滩涂水库堤前波要素计算及断面试验研究

郑国诞,陈 刚,胡金春,鲁海燕

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

浙江省水库多属滩涂水库,其特点为:地形平坦,库容主要由围坝形成,水库水面比较开阔,水深较小,一般为浅水[1].。水库修建后,库区形成封闭的人工湖泊,水面比较宽,并且四周没有山峰或高大建筑物阻挡,所以库区风的吹程比较大,风浪形成力强,对坝体等工程措施产生严重危害。一般而言,在同样条件下,库区的风浪尺度比非库区风浪尺度大,比外海的风浪尺度显著减小[2].。因此在进行水库坝体设计时,有必要搞清楚围堤堤前波要素并且在条件允许的情况下最好进行断面波浪模型试验来检验设计的合理性,本文以临海浦海涂水库为例进行波要素的推算并开展断面试验研究。

1 工程概况

临海浦海涂水库工程选址于尖山河湾南岸余姚岸段,余姚市海塘除险治江围涂四期工程的湖北北块围区内,即临海浦新闸下游侧、湖北东直堤上游侧 (见图1)。本海涂水库工程是作为余姚市海塘除险治江围涂四期工程的新增项目,没有前期的项目建议书和可行性研究阶段的相关研究成果。为达到初步设计阶段的深度要求,本文对水库库区堤前开展了波要素的计算并且进行了波浪断面模型试验。

图1 工程区域位置图

2 堤前波要素计算

根据浙江省海塘工程技术规范[3].推算了50 a一遇工程区域设计风速见表1。

表1 50 a一遇工程区域设计风速表

库内设计水位为库内设计蓄水位6.5m同时遭遇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].建立了库区波浪计算模型,模型Y方向为正北向,计算网格步长为20m,模型范围为4.4 km×3.0 km(见图2)。

图2 波浪计算模型范围图

为检验数学模型成果的合理性,把本次模型计算值与经验公式得到的数值进行比较分析。本库区东北—西南向风区长度及设计风速均较大,利用莆田公式计算西堤中间位置NE—ENE向的波浪要素,有效波高为0.64m。而用本次SWAN模型在同等条件下有效波高的计算结果为0.65m,二者基本一致。

将表1中的8个方向组设计风速及对应潮位作为模型的输入条件进行计算,得到库区各堤不同方向50 a一遇设计波要素,由于篇幅原因,本文仅列出NE—ENE和SW—WSW二个方向的波矢量图 (见图3、4),提取各堤前不利波要素见表2(南堤和北堤同时列出正向波要素和最大斜向波要素)。

图3 50 a一遇波浪分布图(风向:NE—ENE,风速:22.7 m/s)单位:km

图4 50 a一遇波浪分布图 (风向:SW—WSW,风速:18.7 m/s)单位:km

表2 堤前不利波要素表

3 模型设计与制作

试验在长70m,宽1.2m,高1.7m的水槽中进行,首端采用液压造波机系统,可生成规则波和不规则波。为消除波浪反射,在水槽末端设置1∶7的消波滩,滩上装有格栅及浮动泡沫板,借以吸收波浪能量,消波设施性能良好,基本消除反射波,本试验不规则波模拟采用常用的JONSWAP波谱作为目标谱。考虑堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素,采用模型比尺λ=12,即长度比尺λL= λH=12,时间比尺 λT=3.46,重量比尺 λW=1728,该比尺符合JTYT 234—2001《波浪模型试验规程》[5].的要求。

4 试验设计

库区东、南、西、北各堤中,西堤和南堤采用同一种断面型式,东堤和北堤采用同一种断面型式,另外北堤中部设有观景平台,平台处断面结构与上述2种断面相异(见图5～7)。

图5 西堤 (南堤)试验断面图

图6 东堤 (北堤)试验断面图

图7 观景平台试验断面图

根据上述计算结果,以不利条件原则安排试验组次,各堤前试验水文要素及试验工况组合见表3。由于3种断面下部结构基本一致,仅对堤前波要素最大的西堤补充较低潮位和50 a一遇波浪组合工况,以检验断面下部结构护面的稳定性。

试验内容与设计:①对各试验断面的设计工况进行波浪爬高和越浪量测定;②验证各断面在设计潮位及不利潮位和设计波要素不同组合情况下,挡浪墙和各护面结构的稳定性;③上坡混凝土预制块的比选,并根据试验结果提出优化意见。

