鄭國(guó)誕,陳 剛,胡金春,魯海燕

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

浙江省水庫(kù)多屬灘涂水庫(kù),其特點(diǎn)為:地形平坦,庫(kù)容主要由圍壩形成,水庫(kù)水面比較開闊,水深較小,一般為淺水[1].。水庫(kù)修建后,庫(kù)區(qū)形成封閉的人工湖泊,水面比較寬,并且四周沒有山峰或高大建筑物阻擋,所以庫(kù)區(qū)風(fēng)的吹程比較大,風(fēng)浪形成力強(qiáng),對(duì)壩體等工程措施產(chǎn)生嚴(yán)重危害。一般而言,在同樣條件下,庫(kù)區(qū)的風(fēng)浪尺度比非庫(kù)區(qū)風(fēng)浪尺度大,比外海的風(fēng)浪尺度顯著減小[2].。因此在進(jìn)行水庫(kù)壩體設(shè)計(jì)時(shí),有必要搞清楚圍堤堤前波要素并且在條件允許的情況下最好進(jìn)行斷面波浪模型試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性,本文以臨海浦海涂水庫(kù)為例進(jìn)行波要素的推算并開展斷面試驗(yàn)研究。

1 工程概況

臨海浦海涂水庫(kù)工程選址于尖山河灣南岸余姚岸段,余姚市海塘除險(xiǎn)治江圍涂四期工程的湖北北塊圍區(qū)內(nèi),即臨海浦新閘下游側(cè)、湖北東直堤上游側(cè) (見圖1)。本海涂水庫(kù)工程是作為余姚市海塘除險(xiǎn)治江圍涂四期工程的新增項(xiàng)目,沒有前期的項(xiàng)目建議書和可行性研究階段的相關(guān)研究成果。為達(dá)到初步設(shè)計(jì)階段的深度要求,本文對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)堤前開展了波要素的計(jì)算并且進(jìn)行了波浪斷面模型試驗(yàn)。

圖1 工程區(qū)域位置圖

2 堤前波要素計(jì)算

根據(jù)浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)范[3].推算了50 a一遇工程區(qū)域設(shè)計(jì)風(fēng)速見表1。

表1 50 a一遇工程區(qū)域設(shè)計(jì)風(fēng)速表

庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)水位為庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)蓄水位6.5m同時(shí)遭遇50 a一遇3日最大暴雨 (330mm),即6.83m。

利用基于波作用能守衡方程的SWAN模型[4].建立了庫(kù)區(qū)波浪計(jì)算模型,模型Y方向?yàn)檎毕?計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng)為20m,模型范圍為4.4 km×3.0 km(見圖2)。

圖2 波浪計(jì)算模型范圍圖

為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型成果的合理性,把本次模型計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式得到的數(shù)值進(jìn)行比較分析。本庫(kù)區(qū)東北—西南向風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度及設(shè)計(jì)風(fēng)速均較大,利用莆田公式計(jì)算西堤中間位置NE—ENE向的波浪要素,有效波高為0.64m。而用本次SWAN模型在同等條件下有效波高的計(jì)算結(jié)果為0.65m,二者基本一致。

將表1中的8個(gè)方向組設(shè)計(jì)風(fēng)速及對(duì)應(yīng)潮位作為模型的輸入條件進(jìn)行計(jì)算,得到庫(kù)區(qū)各堤不同方向50 a一遇設(shè)計(jì)波要素,由于篇幅原因,本文僅列出NE—ENE和SW—WSW二個(gè)方向的波矢量圖 (見圖3、4),提取各堤前不利波要素見表2(南堤和北堤同時(shí)列出正向波要素和最大斜向波要素)。

圖3 50 a一遇波浪分布圖(風(fēng)向:NE—ENE,風(fēng)速:22.7 m/s)單位:km

圖4 50 a一遇波浪分布圖 (風(fēng)向:SW—WSW,風(fēng)速:18.7 m/s)單位:km

表2 堤前不利波要素表

3 模型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)在長(zhǎng)70m,寬1.2m,高1.7m的水槽中進(jìn)行,首端采用液壓造波機(jī)系統(tǒng),可生成規(guī)則波和不規(guī)則波。為消除波浪反射,在水槽末端設(shè)置1∶7的消波灘,灘上裝有格柵及浮動(dòng)泡沫板,借以吸收波浪能量,消波設(shè)施性能良好,基本消除反射波,本試驗(yàn)不規(guī)則波模擬采用常用的JONSWAP波譜作為目標(biāo)譜?？紤]堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素,采用模型比尺λ=12,即長(zhǎng)度比尺λL= λH=12,時(shí)間比尺 λT=3.46,重量比尺 λW=1728,該比尺符合JTYT 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[5].的要求。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

庫(kù)區(qū)東、南、西、北各堤中,西堤和南堤采用同一種斷面型式,東堤和北堤采用同一種斷面型式,另外北堤中部設(shè)有觀景平臺(tái),平臺(tái)處斷面結(jié)構(gòu)與上述2種斷面相異(見圖5～7)。

圖5 西堤 (南堤)試驗(yàn)斷面圖

圖6 東堤 (北堤)試驗(yàn)斷面圖

圖7 觀景平臺(tái)試驗(yàn)斷面圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,以不利條件原則安排試驗(yàn)組次,各堤前試驗(yàn)水文要素及試驗(yàn)工況組合見表3。由于3種斷面下部結(jié)構(gòu)基本一致,僅對(duì)堤前波要素最大的西堤補(bǔ)充較低潮位和50 a一遇波浪組合工況,以檢驗(yàn)斷面下部結(jié)構(gòu)護(hù)面的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì):①對(duì)各試驗(yàn)斷面的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行波浪爬高和越浪量測(cè)定;②驗(yàn)證各斷面在設(shè)計(jì)潮位及不利潮位和設(shè)計(jì)波要素不同組合情況下,擋浪墻和各護(hù)面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;③上坡混凝土預(yù)制塊的比選,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出優(yōu)化意見。

