臺(tái)階式消浪護(hù)坡在土石壩加固工程中的應(yīng)用研究

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

按現(xiàn)行規(guī)范要求對(duì)土石壩進(jìn)行安全復(fù)核時(shí)，大壩欠高問(wèn)題普遍存在，需進(jìn)行壩體除險(xiǎn)加固。土石壩除險(xiǎn)加固方案主要有：①壩體培坡加高。在已有壩坡表層再進(jìn)行培坡，但新培坡體難以壓實(shí)，穩(wěn)定性難以保證。②新建或加高防浪墻。采用該方法加高有限，若加高過(guò)多，將阻擋視線，影響美觀。③增加消浪結(jié)構(gòu)。增加坡面粗糙度以降低波浪爬高，從而降低壩頂高程；消浪結(jié)構(gòu)不僅能消減波浪的爬高，降低壩頂高程，而且能減輕波浪對(duì)壩體的沖擊，有利于壩體的安全。因此，增加消浪結(jié)構(gòu)可以解決土石壩壩體欠高問(wèn)題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

目前，土石壩護(hù)坡消浪主要采取以下幾種方式：①傳統(tǒng)的護(hù)坡形式。如現(xiàn)澆混凝土、漿砌石、干砌石護(hù)坡，施工較便利，但消浪效果有限。②坡腳塊石消浪。施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但消浪效果不理想，拋填塊石易被波浪沖刷帶走，影響壩坡的穩(wěn)定。③混凝土預(yù)制塊消浪。目前常用的預(yù)制塊有各類異型塊體，如扭王字塊體、扭工字塊體等，該方法消浪效果較好，但對(duì)制作鋪設(shè)工藝要求較高，因此造價(jià)更高。④平臺(tái)消浪。消浪效果好，能有效地消減波浪爬高降低壩頂高程，但造價(jià)較高。⑤防浪墻消浪?？煞乐够驕p少波浪越頂，特別是反弧形防浪墻具有較好的消浪效果，但防浪墻受到的波浪沖擊力較大，影響防浪墻穩(wěn)定性。⑥壩坡面加糙。通過(guò)加大坡面糙率，使波浪發(fā)生破碎，減小波浪爬高，消浪效果較好。從加固效果、工程造價(jià)、施工便利等方面綜合考慮，壩坡面加糙是解決土石壩欠高問(wèn)題的最優(yōu)方式。而壩坡面加糙常用的方式有兩種，即上凸式加糙和下凹式加糙。臺(tái)階式消浪結(jié)構(gòu)因其具有上凸式和下凹式加糙消浪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，消浪效果好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)易，便于機(jī)械化施工，是一種高效且合理的消浪結(jié)構(gòu)，具有較好的工程應(yīng)用前景。

目前，臺(tái)階式護(hù)坡在土石壩加固工程中的研究及應(yīng)用較少，僅在海堤工程中有研究和應(yīng)用[1-3]。本文結(jié)合漳河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，采用數(shù)值模擬計(jì)算土石壩臺(tái)階式護(hù)坡的消浪效果，結(jié)合海堤臺(tái)階式護(hù)坡研究成果，分析土石壩臺(tái)階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)參數(shù)與斜坡糙率滲透系數(shù)的關(guān)系，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

漳河水庫(kù)地處湖北荊門市、宜昌市和襄樊市交界處，是一座以灌溉、防洪為主，兼有城市供水、發(fā)電、航運(yùn)、旅游等綜合效益的大（1）型水庫(kù)，水庫(kù)工程等級(jí)為Ⅰ等，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。擋水建筑物包括觀音寺大壩、雞公尖大壩2座主壩和林家港壩、王家灣壩、付集壩（原副壩）、周家河壩、禮堂壩5座副壩。其中，雞公尖大壩為黏土斜墻多種土料組合壩，壩頂長(zhǎng)1 950 m，寬9 m，壩頂高程126.8 m，最大壩高58.3 m，混凝土防浪墻頂高程為127.7 m。大壩上游坡比分別為1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0，為干砌塊石護(hù)坡；下游坡比分別1∶2.25、1∶2.75、1∶3.25、1∶2.0，為草皮護(hù)坡。下游坡面設(shè)排水溝，壩腳設(shè)堆石排水棱體。2017年漳河水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告顯示，雞公尖大壩壩頂欠高0.49 m。針對(duì)該問(wèn)題，漳河水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)擬采用臺(tái)階式消浪護(hù)坡結(jié)構(gòu)。

