波浪模型試驗在興凱湖護岸工程中的應用

戴永志，朱艷紅

(上海千年城市規(guī)劃工程設計股份有限公司，上海 201108)

興凱湖為中俄界湖，在黑龍江省東南部，距密山市35km2，北部1/3的面積為中國，南部屬俄羅斯。興凱湖南北長達100多km，東西寬達60多km，面積4380 km2，平均水深4～5m，最大水深約10m，總儲水量240億～260億m3。興凱湖的湖床坡度很緩，為35%～5%，形成廣闊的岸灘。

根據(jù)資料記載和現(xiàn)場踏勘，興凱湖邊上早期建成的擋墻和護岸幾乎全部破壞，現(xiàn)有護岸形式不大適合興凱湖的實際情況。破壞情況如圖3。

鑒于興凱湖湖面寬廣、水深較大、風浪較大坡度較緩，岸灘水淺為破碎波區(qū)，波浪對岸灘及護岸的穩(wěn)定安全有直接影響，防護措施不當會造成護岸破壞。因此對于擬建護岸，通過波浪斷面模型試驗研究護岸在波浪作用下的安全性、合理性是非常必要的。

1 地形地貌和泥沙特點

興凱湖平面圖如圖1所示，本次護岸工程位于大興凱湖北側(cè)岸段的中部，用于防護大興凱湖與小興凱湖間的湖崗，考慮興凱湖為國家級自然保護區(qū)、國家地質(zhì)公園，其中湖崗地區(qū)為核心區(qū)有大量稀有動植物物種，且有新開流古文化遺址，根據(jù)GB50201—2014《防洪標準》，防洪標準定為100年一遇。

工程岸段衛(wèi)片圖如圖2所示，由圖1—2可以看出，興凱湖北側(cè)岸線為規(guī)則弧形岸線，這是典型的波浪與陸地間形成的穩(wěn)定岸線形態(tài)，擬建工程的岸線是該岸線的一部分。興凱湖地區(qū)的風浪條件是這種穩(wěn)定岸線形成的根本原因。各月主風向出現(xiàn)的頻率如圖3所示，該圖為根據(jù)興凱湖農(nóng)場氣象站1973—2012年共40年的氣象資料統(tǒng)計結(jié)果[1]，可以看出，興凱湖暢流期，SSW風向是主風向，平均出現(xiàn)頻率超過70%。興凱湖的波浪主要為風成浪，SSW向風形成的波向分布如圖4所示，常風向SSW向風形成的波浪波向基本垂直于工程岸段，可見岸線走向與當?shù)仫L浪是相適應的，因此形成了穩(wěn)定弧形岸線形態(tài)，沿岸縱向輸沙基本達到平衡。

圖1 興凱湖平面形態(tài)及護岸工程位置圖

圖2 工程岸段衛(wèi)片圖

圖3 各月份主風向出現(xiàn)的幾率圖[1]

圖4 SSW向風形成的波向分布圖[1]

當?shù)氐刭|(zhì)條件單一，岸灘主要為中值粒徑0.31mm的中細砂。興凱湖護岸工程主要研究的是近岸護岸工程實施后護岸前局部沖刷問題，以及對護岸穩(wěn)定性是否產(chǎn)生影響。由前面岸灘地形地貌分析可知，工程岸段已形成穩(wěn)定的弧形岸線，縱向輸沙量小，因此護岸前的局部沖刷主要為波浪作用下的橫向輸沙[2- 3]造成，為二元問題，可以進行二維試驗研究。

2 水位與風速

2.1 水位

該流域內(nèi)主要水文測站有龍王廟水文站、擋壁鎮(zhèn)、阿斯特拉漢卡水位站，以及興凱湖第一泄洪閘臨時水位站(觀測汛期水位)，其中阿斯特拉漢卡水位站水文資料系列最長。通過阿斯特拉漢卡站、龍王廟站以及當時農(nóng)場的水位觀測，用相關法插補延長系列，使阿斯特拉漢卡站的年平均水位延長為1914—1973年，共60a系列。根據(jù)阿斯卡拉漢卡和龍王廟以及龍王廟與興凱湖湖口水痊相關，前者相關點距為5a 30d平均水位，后者相關點距不每日平均值60d。通過上述相關求得工程位置大湖湖口月平均最高洪水位，見表1。

表1 大湖口月平均最高洪水位成果表 單位：m

考慮到泥沙淤積，根據(jù)相關文獻資料[4]和現(xiàn)場踏勘水位達到了70.49m，對設計水位進行調(diào)整，具體調(diào)整方式為在原水位上增加0.50m。調(diào)整后最高水位。多年平均洪水位為69.77m；多年平均枯水位為68.80m；歷史最低水位為67.70m。

2.2 風速

雞西地區(qū)的100年一遇對應設計風速為32.24m/s。根據(jù)興凱湖農(nóng)場1995—2014年16方位10mim平均風速年極值統(tǒng)計資料，各方向最大風速為18.0m/s，出現(xiàn)在WNW向，其次為SSW、WSW和NW向，最大風速為15.0m/s。依據(jù)GB50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》，設計波浪要素計算取汛期最大風速的1.5倍，經(jīng)高度訂正后，其設計風速為30.78m/s。綜合以上資料， 100年一遇設計風速取值為32.24m/s。

