徐惠民，張子龍，王登婷，任增誼

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210001；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

石臼湖是南京市最大的天然湖泊，面積214.7 km2，平均水深2.47 m，是長(zhǎng)江下游青弋江、水陽(yáng)江流域的調(diào)蓄性湖泊。湖泊水生生物資源豐富，是江蘇省重要的生態(tài)系統(tǒng)多樣性湖泊。多年來(lái)，在徑流調(diào)蓄、農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖及維系生態(tài)平衡等方面發(fā)揮了重要作用。同時(shí)，湖泊的防洪安全也關(guān)系著溧水、高淳地區(qū)沿湖廣大群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安危。

1999～2002年南京市曾對(duì)湖堤進(jìn)行加固，加固防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～40年一遇，在防御1999 2002、2003、2005、2010年等年份大洪水中發(fā)揮了重要作用。但受當(dāng)時(shí)條件所限，堤防治理標(biāo)準(zhǔn)不高，加固措施未到位，綜合功能考慮不足。

2013年，南京市計(jì)劃進(jìn)一步提升堤防防洪能力，使堤防達(dá)到20～50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。石臼湖堤防工程按防洪類型分為城市防洪堤（高淳區(qū)段，2級(jí)堤防）、非城市防洪堤兩類（溧水區(qū)段，3級(jí)堤防）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)狀護(hù)坡主要存在以下問(wèn)題：堤防迎水坡受風(fēng)浪沖刷、掏蝕損毀嚴(yán)重，風(fēng)化較嚴(yán)重，尤其是部分堤段7～10 m高程（吳淞高程，下同）護(hù)坡受風(fēng)浪多年沖刷后移位、剝落，10 m高程縱格埂傾斜斷裂，已經(jīng)嚴(yán)重影響堤防安全。

由于各段堤防前湖面寬度、堤前水深均不相同，為因地制宜確定護(hù)坡型式，故對(duì)石臼湖堤防進(jìn)行分段，對(duì)每段堤防前的風(fēng)浪要素進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)不同的堤防坡比、風(fēng)浪要素?cái)M定護(hù)坡厚度，通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)護(hù)坡的穩(wěn)定性，比較堤頂弧形擋浪墻減少風(fēng)浪爬高的效果，為經(jīng)濟(jì)合理確定堤防設(shè)計(jì)斷面提供依據(jù)。

1 石臼湖風(fēng)浪特性研究

1.1 研究?jī)?nèi)容

收集工程水域及其周邊的風(fēng)速資料，推算石臼湖水域不同方向的設(shè)計(jì)風(fēng)速，根據(jù)湖面寬度和堤前水深對(duì)堤防進(jìn)行分段，分別計(jì)算每段堤防的設(shè)計(jì)波要素，并分析不同規(guī)范計(jì)算公式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1.2 研究采用的基礎(chǔ)資料

設(shè)計(jì)洪水位：12.50 m。

警戒水位：為驗(yàn)證中水位時(shí)護(hù)坡穩(wěn)定性，取警戒水位10 m。

溧水站實(shí)測(cè)風(fēng)速：溧水氣象站測(cè)站位置在永陽(yáng)鎮(zhèn)分龍崗路4號(hào)，測(cè)風(fēng)儀器距地高度10.9 m。圖1為溧水氣象站2010～2011年風(fēng)向玫瑰圖。從圖1中可以看出：常風(fēng)向?yàn)镋SE向，次常風(fēng)向?yàn)镋、ENE向；SW～W～NW向風(fēng)出現(xiàn)頻率相對(duì)較少。

圖1 溧水氣象站2010～2011年風(fēng)向玫瑰圖

圖2為采用溧水氣象站1981～2010年各方向年最大風(fēng)速資料得到的經(jīng)過(guò)高度及陸—水訂正后石臼湖水域不同方向1.0倍多年平均年最大風(fēng)速玫瑰圖。從圖2中可以看出：強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE和E向，風(fēng)速為15 m/s；次強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋NE和ESE向，風(fēng)速為14 m/s；其中SE、SSE、S向風(fēng)速最大值小于10 m/s其余方向風(fēng)速最大值均大于10 m/s。

圖2 高度及陸—水訂正后湖區(qū)不同方向1.0倍多年平均年最大風(fēng)速玫瑰圖

1.3 研究成果

1.3.1 堤防分段

由于風(fēng)浪特征的影響因素主要是風(fēng)速、吹程和堤前水深。因此，需根據(jù)堤防迎風(fēng)向的不同和堤前湖面寬度對(duì)堤防進(jìn)行分段計(jì)算風(fēng)浪要素。堤防分段的原則是堤防的走向及堤前風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度、堤防前沿水深基本相同。

