical section of the slope protection types was carried out at the scale of 1∶15.The test results showed that the roughness coefficients of the dry masonry and concrete types differed by 015.After the change of slope protection type from dry masonry to concrete，the calculation value of the maximum wave runup increased by 056 m， and the test value increased by 06 m.In this condition，the original crest elevation could not meet the standard requirements.In addition，after the change of slope protection，the wave overtopping will also increase.The maximum wave pressure on the parapet will increase from 159 kPa to 178 kPa.The results of the test can provide a reference to the design of similar reinforcement projects.

Key words：earth and rockfill dam；slope protection；crest elevation；model test；roughness coefficient

20世紀(jì)50年代至70年代我國修建了大量水庫，由于歷史原因及設(shè)計施工水平的限制，多數(shù)大壩存在病險問題。一般而言，常見的水庫病險主要分7個方面：防洪、抗震、大壩結(jié)構(gòu)、大壩滲流、輸、泄水建筑結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)和機電設(shè)備及管理設(shè)施等[14]。其中，大壩結(jié)構(gòu)病險問題又主要包括護坡破損、壩坡不穩(wěn)定、斷面不足等3個方面。通常，土石壩上游可采用塊石、現(xiàn)澆混凝土及預(yù)制混凝土塊等型式[5]進行護坡整治。以昭平臺水庫為例，水庫除險加固過程中將主壩上游護坡型式由原干砌石改為混凝土面板。然而，護坡型式的改變將影響糙率滲透性系數(shù)[610]，影響波浪爬高，使得壩頂高程不滿足要求，繼而影響大壩的防洪。

姜樹海和范子武[11]定量評估了壩頂高程的時變特性，論證了陡變性作用對大壩防洪安全的影響極為顯著。焦景輝等[12]提出在混凝土板上采用臺階結(jié)構(gòu)加糙以降低壩頂高程，這一措施使糙率滲透性系數(shù)值降低到了砌石標(biāo)準(zhǔn)（075～08），大大節(jié)省了工程投資。喬樹梁[13]進行了壩頂高程確定的影響因素的分析，認為需要根據(jù)水庫所在地風(fēng)速、上游坡比、不同的運行工況等綜合條件進行分析計算。可見，壩頂高程與護坡型式、采取的措施和環(huán)境條件等多個因素有關(guān)[1418]。護坡型式改變后復(fù)核波浪爬高、躍浪量等對大壩防洪至關(guān)重要[1923]。

第16卷 總第96期·南水北調(diào)與水利科技·2018年6月徐麥菊等·某土石壩上游護坡型式改變影響壩頂高程的試驗研究某水庫攔河壩原上游護坡為砌石，除險加固工程改為混凝土，從而增加了風(fēng)浪爬高，安全評價復(fù)核認為主壩壩頂高程不滿足規(guī)范要求，對大壩防洪安全不利[24]。為進一步確定護坡類型變化對波浪爬高的影響，本文選取攔河壩典型斷面，采用1∶15的模型比尺進行了斷面波浪爬高物理模型試驗，模擬得到了不同工況下干砌塊石及混凝土兩種護坡型式下的波浪爬高，測量了越浪和胸墻結(jié)構(gòu)波浪壓強等。綜合試驗成果，分析了上游護坡型式改變對壩頂高程的影響。

1試驗系統(tǒng)

波浪試驗在南京水利科學(xué)研究院波浪水槽（見圖1）中進行，水槽長64 m、寬18 m、深18 m。水槽可同時產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)等多種環(huán)境因素。水槽的工作段分割成08 m和10 m兩部分，08 m段用來布置物理模型和進行模型試驗，另一段則用于擴散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有丹麥水工研究所（DHI）生產(chǎn)的推板式不規(guī)則波造波機。造波系統(tǒng)由計算機自動控制產(chǎn)生需模擬的波浪要素，可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。為消除水槽試驗中波浪的多次反射，造波板上安裝DHI研制的二次反射吸收裝置（ARC）。波壓力采用CSYⅡ型壓力監(jiān)測系統(tǒng)測量。波浪要素和爬高采用電阻式波高、爬高儀測量，由計算機自動采集處理；越浪量采用接水箱稱取水重。