3 消浪效果數(shù)值模擬

3.1 模型建立

雞公尖大壩庫(kù)區(qū)集水面積較大、壩頂較長(zhǎng)，綜合考慮計(jì)算機(jī)性能及計(jì)算準(zhǔn)確性，特截取壩頂部分?jǐn)嗝娼嗝鏀?shù)值模型，其中模型具體尺寸規(guī)模為42.5 m×5 m×10 m（長(zhǎng)×寬×高）。針對(duì)堤岸區(qū)域紊流充分發(fā)展的情況，特選用當(dāng)前工程應(yīng)用最為廣泛的RNG k-ε雙方程紊流模型（計(jì)算量適中且計(jì)算精度良好），并結(jié)合FAVOR網(wǎng)格處理技術(shù)對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行六面體矩形網(wǎng)格微觀劃分，引入VOF方法追蹤流體變化。

3.1.1 網(wǎng)格劃分

圖1 網(wǎng)格劃分示意

本文選用Catia三維建模軟件，基于雞公尖水庫(kù)工程實(shí)際按照1∶1構(gòu)建三維實(shí)體模型，如圖1所示，X軸垂直于壩軸線指向下游，Y軸平行壩軸線指向左岸，Z軸為反重力方向。為加速計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算收斂，將三維實(shí)體模型整體劃分成1個(gè)網(wǎng)塊，并選用網(wǎng)格尺寸為0.05 m的均勻六面體網(wǎng)格均勻填充網(wǎng)塊?？紤]到岸坡區(qū)域水面波動(dòng)劇烈，特利用網(wǎng)塊嵌套技術(shù)在水面線±0.5 m內(nèi)進(jìn)一步加密網(wǎng)塊，最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m。整體三維模型有效網(wǎng)格達(dá)到80萬(wàn)個(gè)。

3.1.2 邊界及初始條件

為保證數(shù)值模擬水流流態(tài)與原型相似，網(wǎng)塊模擬區(qū)域較廣，各邊界條件依次如下：Ymin、Ymax依次為對(duì)稱邊界（symmetry），Zmin為無(wú)滑移固壁邊界，Zmax為與大氣相通的壓力邊界，Xmin為波浪邊界；其中初始水位為設(shè)計(jì)水位，波高0.49 m，周期3.11s，Xmax為無(wú)滑移固壁邊界。內(nèi)部嵌套網(wǎng)塊均設(shè)置為對(duì)稱邊界。

3.2 臺(tái)階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)其他學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)以及大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，本次計(jì)算針對(duì)臺(tái)階式護(hù)坡的高度和坡比兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了12種結(jié)構(gòu)尺寸，見圖2，計(jì)算高度均為3 m，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 計(jì)算模型示意

表1 臺(tái)階式護(hù)坡方案比較

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

漳河水庫(kù)波浪特性參數(shù)為平均波高0.49 m、平均波長(zhǎng)15.14 m、周期3.11 s，采用有限元軟件計(jì)算同一入射波、不同臺(tái)階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)參數(shù)下的波浪爬高。波浪爬高數(shù)值模擬計(jì)算典型結(jié)果見圖3。

圖3 波浪爬高數(shù)值模擬典型計(jì)算結(jié)果（表1中方案4）

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A規(guī)定，當(dāng)坡度系數(shù)為1.5～5.0時(shí)，波浪爬高計(jì)算公式為

式中，Rm為平均波浪爬高，m；m為單坡的坡度系數(shù)；Kp為爬高累計(jì)頻率換算系數(shù)；KΔ為糙率及滲透性系數(shù)；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Lm為平均波長(zhǎng)，m；hm為水域平均水深，m。

采用上述波浪爬高計(jì)算公式，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的各方案平均波浪爬高，計(jì)算糙率與滲透性系數(shù)K△，計(jì)算結(jié)果見表2。在同一入射波下，上游壩坡坡比m、臺(tái)階相對(duì)高度h/H及K△的關(guān)系見圖4。

