徐麥菊 葉偉 徐章耀 劉永強(qiáng) 馬福恒

摘要：針對(duì)病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固過程中會(huì)出現(xiàn)的上游護(hù)坡型式改變的情況，基于物理模型試驗(yàn)，研究各工況下干砌石與混凝土兩種類型護(hù)坡的波浪爬高及越浪情況，確定護(hù)坡類型變化對(duì)波浪爬高和壩頂高程的影響。以某水庫大壩為例，采用1∶15的模型比尺進(jìn)行了不同護(hù)坡型式典型斷面的波浪物理模型試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，由于干砌石、混凝土兩種型式護(hù)坡的糙滲系數(shù)相差015，干砌石護(hù)坡改為混凝土護(hù)坡后最大波浪爬高計(jì)算值增長056 m，試驗(yàn)值增長06 m，此情況下壩頂?shù)默F(xiàn)狀高程不能滿足規(guī)范要求；改變護(hù)坡型式后波浪沖擊壩頂胸腔而產(chǎn)生的躍浪量也會(huì)增加，胸墻收到的最大波浪壓力從159 kPa增至178 kPa。試驗(yàn)的成果對(duì)類似除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)工作具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：土石壩；護(hù)坡；壩頂高程；模型試驗(yàn)；糙滲系數(shù)

中圖分類號(hào)：TV641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16721683（2018）03014906

Experimental study on effect of the upstream slope protection type change of an earth rock dam

XU Maiju1，YE Wei2，XU Zhangyao3，LIU Yongqiang3，MA Fuheng2

（1.Management Bureau of Zhaopingtai Reservoir，Pingdingshan 467300，China；

2.Dam Safety Management Department， Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；

3.Management Bureau of Baiguishan Reservoir，Pingdingshan 467301，China）

Abstract：In view of the upstream slope protection type change in the process of the reinforcement of dangerous reservoirs，we conducted a physical model test to study the wave runup and overtopping situation of the dry masonry slope protection type and the concrete type，and determined the effect of slope protection type change on the wave runup and crest elevation.In this paper，we took a reservoir dam for a case study.A wave physical model test of a typical section of the slope protection types was carried out at the scale of 1∶15.The test results showed that the roughness coefficients of the dry masonry and concrete types differed by 015.After the change of slope protection type from dry masonry to concrete，the calculation value of the maximum wave runup increased by 056 m， and the test value increased by 06 m.In this condition，the original crest elevation could not meet the standard requirements.In addition，after the change of slope protection，the wave overtopping will also increase.The maximum wave pressure on the parapet will increase from 159 kPa to 178 kPa.The results of the test can provide a reference to the design of similar reinforcement projects.

Key words：earth and rockfill dam；slope protection；crest elevation；model test；roughness coefficient

20世紀(jì)50年代至70年代我國修建了大量水庫，由于歷史原因及設(shè)計(jì)施工水平的限制，多數(shù)大壩存在病險(xiǎn)問題。一般而言，常見的水庫病險(xiǎn)主要分7個(gè)方面：防洪、抗震、大壩結(jié)構(gòu)、大壩滲流、輸、泄水建筑結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備及管理設(shè)施等[14]。其中，大壩結(jié)構(gòu)病險(xiǎn)問題又主要包括護(hù)坡破損、壩坡不穩(wěn)定、斷面不足等3個(gè)方面。通常，土石壩上游可采用塊石、現(xiàn)澆混凝土及預(yù)制混凝土塊等型式[5]進(jìn)行護(hù)坡整治。以昭平臺(tái)水庫為例，水庫除險(xiǎn)加固過程中將主壩上游護(hù)坡型式由原干砌石改為混凝土面板。然而，護(hù)坡型式的改變將影響糙率滲透性系數(shù)[610]，影響波浪爬高，使得壩頂高程不滿足要求，繼而影響大壩的防洪。