2試驗?zāi)Ｐ?/p>

2.1模型設(shè)計

水庫攔河壩為黏土斜墻砂殼壩，斷面見圖2?，F(xiàn)狀壩頂高程1818 m，最大壩高355 m，壩頂長2 315 m，頂寬70 m、凈寬64 m。防浪墻高12 m，墻頂高程183 m。除險加固主壩上游護坡由原干砌石護坡改為混凝土面板護坡，胸墻也在以往的維護工程中發(fā)生變化。由于水庫水域面積較大，承受較大風(fēng)浪作用，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，計算平均波浪爬高時干砌石護坡糙滲系數(shù)取075，混凝土護坡糙滲系數(shù)取090，兩者相差015，使得風(fēng)浪爬高增加，可能導(dǎo)致壩頂高程不足。為進一步確定護坡型式改變對風(fēng)浪爬高及胸墻越浪的影響，需通過斷面物理模型試驗，測量設(shè)計洪水位和校核洪水位情況下兩種類型護面的波浪爬高及胸墻頂?shù)脑嚼饲闆r。

試驗斷面選擇攔河壩上游壩坡至擋浪墻結(jié)構(gòu)，并分別構(gòu)建了干砌塊石和混凝土面板兩種護坡模型。試驗首先制作胸墻、干砌塊石和混凝土面板模型；制作過程保證重量和幾何相似，且將重量、幾何誤差分別控制在3%、1%以內(nèi)。然后對試驗斷面按幾何比尺縮小后進行放樣，構(gòu)筑大壩斷面，斷面尺寸誤差也控制在1%以內(nèi)（見圖3）。大壩17000 m高程設(shè)有寬2 m的平臺，上坡有兩種坡度，17700 m高程以上坡度為1∶20，17700～17000 m高程為1∶25；下坡17000～15700 m高程為1∶30，以下至壩腳為1∶35。壩頂設(shè)有胸墻，防浪墻頂高程為18300 m，墻頂設(shè)有5 cm寬挑檐。

types of slope protection

試驗遵照JTJ 234-2001《波浪模型試驗規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[25]，采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計。根據(jù)設(shè)計水位、波浪要素、試驗斷面及試驗設(shè)備條件等因素。模型幾何比尺取為15，各物理量比尺如下：幾何比尺Lr=15，時間比尺：Tr=L1/2r，重量比尺：Pr= L3r，壓強比尺：Pr= Lr。試驗分別采用規(guī)則波和不規(guī)則波進行，以不規(guī)則波為主，規(guī)則波作為對比，每組試驗重復(fù)3次。

波浪的平均波高和平均周期采用莆田試驗站公式。

gHmW2=0.13tanh[0.7（ghmW2）0.7]·

tanh0.0018（gDW2）0.450.13tanh[0.7（ghmW2）0.7]（1）

Tm=4.438H0.5m（2）

式中：Hm為平均波高（m）；Tm為平均波周期（s）；W 為平均波周期（m/s）；D 為風(fēng)區(qū)長度（m）；hm為水域平均水深（m）；g為重力加速度，取981 m/s2；W為設(shè)計風(fēng)速（m/s）；正常運用條件下的1級、2級壩，采用多年平均年最大風(fēng)速的15～20倍；非常運用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速。

由當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑?980-2011年氣象資料，分方向統(tǒng)計后可得該地區(qū)年最大平均風(fēng)速為150 m/s。由于當(dāng)?shù)貧庀缶钟^測場高度1457 m，風(fēng)桿高度105 m，而水庫校核洪水位為18075 m，高于觀測場高度。因此，將氣象站風(fēng)速進行修正得到相應(yīng)水面上風(fēng)速，為195 m/s；多年平均年最大風(fēng)速取為240 m/s。從而，試驗所用波浪要素的依據(jù)風(fēng)速分別取150 m/s、195 m/s和240 m/s等3種。攔河壩為2級，正常運用條件下取多年平均年最大風(fēng)速的15倍，因此，風(fēng)速分別取為225 m/s、293 m/s和360 m/s。在正常運用和非正常運用情況下的風(fēng)區(qū)長度分別為5 454 m和5 600 m，由上述3種風(fēng)速及15倍的值，采用莆田試驗站公式計算得到壩前校核洪水位（非正常運用條件）和設(shè)計洪水位（正常運用條件）波浪要素列于表1。