表2 臺(tái)階式護(hù)坡各方案計(jì)算結(jié)果

臺(tái)階式海堤數(shù)值模擬研究成果表明[1]：階梯式海堤在外坡坡度和波坦相同的情況下，波浪爬高隨著海堤臺(tái)階高度增大呈先減少后增大的趨勢(shì)；當(dāng)相對(duì)臺(tái)階高度h/H約為0.8時(shí)，波浪爬高達(dá)到最小，波浪爬高衰減了40%左右，隨后波浪爬高稍有增大。臺(tái)階式海堤波浪爬高試驗(yàn)研究表明[2]：當(dāng)h/H＜0.25時(shí)，波浪相對(duì)爬高和臺(tái)階式斜坡堤的糙滲系數(shù)隨臺(tái)階相對(duì)高度的變化呈先減小再增大趨勢(shì)；當(dāng)h/H=0.063時(shí)，K△＝0.5，糙滲系數(shù)最小。

圖4 同一入射波下m、h/H與K△的關(guān)系

由圖4可知，同一入射波下，當(dāng)坡比m=2.5時(shí)，平均波浪爬高、K△隨h/H的增加先減小后增加；當(dāng)h/H=0.067時(shí)，K△達(dá)到最小值0.5。此規(guī)律與前文所述臺(tái)階式海堤的數(shù)值模擬及物理模型試驗(yàn)得出的規(guī)律基本一致，僅在K△取最小值時(shí)，臺(tái)階相對(duì)高度稍有差異。同一入射波下，當(dāng)h/H=0.067時(shí)，平均波浪爬高隨上游壩坡坡比m的增加呈先減小后增加再減小趨勢(shì)，總體呈減小趨勢(shì)，此規(guī)律與臺(tái)階式海堤數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的規(guī)律基本一致；K△隨m的增加呈先增加、后減小、再增加趨勢(shì)，當(dāng)m=2.5時(shí)，K△達(dá)到最小值0.5。

4 加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)波浪爬高數(shù)值模擬計(jì)算及分析結(jié)果，當(dāng)雞公尖大壩上游壩坡坡比m=2.5，b=0.5 m，h=0.2 m時(shí)，K△=0.5，為最小值。加固設(shè)計(jì)方案為：在正常蓄水位以上設(shè)置混凝土臺(tái)階式護(hù)坡，臺(tái)階寬度b=0.5 m，臺(tái)階高度h=0.2 m，見圖5。

雞公尖大壩原干砌石護(hù)坡波浪爬高為1.70 m，采用臺(tái)階式護(hù)坡加固方案后，計(jì)算得波浪爬高為1.24 m，壩頂高程基本滿足規(guī)范要求，取得了良好的消浪效果；加之壩頂改造時(shí)防浪墻加高20 cm，壩頂高程滿足規(guī)范要求。

圖5 雞公尖大壩加固典型斷面（單位：cm）

相較于常規(guī)壩頂幫坡加高方案，臺(tái)階式護(hù)坡方案節(jié)約工程投資約322萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便，無(wú)需特殊機(jī)械設(shè)備，無(wú)需拆除現(xiàn)有護(hù)坡，且與現(xiàn)有壩坡結(jié)構(gòu)有較好的適應(yīng)性。另外，臺(tái)階式護(hù)坡還可結(jié)合壩頂改造，打造親水生態(tài)景觀平臺(tái)。

5 結(jié)論

本文以漳河水庫(kù)加固工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算雞公尖大壩臺(tái)階式護(hù)坡消浪效果，結(jié)合海堤臺(tái)階式護(hù)坡數(shù)值模擬及物理模型試驗(yàn)結(jié)果，可以初步得到以下結(jié)論。

（1）同一入射波下，坡比相同時(shí)，平均波浪爬高、糙率及滲透性系數(shù)K△隨臺(tái)階相對(duì)高度的增加呈先減小后增加趨勢(shì)；當(dāng)在h/H=0.067時(shí)，K△達(dá)到最小值0.50。

（2）同一入射波下，相對(duì)臺(tái)階高度h/H=0.067時(shí)，平均波浪爬高隨上游壩坡坡比m的增加呈先減小后增加再減小趨勢(shì)，總體呈減小趨勢(shì)。

（3）臺(tái)階式護(hù)坡消浪效果較好，K△可達(dá)0.5～0.55。

臺(tái)階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低、消浪效果較好，下一步可深入研究波浪特性、臺(tái)階結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響臺(tái)階式護(hù)坡消浪效果的因素，總結(jié)臺(tái)階式護(hù)坡糙率與滲透性系數(shù)的規(guī)律，便于臺(tái)階式護(hù)坡的推廣應(yīng)用。