邵燕華，袁文喜，孫 杰

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

1 問題的引出

素有“浙江抗臺第一壩”之稱的栲門大壩位于岱山島北部，所處海域南側(cè)主要有秀山島和舟山本島，東偏南側(cè)主要分布中街列島，在工程西北側(cè)分布崎嶇列島，而川湖列島、嵊泗列島、馬鞍列島及衢山島等主要集中分布中工程的東北側(cè)海域（見圖1）。栲門大壩采用削山填海形式構(gòu)筑，基底為巖石，壩身由石渣、塊石構(gòu)筑，內(nèi)坡1:1，外坡1:2，一坡到底，護面采用干砌塊石。大壩全長450m，以中柱山為界，由北壩和南壩組成，其中北壩長170m，南壩長280m。工程始建于1972年，完建于1974年。自1976年始，該壩每年受到臺風(fēng)不同程度的破壞，尤以“1979年10號”臺風(fēng)“1983年10號”臺風(fēng)及“1997年11、16號”臺風(fēng)的破壞最為嚴重。

圖1 工程位置圖

1998年大壩進行了大規(guī)模的修復(fù)，邱宜倫[1]等人對栲門大壩加固工程總結(jié)了技術(shù)措施。但在經(jīng)受2004年的“云娜”“蒲公英”臺風(fēng)和2005年的“麥莎”“卡努”等臺風(fēng)的沖擊后，大壩迎海側(cè)扭王塊體移位、破碎，消浪平臺部分裂縫，面層部分損毀，壩腳扭王塊體外拋石體大部分沖失，部分平臺基礎(chǔ)底部掏空，2006年大壩再次進行了加固。

2006年，再次經(jīng)歷數(shù)次臺風(fēng)的侵襲后，護面結(jié)構(gòu)仍遭到了一定程度的破壞，所暴露出來的主要問題是壩腳護底塊石被沖損所剩無幾，造成壩腳涂面被刷深，壩腳處經(jīng)常因淘空懸掛而倒塌，從而使得大壩外側(cè)堤腳扭王塊體部分因失穩(wěn)或沖刷或斷肢，大壩仍存在安全隱患[2]（見圖2～圖3）。

圖2 扭王塊體消浪段的部分扭王斷裂圖

圖3 扭王塊體消浪段的部分扭王被沖走圖

栲門大壩建成后已反復(fù)搶修，不但耗費大量人力物力，而且直接威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全。分析屢修屢毀的原因，主要為該工程位于強涌浪海域，且地形復(fù)雜，島嶼眾多，常規(guī)的波浪計算方法和防護措施不適用于本工程。因此，針對涌浪海灣區(qū)域，需考慮復(fù)雜地形條件下的波浪折射、繞射、破碎、底摩擦波能損失等因素，采用數(shù)學(xué)模型進行波浪分析，根據(jù)其波浪特性采取防護措施。

2 工程海域波浪數(shù)值模擬[3]

2.1 計算方法及計算條件

MIKE21系列軟件是有丹麥水工所（DHI）開發(fā)的商用水力學(xué)計算軟件，其中的SW模塊能夠精確模擬大范圍的波浪傳播情況，現(xiàn)已為廣泛應(yīng)用于海洋、近海工程水動力數(shù)值模擬。SW是基于波作用守恒方程，采用波作用密度譜N(σ，θ)來描述波浪。波作用密度與波能譜密度E(σ，θ)的關(guān)系為：

式中：σ為相當(dāng)頻率（Hz）；θ為波向（°）。

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE 21SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示為：

式中：v指波群速度（m/s），=(Cx，Cy，Cσ，Cθ)；Cx、Cy分別表示波作用在地理空間(x，y)中傳播時的變化；Cσ表示由于水深和水流變化造成的相對頻率的變化；Cθ表示由水深和水流引起的折射；S為能量平衡方程中以譜密度表示的源函數(shù)。式中傳播速度均采用線性波理論計算：

式中：d為水深（m）；為流速（m / s），U=(Ux，Uy)；k=(kx，ky)為波數(shù)（m-1）；s為沿θ方向空間坐標(biāo)；m為垂直于s的坐標(biāo)。

在球坐標(biāo)系下：

式中：R為地球半徑（m）；φ為緯度（°）；λ為經(jīng)度（°）。

波作用守恒方程的形式為：

式中：為總的源函數(shù)；，σ，θ，t)=SR2cosφ。MIKE 21SW模型中的源函數(shù)項描述了各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加：

式中：Sin為風(fēng)輸入的能量（J/m2）；Sn1為波與波之間的非線性作用引起的能量損耗（J/m2）；Sds為由白帽引起的能量損耗（J/m2）；Sbot為底摩阻引起的能量損耗（J/m2）；Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗（J/m2）。波浪數(shù)學(xué)模型計算范圍見圖4，栲門大壩局部水下地形見圖5。

圖4 波浪數(shù)學(xué)模型計算范圍圖

圖5 栲門大壩局部水下地形圖

計算潮位采用岱山水文站資料統(tǒng)計；設(shè)計風(fēng)速采用普陀山氣象站資料統(tǒng)計；計算波浪深水波要素采用嵊山海洋站作為數(shù)學(xué)模型邊界。

2.2 模擬結(jié)果

在不同水位作用下，ESE、E、ENE、NNE和N向50a一遇波浪傳播至栲門大壩附近大部分已發(fā)生破碎，工程設(shè)計波要素主要受當(dāng)?shù)厮钣绊?。在幾個方向波浪傳播過程中，無論對與栲門大壩的北壩還是南壩大體上都是以E向為主要控制波向。E向50a一遇波浪+ 50a一遇高潮位波浪計算結(jié)果見表1，E向50a一遇波浪+多年平均高潮位波浪計算結(jié)果見表2。