圖3為石臼湖風(fēng)浪計(jì)算分段示意圖。其中A段、A1段為溧水區(qū)的非城市防洪圈，堤防級(jí)別為3級(jí)；B段為高淳區(qū)的城市防洪圈，堤防級(jí)別為2級(jí)。

1.3.2 堤防分段風(fēng)浪要素計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1-2]的規(guī)定，采用溧水氣象站1981～2010年不同方向最大值多年平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果并進(jìn)行高度及陸—水訂正后，得到石臼湖不同條件下的設(shè)計(jì)風(fēng)速，詳見(jiàn)表1。其中1.0倍多年平均年最大風(fēng)速發(fā)生在B段，風(fēng)速值為13.1 m/s。表2列出了各段湖面寬度（風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度）。

表1 石臼湖各段全年最大值多年平均計(jì)算風(fēng)速（m/s）

圖3 石臼湖風(fēng)浪計(jì)算分段示意圖

表2 石臼湖不同位置風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，風(fēng)浪要素均是采用莆田試驗(yàn)站公式進(jìn)行計(jì)算的，但是對(duì)計(jì)算風(fēng)速的選取略有差別：《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定警戒水位下的1級(jí)、2級(jí)壩，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5～2.0倍；警戒水位下的3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)壩，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍；非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速。《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)波浪的計(jì)算風(fēng)速可采用歷年汛期最大風(fēng)速平均值的1.5倍。

經(jīng)比較分析及考慮實(shí)測(cè)風(fēng)速資料情況，項(xiàng)目組按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算了各水位下風(fēng)浪要素成果如下：

（1）警戒水位：

A段在1.5倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.81 m；

B段在1.5倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.82 m，也是石臼湖各段中警戒水位所算得的最大有效波高；

A1段在1.5倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.62 m。

（2）設(shè)計(jì)洪水位：

A段在1.0倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.74 m，在1.5倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為1.05 m；

B段在1.0倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.74 m，在1.5倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為1.07 m，該波高為石臼湖所考慮的所有水深、所有分段情況下計(jì)算得到的最大有效波高；

A1段在1.0倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.51 m，在1.5倍多年平均年最大風(fēng)速情況下計(jì)算得到有效波高為0.75 m。

1.3.3 石臼湖護(hù)坡厚度及波浪爬高驗(yàn)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)護(hù)坡混凝土板厚度及波浪爬高進(jìn)行計(jì)算。由于2種規(guī)范關(guān)于計(jì)算護(hù)坡混凝土板厚度公式有所區(qū)別，所以分別采用2種規(guī)范的公式對(duì)各堤段在坡度為1∶1.5和1∶3.0情況下進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各段在現(xiàn)狀代表坡度的混凝土厚度，只采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的公式進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)應(yīng)上述風(fēng)浪特性的混凝土板厚度、波浪爬高、干砌塊石厚度設(shè)計(jì)值計(jì)算成果如下：

石臼湖A段、B段混凝土板（B=2.0 m）所需穩(wěn)定厚度為15 cm～20 cm，A1段混凝土板（B=2.0 m）所需穩(wěn)定厚度為10 cm～15 cm，如現(xiàn)有的混凝土板厚度低于該數(shù)值，則存在一定安全隱患。

混凝土板厚度、波浪爬高、干砌塊石厚度的最大值均發(fā)生在B段，在設(shè)計(jì)洪水位下，B段最大混凝土板厚度為23 cm，最大波浪爬高為2.71 m，所需干砌塊石最大厚度為37 cm。

在相同的風(fēng)速條件下，護(hù)坡厚度和風(fēng)浪爬高對(duì)坡度都比較敏感，坡度越緩，需要的護(hù)坡厚度和風(fēng)浪爬高越小，其中風(fēng)浪爬高對(duì)坡度更為敏感；而護(hù)坡厚度對(duì)護(hù)坡在垂直堤軸線方向的分塊尺寸也比較敏感，分塊尺寸越大，需要的護(hù)坡厚度越小。

在坡度較陡（1∶1.5）時(shí)，利用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得出的護(hù)坡厚度偏大，而坡度較緩（1∶3.0）時(shí)，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得出的護(hù)坡厚度略微偏小。