姜樹海和范子武[11]定量評(píng)估了壩頂高程的時(shí)變特性，論證了陡變性作用對(duì)大壩防洪安全的影響極為顯著。焦景輝等[12]提出在混凝土板上采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)加糙以降低壩頂高程，這一措施使糙率滲透性系數(shù)值降低到了砌石標(biāo)準(zhǔn)（075～08），大大節(jié)省了工程投資。喬樹梁[13]進(jìn)行了壩頂高程確定的影響因素的分析，認(rèn)為需要根據(jù)水庫所在地風(fēng)速、上游坡比、不同的運(yùn)行工況等綜合條件進(jìn)行分析計(jì)算。可見，壩頂高程與護(hù)坡型式、采取的措施和環(huán)境條件等多個(gè)因素有關(guān)[1418]。護(hù)坡型式改變后復(fù)核波浪爬高、躍浪量等對(duì)大壩防洪至關(guān)重要[1923]。

第16卷 總第96期·南水北調(diào)與水利科技·2018年6月徐麥菊等·某土石壩上游護(hù)坡型式改變影響壩頂高程的試驗(yàn)研究某水庫攔河壩原上游護(hù)坡為砌石，除險(xiǎn)加固工程改為混凝土，從而增加了風(fēng)浪爬高，安全評(píng)價(jià)復(fù)核認(rèn)為主壩壩頂高程不滿足規(guī)范要求，對(duì)大壩防洪安全不利[24]。為進(jìn)一步確定護(hù)坡類型變化對(duì)波浪爬高的影響，本文選取攔河壩典型斷面，采用1∶15的模型比尺進(jìn)行了斷面波浪爬高物理模型試驗(yàn)，模擬得到了不同工況下干砌塊石及混凝土兩種護(hù)坡型式下的波浪爬高，測量了越浪和胸墻結(jié)構(gòu)波浪壓強(qiáng)等。綜合試驗(yàn)成果，分析了上游護(hù)坡型式改變對(duì)壩頂高程的影響。

1試驗(yàn)系統(tǒng)

波浪試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院波浪水槽（見圖1）中進(jìn)行，水槽長64 m、寬18 m、深18 m。水槽可同時(shí)產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)等多種環(huán)境因素。水槽的工作段分割成08 m和10 m兩部分，08 m段用來布置物理模型和進(jìn)行模型試驗(yàn)，另一段則用于擴(kuò)散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有丹麥水工研究所（DHI）生產(chǎn)的推板式不規(guī)則波造波機(jī)。造波系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制產(chǎn)生需模擬的波浪要素，可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。為消除水槽試驗(yàn)中波浪的多次反射，造波板上安裝DHI研制的二次反射吸收裝置（ARC）。波壓力采用CSYⅡ型壓力監(jiān)測系統(tǒng)測量。波浪要素和爬高采用電阻式波高、爬高儀測量，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集處理；越浪量采用接水箱稱取水重。

2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.1模型設(shè)計(jì)

水庫攔河壩為黏土斜墻砂殼壩，斷面見圖2?，F(xiàn)狀壩頂高程1818 m，最大壩高355 m，壩頂長2 315 m，頂寬70 m、凈寬64 m。防浪墻高12 m，墻頂高程183 m。除險(xiǎn)加固主壩上游護(hù)坡由原干砌石護(hù)坡改為混凝土面板護(hù)坡，胸墻也在以往的維護(hù)工程中發(fā)生變化。由于水庫水域面積較大，承受較大風(fēng)浪作用，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，計(jì)算平均波浪爬高時(shí)干砌石護(hù)坡糙滲系數(shù)取075，混凝土護(hù)坡糙滲系數(shù)取090，兩者相差015，使得風(fēng)浪爬高增加，可能導(dǎo)致壩頂高程不足。為進(jìn)一步確定護(hù)坡型式改變對(duì)風(fēng)浪爬高及胸墻越浪的影響，需通過斷面物理模型試驗(yàn)，測量設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下兩種類型護(hù)面的波浪爬高及胸墻頂?shù)脑嚼饲闆r。