2.2試驗內(nèi)容和試驗方法

試驗水位分別為校核洪水位18075 m和設(shè)計洪水位17706 m。

試驗內(nèi)容包括測量設(shè)計洪水位和校核洪水位情況下，干砌塊石護坡、混凝土護坡的波浪爬高、墻頂越浪以及胸墻壓強。首先進行波浪要素率定，試驗時先用小波作用，以使堤身密實，然后按設(shè)計波浪要素造波，進行各項內(nèi)容的試驗。

（1）斜坡護面波浪爬高試驗。

在坡度為1∶20的足夠長斜坡上布置波高儀，測量混凝土面板及干砌塊石型式時的波浪爬高。

（2）胸墻越浪測量斷面試驗。

測量一個波列作用下的越浪水體重量，然后除以一個波列作用時間，從而得到平均單寬越浪量。試驗在大壩斷面后側(cè)安置一接水箱，箱內(nèi)置一臺微型水泵，隨時將越浪水體抽出，并稱重，以計算越浪水量。

在胸墻中心線布置壓強測點，測量胸墻壓強，進行壓強測量。

3試驗成果及分析

3.1波浪爬高試驗

護坡結(jié)構(gòu)型式的糙滲系數(shù)KΔ是反映其消浪性能的重要參數(shù)，不同結(jié)構(gòu)型式的糙滲系數(shù)KΔ使斜坡上的爬高也不相同。在校核洪水位、設(shè)計洪水位及相應(yīng)波浪作用下，波浪爬高試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果列于表2。

3.2越浪量

由于波浪爬高只是表示波浪在斜坡上的爬升高度，而壩頂實際采用帶挑檐的直立胸墻結(jié)構(gòu)。因此，需要模擬壩頂胸墻結(jié)構(gòu)，通過越浪量試驗，觀測波浪的越頂狀況。試驗中波浪作用于壩頂胸墻的狀況見圖4，各工況下胸墻越浪量列于表3。

洪水位H1%=1.16 m，Tm=3.07 s1.0×1035.1×104H1%=1.54 m，Tm=3.54 s1.1×1036.3×104H1%=1.93 m，Tm=3.96 s1.4×1038.3×104H1%=1.77 m，Tm=3.79 s1.2×1040H1%=2.34 m，Tm=4.37 s1.4×1040H1%=2.90 m，Tm=4.87 s1.5×1040從試驗結(jié)果可看出，即使是在設(shè)計洪水位、24 m/s風(fēng)速下的波浪（H1%=290 m，Tm=487 s）的情況下，越浪量也較小，只有15×104m3/（s·m）。然而，在試驗過程中（圖4）可看到，由于胸墻和挑檐的作用，雖然越過胸墻的水量較小，但波浪作用于胸墻時濺起較大水花。如果遭遇7～9級左右大風(fēng)作用，濺起的水體受風(fēng)力影響可能越過胸墻。如考慮風(fēng)力對爬高后波浪的影響，越浪量將會有較大增加。

3.3胸墻壓強

為分析校核洪水位、設(shè)計洪水位及相應(yīng)波浪要素組合下波浪爬高對胸墻作用，胸墻自上而下布置了6個測點，測量所受壓強，測點布置見圖5。由于設(shè)計洪水位時波高較小，波浪難以作用到胸墻上部，使得胸墻所受波浪壓力較小。校核洪水位15 m/s的風(fēng)速壓強試驗結(jié)果見表4。由表可見，在校核洪

4結(jié)論

本文以某水庫大壩為例，采用1∶15的模型比尺進行了不同護坡型式下的波浪斷面物理模型試驗，由試驗可以得到如下結(jié)論。

（1）將上游護坡型式由干砌塊石改為混凝土面板后，糙滲系數(shù)發(fā)生了顯著變化，壩頂高程已不能滿足規(guī)范的要求。

（2）試驗中觀察到由于大壩胸墻頂部設(shè)有挑檐，波浪上爬后被反卷會水庫，因此越浪量較小。但實際情況是在發(fā)生較大波浪作用時，風(fēng)速也較大，如果在試驗中考慮風(fēng)的影響，越浪量將會有較大幅度的增加。

（3）試驗結(jié)果供其他除險加固工程參考，在改變護坡型式后應(yīng)同時復(fù)核相應(yīng)的波浪爬高，或加以物理模型試驗，以合理確定壩頂高程，或采取加糙措施，以保障水庫的防洪能力。

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