2 堤防護(hù)坡模型試驗(yàn)研究

為了更準(zhǔn)確地對(duì)加固方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析，參考水庫(kù)護(hù)坡系列模型試驗(yàn)研究成果[3-8]，對(duì)不同波浪條件下堤防護(hù)坡穩(wěn)定性和風(fēng)浪爬高進(jìn)行了模型試驗(yàn)，為合理確定護(hù)坡厚度、采取必要的坡面消浪措施提供重要依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

波浪試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院河港研究所長(zhǎng)波浪水槽中進(jìn)行，該水槽可同時(shí)產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)。水槽長(zhǎng)175 m、寬1.2 m、深1.8 m。水槽的工作段平均分割成各0.6 m寬的兩部分，一部分用來(lái)安放模型斷面和進(jìn)行模型試驗(yàn)，另一部分用于擴(kuò)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(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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。

波浪要素采用電阻式波高儀測(cè)量，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理。越浪量采用接水箱稱取水重。

2.2 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[9]相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)水位、波浪要素、試驗(yàn)斷面及試驗(yàn)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

波壓力比尺：pr=Lr

時(shí)間比尺：Tr=Lr1/2

重量比尺：Pr=Lr3

越浪量比尺：qr=Lr1.5

2.3 試驗(yàn)斷面的選取

本次試驗(yàn)對(duì)石臼湖選取了3個(gè)典型斷面。石臼湖典型斷面位置圖見(jiàn)圖3。圖4～圖6為3個(gè)斷面示意圖，其中1#、2#斷面為非城市防洪圈，采用石臼湖A段波要素；3#斷面為城市防洪圈，采用石臼湖B段波要素。1#、3#斷面堤頂設(shè)弧型擋浪墻。

2.4 試驗(yàn)斷面的模擬

試驗(yàn)首先制作防浪墻、干砌塊石和混凝土板模型，制作過(guò)程中保證其重量和幾何相似，重量誤差控制在3%以內(nèi)，幾何誤差控制在1%以內(nèi)。然后對(duì)試驗(yàn)斷面按幾何比尺縮小后進(jìn)行放樣，構(gòu)建試驗(yàn)斷面。

2.5 試驗(yàn)方法

圖4 1#斷面示意圖

先進(jìn)行波浪要素率定，然后構(gòu)建試驗(yàn)斷面，試驗(yàn)時(shí)先用小波作用，以使堤身密實(shí)，然后按設(shè)計(jì)波要素造波，進(jìn)行各項(xiàng)內(nèi)容的試驗(yàn)。

圖5 2#斷面示意圖

圖6 3#斷面示意圖

試驗(yàn)斷面各部位在波浪作用下的穩(wěn)定性情況時(shí)，每一波況累計(jì)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于原型3 h，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次。當(dāng)3次重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果差別較大時(shí)，則增加重復(fù)次數(shù)。每次試驗(yàn)均重新鋪放斷面。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果

（1）防浪墻、素混凝土格梗、C25混凝土鎮(zhèn)腳、石籠等的穩(wěn)定性

設(shè)計(jì)擬定的石臼湖各斷面的防浪墻、素混凝土格梗、C25混凝土鎮(zhèn)腳、石籠等均滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求。

（2）混凝土板的穩(wěn)定性

石臼湖1#斷面，在設(shè)計(jì)洪水位、1.5倍多年平均最大風(fēng)速波浪作用下，穩(wěn)定的混凝土板厚度為20 cm（板寬為2 m）和25 cm（板寬為1.5 m）；2#、3#斷面，15 cm厚的混凝土板便有很好的穩(wěn)定性，但是板寬不應(yīng)小于1.5 m。

（3）波浪爬高及堤頂高程

石臼湖1#斷面設(shè)計(jì)頂高程為14.5 m，在設(shè)計(jì)洪水位+1.0倍多年平均年最大風(fēng)速波浪作用時(shí)，波浪爬高至13.1 m，在設(shè)計(jì)洪水位+1.5倍多年平均年最大風(fēng)速波浪作用時(shí)，波浪爬高至13.8 m。

石臼湖2#斷面設(shè)計(jì)頂高程為15.4 m，在設(shè)計(jì)洪水位+1.0倍多年平均年最大風(fēng)速波浪作用時(shí)，波浪爬高至13.6 m，在設(shè)計(jì)洪水位+1.5倍多年平均年最大風(fēng)速波浪作用時(shí)，波浪爬高至14.7 m。