試驗(yàn)斷面選擇攔河壩上游壩坡至擋浪墻結(jié)構(gòu)，并分別構(gòu)建了干砌塊石和混凝土面板兩種護(hù)坡模型。試驗(yàn)首先制作胸墻、干砌塊石和混凝土面板模型；制作過程保證重量和幾何相似，且將重量、幾何誤差分別控制在3%、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)筑大壩斷面，斷面尺寸誤差也控制在1%以內(nèi)（見圖3）。大壩17000 m高程設(shè)有寬2 m的平臺(tái)，上坡有兩種坡度，17700 m高程以上坡度為1∶20，17700～17000 m高程為1∶25；下坡17000～15700 m高程為1∶30，以下至壩腳為1∶35。壩頂設(shè)有胸墻，防浪墻頂高程為18300 m，墻頂設(shè)有5 cm寬挑檐。

types of slope protection

試驗(yàn)遵照J(rèn)TJ 234-2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[25]，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，時(shí)間比尺：Tr=L1/2r，重量比尺：Pr= L3r，壓強(qiáng)比尺：Pr= Lr。試驗(yàn)分別采用規(guī)則波和不規(guī)則波進(jìn)行，以不規(guī)則波為主，規(guī)則波作為對(duì)比，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

波浪的平均波高和平均周期采用莆田試驗(yàn)站公式。

gHmW2=0.13tanh[0.7（ghmW2）0.7]·

tanh0.0018（gDW2）0.450.13tanh[0.7（ghmW2）0.7]（1）

Tm=4.438H0.5m（2）

式中：Hm為平均波高（m）；Tm為平均波周期（s）；W 為平均波周期（m/s）；D 為風(fēng)區(qū)長度（m）；hm為水域平均水深（m）；g為重力加速度，取981 m/s2；W為設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）；正常運(yùn)用條件下的1級(jí)、2級(jí)壩，采用多年平均年最大風(fēng)速的15～20倍；非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速。

由當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑?980-2011年氣象資料，分方向統(tǒng)計(jì)后可得該地區(qū)年最大平均風(fēng)速為150 m/s。由于當(dāng)?shù)貧庀缶钟^測場高度1457 m，風(fēng)桿高度105 m，而水庫校核洪水位為18075 m，高于觀測場高度。因此，將氣象站風(fēng)速進(jìn)行修正得到相應(yīng)水面上風(fēng)速，為195 m/s；多年平均年最大風(fēng)速取為240 m/s。從而，試驗(yàn)所用波浪要素的依據(jù)風(fēng)速分別取150 m/s、195 m/s和240 m/s等3種。攔河壩為2級(jí)，正常運(yùn)用條件下取多年平均年最大風(fēng)速的15倍，因此，風(fēng)速分別取為225 m/s、293 m/s和360 m/s。在正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用情況下的風(fēng)區(qū)長度分別為5 454 m和5 600 m，由上述3種風(fēng)速及15倍的值，采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算得到壩前校核洪水位（非正常運(yùn)用條件）和設(shè)計(jì)洪水位（正常運(yùn)用條件）波浪要素列于表1。

2.2試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)水位分別為校核洪水位18075 m和設(shè)計(jì)洪水位17706 m。

試驗(yàn)內(nèi)容包括測量設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下，干砌塊石護(hù)坡、混凝土護(hù)坡的波浪爬高、墻頂越浪以及胸墻壓強(qiáng)。首先進(jìn)行波浪要素率定，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)波浪要素造波，進(jìn)行各項(xiàng)內(nèi)容的試驗(yàn)。

（1）斜坡護(hù)面波浪爬高試驗(yàn)。

在坡度為1∶20的足夠長斜坡上布置波高儀，測量混凝土面板及干砌塊石型式時(shí)的波浪爬高。

（2）胸墻越浪測量斷面試驗(yàn)。

測量一個(gè)波列作用下的越浪水體重量，然后除以一個(gè)波列作用時(shí)間，從而得到平均單寬越浪量。試驗(yàn)在大壩斷面后側(cè)安置一接水箱，箱內(nèi)置一臺(tái)微型水泵，隨時(shí)將越浪水體抽出，并稱重，以計(jì)算越浪水量。