表3 试验水文参数及工况组合表

5 试验结果及分析

5.1 波浪爬高和越浪量试验结果

西堤、东堤试验中可观察到各断面4.5 m高程平台对波浪形态基本无影响,波列中较大波仅在接近上斜坡时开始变形,即波浪的前坡变陡,峰顶前倾卷曲并出现浪花,在推进过程中逐渐加剧破碎,破波水流主要打击在上坡静水位附近,并形成向上涌动的波流沿斜坡上爬,最大上爬高程接近挡浪墙底部,各断面加风试验中波浪爬高有所增大,基本无越浪现象。观景平台断面试验中由于波高较小,仅有少量波浪可爬上7.0m高程宽平台并作用到上斜坡(见表4)。

表4 各围堤的越浪量及波浪爬高结果表

5.2 稳定性试验结果

(1)西堤断面:50 a一遇高水位遭遇同频波浪条件下,西堤断面挡浪墙、上坡20 cm厚混凝土预制块、平台及下坡30 cm厚干砌石、平台灌砌石梁与混凝土护肩均能保持稳定。较低水位 (4.5m)与50 a一遇波浪组合工况主要对断面平台及以下部分护面结构稳定性进行复核,试验结果显示,该工况下平台及下坡30 cm厚干砌石、平台灌砌石梁与混凝土护肩均能保持稳定。

根据要求,本次试验对上坡混凝土预制块厚度进行了比选,除设计20 cm厚度外,增加16 cm及12 cm厚度对比组次,结果表明:50 a一遇高水位遭遇同频波浪条件下,少量16 cm厚混凝土预制块有上下浮动现象,基本处于临界稳定状态;12 cm厚混凝土预制块部分失稳,失稳率为10.7%。

(2)东堤断面:50 a一遇高水位遭遇同频波浪条件下,东堤断面挡浪墙、上坡20 cm厚混凝土预制块、平台及下坡30 cm厚干砌石、平台灌砌石梁与混凝土护肩均能保持稳定。上坡混凝土预制块厚度比选试验中,50 a一遇高水位遭遇同频波浪条件下,个别16 cm厚混凝土预制块有轻微浮动现象;12 cm厚混凝土预制块部分失稳,失稳率为4.8%。

(3)观景平台:50 a一遇高水位遭遇同频波浪条件下,观景平台断面挡浪墙、上坡20 cm厚混凝土预制块、高程7.0m宽平台20 cm厚混凝土护面、灌砌石挡墙及30 cm厚干砌石、混凝土护肩均能保持稳定。上坡混凝土预制块厚度比选试验中,50 a一遇高水位遭遇同频波浪条件下,16 cm及12 cm厚混凝土预制块均能保持稳定。

6 结 语

本文通过SWAN模型进行了水库堤 前波要素的计算,并对典型断面进行了波浪断面试验,得出以下结论:

(1)各围堤在各种工况下基本无越浪,波浪爬高也较小。

(2)50 a一遇设计高水位及较低水位 (4.5 m)遭遇50 a一遇设计波浪条件下,西堤、东堤及观景平台试验断面挡浪墙、上坡20 cm厚混凝土预制块、平台及下坡30 cm厚干砌石、宽平台20 cm厚混凝土护面及灌砌石挡墙等护面结构均能保持稳定。上坡混凝土预制块厚度比选试验中,设计条件下西堤和东堤断面16 cm厚混凝土预制块有上下浮动现象,处于或接近临界稳定状态,两断面12 cm厚混凝土预制块均部分失稳,失稳率分别为10.7%和4.8%;观景平台断面16 cm及12 cm厚混凝土预制块均能保持稳定。

[1].郑殿祥,周荣星,金瑞清,等.平原水库波浪爬高计算方法探讨 [J]..人民黄河,2009,31(3):86-87.

[2].程昌华,邓伯强.库区风浪对水库港码头建设的影响[J]..重庆交通学院学报,2001,20(B11):112-115.

[3].浙江省海塘工程技术规定.浙江省工程技术规定 [S]..杭州:浙江省水利厅,1999.

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

[5].南京水利科学研究院.JTYT 234—2001波浪模型试验规 [S]..北京:人民交通出版社,2001.