石臼湖3#斷面設(shè)計(jì)頂高程為15.1 m，在設(shè)計(jì)洪水位+1.0倍多年平均年最大風(fēng)速波浪作用時(shí)，波浪爬高至13.7 m，在設(shè)計(jì)洪水位+1.5倍多年平均年最大風(fēng)速波浪作用時(shí)，波浪爬高至14.4 m。

2.7 圓弧防浪墻防浪特性研究

為了驗(yàn)證圓弧防浪墻的防浪效果，對(duì)普通斜坡斷面和堤頂加圓弧防浪墻典型斷面進(jìn)行波浪爬高及防浪效果對(duì)比驗(yàn)證。本次試驗(yàn)共選用2種斷面，第一斷面采用1∶2斜坡至高程18.0 m處，以2#斷面為例，測(cè)量波浪沿該斜坡的爬高情況；第二斷面將第一斷面堤頂斜坡改為圓弧防浪墻的典型斷面，堤頂高程及坡度等其它條件一致。研究主要結(jié)論如下：

（1）本次試驗(yàn)所用波浪要素在設(shè)計(jì)洪水位，坡度為1∶2的斜坡上可以爬高至15.8 m。

（2）在本次試驗(yàn)所用波浪要素情況下，當(dāng)圓弧防浪墻頂高程為14.5 m時(shí)，波浪未能越過(guò)防浪墻。

（3）在本次試驗(yàn)所用波浪要素情況下，當(dāng)圓弧防浪墻頂高程為14.1 m時(shí)，有少許水花可以越過(guò)防浪墻，且未見(jiàn)成片水體越過(guò)防浪墻。因此，仍然可以起到很好的防浪作用。

3 研究結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）本研究的理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果基本一致，可見(jiàn)，本研究所取的風(fēng)浪計(jì)算參數(shù)是基本準(zhǔn)確的，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算所得的成果是可靠的，精度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）石臼湖各段堤防在設(shè)計(jì)洪水位+1.5倍多年平均年最大風(fēng)速工況下，因風(fēng)速大、吹程長(zhǎng)，石臼湖的東、南側(cè)堤防在現(xiàn)狀坡比下，風(fēng)浪爬高均超過(guò)2 m。

（3）在相同的風(fēng)速條件下，護(hù)坡厚度和風(fēng)浪爬高對(duì)坡度比較敏感，坡度越緩，需要的護(hù)坡厚度和風(fēng)浪爬高越?。欢o(hù)坡厚度對(duì)護(hù)坡在垂直堤軸線方向的分塊尺寸也比較敏感，分塊尺寸越大，需要的護(hù)坡厚度越小。

（4）設(shè)計(jì)擬定的石臼湖各斷面的防浪墻、素混凝土格梗、C25混凝土鎮(zhèn)腳、石籠等均滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求。

（5）采用圓弧防浪墻有很好的防浪效果，當(dāng)圓弧防浪墻頂高程為14.5 m時(shí)，沒(méi)有波浪越過(guò)防浪墻頂；當(dāng)把防浪墻頂高程降為14.1 m時(shí)也僅有少量水花可以越過(guò)防浪墻，但未見(jiàn)成片水體越過(guò)防浪墻。因此，仍然可以起到很好的防浪作用。

3.2 建議

（1）從風(fēng)浪爬高計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，除北側(cè)堤防外，其它段堤防設(shè)計(jì)堤頂高程均應(yīng)超過(guò)14.5 m。但考慮到大幅提高堤頂高程的實(shí)施難度，堤頂超高可維持2 m，同時(shí)結(jié)合堤防防滲要求，對(duì)堤防進(jìn)行加寬處理，局部風(fēng)浪爬高突出的堤段，可按允許越浪設(shè)計(jì)，同時(shí)在迎水坡采取坡面消浪措施。

（2）石臼湖不同位置混凝土板護(hù)坡穩(wěn)定厚度：石臼湖A段、B段（東、南側(cè)堤防）混凝土板（B=2.0 m）所需的穩(wěn)定厚度為15～20 cm，A1段（北側(cè)堤防）混凝土板（B=2.0 m）所需的穩(wěn)定厚度為10～15 cm，如現(xiàn)有的混凝土板厚度低于該數(shù)值，則存在一定的安全隱患，需要進(jìn)行加固處理。

（3）部分風(fēng)浪較大堤段的干砌塊石護(hù)坡存在因厚度不夠而發(fā)生損壞的現(xiàn)象，考慮到直接加厚干砌塊石較難實(shí)現(xiàn)，建議對(duì)干砌塊石發(fā)生損壞的堤段采用直接在干砌塊石上鋪放滿足厚度要求的混凝土板的加固方案。