表3 試驗(yàn)水文參數(shù)及工況組合表

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 波浪爬高和越浪量試驗(yàn)結(jié)果

西堤、東堤試驗(yàn)中可觀察到各斷面4.5 m高程平臺(tái)對(duì)波浪形態(tài)基本無(wú)影響,波列中較大波僅在接近上斜坡時(shí)開始變形,即波浪的前坡變陡,峰頂前傾卷曲并出現(xiàn)浪花,在推進(jìn)過(guò)程中逐漸加劇破碎,破波水流主要打擊在上坡靜水位附近,并形成向上涌動(dòng)的波流沿斜坡上爬,最大上爬高程接近擋浪墻底部,各斷面加風(fēng)試驗(yàn)中波浪爬高有所增大,基本無(wú)越浪現(xiàn)象。觀景平臺(tái)斷面試驗(yàn)中由于波高較小,僅有少量波浪可爬上7.0m高程寬平臺(tái)并作用到上斜坡(見表4)。

表4 各圍堤的越浪量及波浪爬高結(jié)果表

5.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

(1)西堤斷面:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,西堤斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、平臺(tái)及下坡30 cm厚干砌石、平臺(tái)灌砌石梁與混凝土護(hù)肩均能保持穩(wěn)定。較低水位 (4.5m)與50 a一遇波浪組合工況主要對(duì)斷面平臺(tái)及以下部分護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核,試驗(yàn)結(jié)果顯示,該工況下平臺(tái)及下坡30 cm厚干砌石、平臺(tái)灌砌石梁與混凝土護(hù)肩均能保持穩(wěn)定。

根據(jù)要求,本次試驗(yàn)對(duì)上坡混凝土預(yù)制塊厚度進(jìn)行了比選,除設(shè)計(jì)20 cm厚度外,增加16 cm及12 cm厚度對(duì)比組次,結(jié)果表明:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,少量16 cm厚混凝土預(yù)制塊有上下浮動(dòng)現(xiàn)象,基本處于臨界穩(wěn)定狀態(tài);12 cm厚混凝土預(yù)制塊部分失穩(wěn),失穩(wěn)率為10.7%。

(2)東堤斷面:50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,東堤斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、平臺(tái)及下坡30 cm厚干砌石、平臺(tái)灌砌石梁與混凝土護(hù)肩均能保持穩(wěn)定。上坡混凝土預(yù)制塊厚度比選試驗(yàn)中,50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,個(gè)別16 cm厚混凝土預(yù)制塊有輕微浮動(dòng)現(xiàn)象;12 cm厚混凝土預(yù)制塊部分失穩(wěn),失穩(wěn)率為4.8%。

(3)觀景平臺(tái):50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,觀景平臺(tái)斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、高程7.0m寬平臺(tái)20 cm厚混凝土護(hù)面、灌砌石擋墻及30 cm厚干砌石、混凝土護(hù)肩均能保持穩(wěn)定。上坡混凝土預(yù)制塊厚度比選試驗(yàn)中,50 a一遇高水位遭遇同頻波浪條件下,16 cm及12 cm厚混凝土預(yù)制塊均能保持穩(wěn)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)SWAN模型進(jìn)行了水庫(kù)堤 前波要素的計(jì)算,并對(duì)典型斷面進(jìn)行了波浪斷面試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1)各圍堤在各種工況下基本無(wú)越浪,波浪爬高也較小。

(2)50 a一遇設(shè)計(jì)高水位及較低水位 (4.5 m)遭遇50 a一遇設(shè)計(jì)波浪條件下,西堤、東堤及觀景平臺(tái)試驗(yàn)斷面擋浪墻、上坡20 cm厚混凝土預(yù)制塊、平臺(tái)及下坡30 cm厚干砌石、寬平臺(tái)20 cm厚混凝土護(hù)面及灌砌石擋墻等護(hù)面結(jié)構(gòu)均能保持穩(wěn)定。上坡混凝土預(yù)制塊厚度比選試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)條件下西堤和東堤斷面16 cm厚混凝土預(yù)制塊有上下浮動(dòng)現(xiàn)象,處于或接近臨界穩(wěn)定狀態(tài),兩斷面12 cm厚混凝土預(yù)制塊均部分失穩(wěn),失穩(wěn)率分別為10.7%和4.8%;觀景平臺(tái)斷面16 cm及12 cm厚混凝土預(yù)制塊均能保持穩(wěn)定。

[1].鄭殿祥,周榮星,金瑞清,等.平原水庫(kù)波浪爬高計(jì)算方法探討 [J]..人民黃河,2009,31(3):86-87.

[2].程昌華,鄧伯強(qiáng).庫(kù)區(qū)風(fēng)浪對(duì)水庫(kù)港碼頭建設(shè)的影響[J]..重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2001,20(B11):112-115.

[3].浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定.浙江省工程技術(shù)規(guī)定 [S]..杭州:浙江省水利廳,1999.

[4].The SWAN team.SWANUser Manual[M]..The Netherlands:Delft University,2008.

[5].南京水利科學(xué)研究院.JTYT 234—2001波浪模型試驗(yàn)規(guī) [S]..北京:人民交通出版社,2001.