3 試驗斷面方案

根據(jù)自然保護區(qū)的建設要求，提出在保證安全基礎上同時考慮生態(tài)性、景觀性，在此原則上提供了多種試驗斷面。試驗分直立式和斜坡式護岸，斜坡護岸又分生態(tài)混凝土、混凝土連鎖塊與雷諾護墊三種護岸形式，每種護岸形式分200、250、300mm三種厚度。具體如圖5—8所示。

圖5 斜坡方案1—生態(tài)砼

圖6 斜坡方案2—混凝土連鎖塊

圖7 斜坡方案3—雷諾護墊

圖8 直立式護岸

4 波浪模型試驗

4.1 試驗模型

興凱湖為內(nèi)陸湖泊，其波浪主要為小風區(qū)風浪。計算水深和風區(qū)長度選取按JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中規(guī)定的方法進行。根據(jù)設計風速32.24m/s，通過計算得到興凱湖護岸工程設計波浪要素見表2。

表2 護岸設計波浪要素

波浪斷面物理模型試驗在南京水利科學研究院長波浪水槽中進行，該水槽長170m、寬1.2m、高1.6m，可同時產(chǎn)生波浪、水流和風。水槽的工作段分割成0.6m寬兩部分，一部分用來安放模型斷面和進行模型試驗，另一部分用于擴散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機，由計算機自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。該造波系統(tǒng)可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。波浪長水槽照片如圖9所示。

圖9 試驗波浪水槽

本項目重點研究近岸區(qū)，特別是破碎波區(qū)岸灘沖淤變化，為此需著考慮波浪條件下岸灘破波區(qū)附近水域泥沙運動相似要求。

在模型沙設計時，首先按泥沙起動相似要求，由現(xiàn)場岸灘底質(zhì)中值粒徑計算出不同容重模型沙的粒徑。然后根據(jù)沖淤部位相似的要求算得沉速比尺λw，再由張瑞瑾沉速公式計算出對應于不同容重泥沙的對應粒徑。最后根據(jù)兩方面計算結(jié)果的比較，確定模型沙的種類和粒徑。

本模型選擇顆粒密度容重γs=1.36g/cm3的煤屑作為模型沙，其干容重約為0.7g/cm3。經(jīng)過綜合比較，選擇模型沙的中值粒徑為0.35mm，其粒徑級配曲線見圖10。模型主要比尺見表3。

表3 模型主要比尺情況

圖10 模型砂粒徑級配曲線

4.2 試驗結(jié)果

(1)岸灘變形前試驗結(jié)果

試驗測量了原岸灘地形條件下的各斷面頂部越浪量、最大爬高與護面穩(wěn)定性，詳見表4—6。

表4 擋浪墻頂越浪量試驗結(jié)果

表5 波浪爬高試驗結(jié)果

表6 護岸各斷面穩(wěn)定性試驗結(jié)果 單位：mm

(2)岸灘變形

在原岸灘地形條件下構(gòu)建斜坡式護岸后，在波浪作用下，由于護岸存在，保護了波浪對護岸的沖刷，同時也切斷了形成穩(wěn)定岸灘坡面所必須的橫向輸沙供砂源，因此，在波浪的長期作用下，會發(fā)生岸灘變形。

試驗測量了岸灘在波浪長時間作用下的變形過程，不同時刻的斷面形態(tài)變化如圖11—12所示。

圖11 斜坡式護岸前岸灘在波浪作用下的變形過程

圖12 直立式護岸前岸灘在波浪作用下的變形過程

斜坡式護岸當波浪連續(xù)作用時間相當于原型5d后，護岸前岸灘達到一個趨于穩(wěn)定的形態(tài)，護岸U型板樁前最大沖刷深度為1.7m；對于直立式護岸，由于直立式護岸反射波浪，墻前波高增大，護岸前沖刷速度加快，當波浪連續(xù)作用時間相當于原型2.5d后，護岸U型板樁前最大沖刷深度為2.0m。

(3)岸灘變形后試驗結(jié)果

試驗測量了岸灘變形后的各斷面頂部越浪量、護面穩(wěn)定性，詳見表7—8。

表7 擋浪墻頂越浪量試驗結(jié)果

表8 護岸各斷面穩(wěn)定性試驗結(jié)果 單位：mm

5 護岸設計

通過模型試驗，考慮景觀性、生態(tài)性、親水性，最終選用250mm厚的混凝土連鎖塊護面斜坡式護岸，取消堤頂小擋墻，放坡直接到護岸頂標高73.20m?？紤]到現(xiàn)場施工條件，U型板樁優(yōu)化為常規(guī)板樁，通過對最不利工況刷深度1.70m計算，板樁長度調(diào)整為6.50m。鑒于湖堤砂源充足且滿足規(guī)程規(guī)范要求，壩體采用水力沖填砂填筑，此方案施工速度快且經(jīng)濟性高。斷面如圖13所示。

圖13 興凱湖護岸最終設計斷面示意圖

本工程已經(jīng)建成運行多年，有效阻止波浪對湖崗的沖刷，保證自然保護區(qū)內(nèi)稀有動植物物種和新開流古文化遺址不受損壞，達到預期目的。

6 結(jié)論

本文首次在岸灘水淺、坡緩的興凱湖采用波浪斷面模型試驗確定護岸的堤頂高程、坡面型式與厚度、坡前沖刷深度，根據(jù)沖刷深度確定板樁長度與厚度，有效保證了護岸的安全可靠與生態(tài)經(jīng)濟。此方案可供類似工程設計研究提供參考。