表1 E向50a一遇波浪+ 50a一遇高潮位波浪計算結(jié)果表 m

表2 E向50a一遇波浪+多年平均高潮位波浪計算結(jié)果表 m

2.3 結(jié)果分析

波向E由外海傳入，經(jīng)過大、小島嶼繞射后，傳播至近岸區(qū)發(fā)生淺水變形，最后破碎。島嶼對海域的浪、流情況形成一定的影響，波浪傳入近岸會發(fā)生淺水效應(yīng)，尤其是遇到障礙物后的繞射將會改變浪向繼續(xù)傳播，并在掩蔽區(qū)內(nèi)發(fā)生波浪擴散。工程區(qū)波浪往往表現(xiàn)為風(fēng)浪與涌浪的混合浪，波長長，能量大，破壞強。大壩兩側(cè)山體與大壩形成“凹角”，有可能在其附近的堤段產(chǎn)生波能集中的現(xiàn)象[4]，而形成波高增幅。在地形上增設(shè)大壩后，工程附近的波高產(chǎn)生一定的增幅，這是由入射波與斜向反射波相互疊加或幾個反射波斜交引起的波能集中現(xiàn)象。大壩南壩與北壩分別和岱山島岸線以及次蓬山形成一個小于180°的凹角。凹角的存在有可能在其附近的堤段前產(chǎn)生波能集中的現(xiàn)象，特別是在凹角小于150°時，由波能集中而形成的波高增幅更加明顯。以北壩為例，E向來波在北壩形成的反射波與次蓬山的入射波相互疊加形成短峰波系，使大壩有效波高增大，特別是靠近凹角的部位。

3 工程防護措施

根據(jù)波浪分析，大壩主要受到E向混合浪作用，在設(shè)計高潮位時，壩前設(shè)計波浪達最大達到5.10m，波長長達172.3m；在平均高潮位作用下，波浪破碎，波長長達149.8m。從歷次修復(fù)原因分析，大壩主要存在問題是扭王塊體外側(cè)防沖塊石基本被沖失，導(dǎo)致壩腳被劇烈淘刷，引起扭王塊體基底拋石掏空，從而導(dǎo)致扭王塊體失穩(wěn)后斷肢或沖失?？紤]到2006年加固設(shè)計扭王塊體外側(cè)拋石質(zhì)量過小，無法起到防沖護腳的作用，因此提出對扭王塊體外側(cè)壩腳的穩(wěn)定性進行重點加固，利用沉箱（或稱混凝土預(yù)制塊）來保護扭王塊體。加固內(nèi)容主要考慮補充和重新擺放扭王塊體，并在其外側(cè)安放混凝土預(yù)制塊，混凝土預(yù)制塊體尺寸長×寬×高：4.0m×3.0m×1.5m，單塊重41.4t。

該工程于2012年4月開始沉箱施工，混凝土預(yù)制塊結(jié)構(gòu)分二期澆筑，一期采用鋼筋混凝土空箱型式（單重15.2t），壁厚35cm，二期采用埋石混凝土填充密實（單重26.2t）。由于施工環(huán)境惡劣，且需要侯潮施工，施工單位搶潮作業(yè)，增加施工難度。工程施工總工期計劃為274d，根據(jù)初設(shè)階段投資概算，工程靜態(tài)總投資1086萬元，其中建筑工程投資794萬元。工程于2012年6月6日開工， 2013年7月8日完工，工程實際工期為397d[5]。栲門大壩壩腳保護斷面見圖6，栲門大壩除險加固完工面貌見圖7。

圖6 栲門大壩壩腳保護斷面圖 單位：cm

圖7 栲門大壩除險加固完工面貌圖

4 結(jié) 語

強涌浪海灣地形復(fù)雜，水深大，涌浪洶涌，島嶼的繞射折射及波浪的非線性作用明顯。堤腳的防沖保護對海塘的整體安全十分重要。栲門大壩堤腳設(shè)計采用單重41.4t混凝土預(yù)制塊措施，能較好的保護堤腳不被底流沖刷，從而增加外側(cè)扭王字塊體的穩(wěn)定性，保證了整個大壩的安全。2015年7月，強臺風(fēng)“燦鴻”在浙江省舟山登陸，栲門大壩堤腳經(jīng)受強臺風(fēng)考驗，能較好的起到穩(wěn)定保護堤腳的作用，可為類似強涌浪海灣區(qū)域海塘工程防護提供借鑒。

[1] 邱宜倫，戎善飛，張成方.岱山縣栲門大壩加固工程的技術(shù)措施[J].浙江水利科技，2002(3)：84- 85.

[2] 浙江省水利水電勘測設(shè)計院.浙江省岱山縣栲門大壩除險加固工程初步設(shè)計報告（報批稿）[R].杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2011.

[3] 河海大學(xué).岱山縣栲門大壩加固工程波浪數(shù)學(xué)模型計算報告[R].南京：河海大學(xué)，2011.

[4] 鐘瑚穗，潘峰，過達.凹角堤段波高增幅的整體模型研究[J].河海大學(xué)學(xué)報，2002，30(3)：11- 14.

[5] 浙江省水利水電勘測設(shè)計院.栲門大壩加固工程單位工程暨合同工程完工驗收設(shè)計工作報告[R].杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2015.