在胸墻中心線布置壓強(qiáng)測點(diǎn)，測量胸墻壓強(qiáng)，進(jìn)行壓強(qiáng)測量。

3試驗(yàn)成果及分析

3.1波浪爬高試驗(yàn)

護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式的糙滲系數(shù)KΔ是反映其消浪性能的重要參數(shù)，不同結(jié)構(gòu)型式的糙滲系數(shù)KΔ使斜坡上的爬高也不相同。在校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)波浪作用下，波浪爬高試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果列于表2。

3.2越浪量

由于波浪爬高只是表示波浪在斜坡上的爬升高度，而壩頂實(shí)際采用帶挑檐的直立胸墻結(jié)構(gòu)。因此，需要模擬壩頂胸墻結(jié)構(gòu)，通過越浪量試驗(yàn)，觀測波浪的越頂狀況。試驗(yàn)中波浪作用于壩頂胸墻的狀況見圖4，各工況下胸墻越浪量列于表3。

洪水位H1%=1.16 m，Tm=3.07 s1.0×1035.1×104H1%=1.54 m，Tm=3.54 s1.1×1036.3×104H1%=1.93 m，Tm=3.96 s1.4×1038.3×104H1%=1.77 m，Tm=3.79 s1.2×1040H1%=2.34 m，Tm=4.37 s1.4×1040H1%=2.90 m，Tm=4.87 s1.5×1040從試驗(yàn)結(jié)果可看出，即使是在設(shè)計(jì)洪水位、24 m/s風(fēng)速下的波浪（H1%=290 m，Tm=487 s）的情況下，越浪量也較小，只有15×104m3/（s·m）。然而，在試驗(yàn)過程中（圖4）可看到，由于胸墻和挑檐的作用，雖然越過胸墻的水量較小，但波浪作用于胸墻時(shí)濺起較大水花。如果遭遇7～9級(jí)左右大風(fēng)作用，濺起的水體受風(fēng)力影響可能越過胸墻。如考慮風(fēng)力對(duì)爬高后波浪的影響，越浪量將會(huì)有較大增加。

3.3胸墻壓強(qiáng)

為分析校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)波浪要素組合下波浪爬高對(duì)胸墻作用，胸墻自上而下布置了6個(gè)測點(diǎn)，測量所受壓強(qiáng)，測點(diǎn)布置見圖5。由于設(shè)計(jì)洪水位時(shí)波高較小，波浪難以作用到胸墻上部，使得胸墻所受波浪壓力較小。校核洪水位15 m/s的風(fēng)速壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表可見，在校核洪

4結(jié)論

本文以某水庫大壩為例，采用1∶15的模型比尺進(jìn)行了不同護(hù)坡型式下的波浪斷面物理模型試驗(yàn)，由試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論。

（1）將上游護(hù)坡型式由干砌塊石改為混凝土面板后，糙滲系數(shù)發(fā)生了顯著變化，壩頂高程已不能滿足規(guī)范的要求。

（2）試驗(yàn)中觀察到由于大壩胸墻頂部設(shè)有挑檐，波浪上爬后被反卷會(huì)水庫，因此越浪量較小。但實(shí)際情況是在發(fā)生較大波浪作用時(shí)，風(fēng)速也較大，如果在試驗(yàn)中考慮風(fēng)的影響，越浪量將會(huì)有較大幅度的增加。

（3）試驗(yàn)結(jié)果供其他除險(xiǎn)加固工程參考，在改變護(hù)坡型式后應(yīng)同時(shí)復(fù)核相應(yīng)的波浪爬高，或加以物理模型試驗(yàn)，以合理確定壩頂高程，或采取加糙措施，以保障水庫的防洪能力。

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