秦山核电厂海堤加高工程挡浪墙波浪力研究

2013-10-16沈靠山

浙江水利科技 2013年3期

关键词：测力海堤模型试验

沈靠山,李翔

(浙江省钱塘江管理局,浙江杭州 310016)

1 问题的提出

为提高已建海塘防洪潮减灾能力和增强应对台风暴潮等自然灾害的能力。近年来海塘加固工程日益增多。在应对超标准风暴潮等特殊水动力条件下,挡浪墙上浪压力对挡浪墙的稳定至关重要。

本文将介绍在1 000 a一遇水位与100 a一遇台风浪组合工况下,秦山核电厂海堤加高工程中挡浪墙上浪压力的研究成果,并对水槽模型试验与经验公式计算得到的波浪力进行了比较,为类似工程设计积累经验。

2 模型试验[1-2]

2.1 试验条件

试验在不规则波水槽中进行,主要仪器包括液压式不规则波系统、相应的控制软件以及电阻式波高仪。测力系统为DJ800型多功能监测系统,可对水位、波高、点脉动压力、面脉动压力等进行同时采集。试验时不考虑水体黏性的影响,只保持模型与实物之间的Froude数和Strouhal数相同。模型比尺M采用25,即长度比尺λ L=λ H=25,时间比尺 λ T=5.0, 重量比尺λ W=15 625。

试验断面堤前波浪和潮位采用浙江省水利河口研究院于2008年编制的《秦山核电厂扩建工程(方家山核电)设计基准洪 (低)水位专题总报告》相关资料。试验水文组合为基准水位与台风浪组合情况,即最高潮位 (基准水位10.01 m)及前后各2 h的潮浪工况。试验中主要采用不规则波,波谱采用JONSWAP谱,试验断面堤前波浪和潮位资料[3]见表1。

表1 试验断面堤前水文要素表

2.2 模型试验断面

试验断面型式:堤顶高程为10.20 m,堤顶路面外侧挡浪墙高于堤顶1.20 m,在内侧设2.50 m高的内挡墙;迎潮面护坡采用C25混凝土四脚空心块(4 t),5.50 m高程平台表面为混凝土预制块2.00 m×2.00 m×0.60 m,断面镇压层头部为1.65 t扭工字块 (见图1)。

图1 海堤波浪水槽模型试验断面图

2.3 试验成果

挡浪墙迎潮面以1.00 m高度为间隔共布置4个测压头(见图2)。在基准洪水位与台风浪组合情况下,实测挡浪墙迎潮面波压力见表2。从表2中可看出,①对于挡浪墙不同测力位置,静水位附近测力点波压力最大,不规则波最大值达174.7 kPa,静水位上、下1.00 m处波压力稍小,挡墙迎潮面底部波压力相对最小;②不规则波的试验结果整体要大于规则波;③沿高度方向积分,得单位堤长挡浪墙水平总波浪力为558 kN。

表2 实测挡浪墙迎潮面波压力表

图2 挡浪墙测力点布置图

3 经验公式分析

分别采用SL 435—2008《海堤工程设计规范》中斜坡式海堤、直立式海堤护面、Martin等研究成果的经验公式进行计算。

(1)SL 435—2008《海堤工程设计规范》中对于斜坡式海堤顶部防浪墙上的波浪力,当无因次参数时ζ≤ζb,可采用下式计算挡浪墙上的浪压力:

式中:d1为挡浪墙前水深,m,取2.01 m;d为静水面至涂面高度,m,取9.01 m;为平均压力压强,kPa;P为单位长度防浪墙上的总波浪力,kN/m;KP为与无因次参数ζ和波坦L/H有关的平均压强系数,查规范P119页图G.2.3-2确定KP取4.63;Kz为与无因次参数ζ和波坦L/H有关的波压力作用高度系数,查规范P119页图G.2.3-2确定Kz取1.36。

(2)SL 435—2008《海堤工程设计规范》中对于直立式护面上的波浪力采用:

式中:K1为水底坡度 i的函数,查规范P114页表G.1.1-1确定K1取1.89;K2为波塘L/H的函数,查规范P115页表G.1.1-2确定K2取1.0;PS为静水面处的波浪压力强度,计算结果为123.36 kPa。

静水面以下深度 Z=H/2处的波浪压力强度为86.35 kPa,水底处波浪压力强度为74.00 kPa。根据规范P114页图G.1.1-1波压力分布图可确定作用在挡浪墙上的总波压力为379.0 kN/m。

(3)Martin[4]等人的研究成果计算波浪压力,Martin从波浪爬高角度,根据爬高以及爬高水体形成的“水舌”的厚度分析波浪力与压强的关系。计算公式如下:

hw为在静水处 “水舌 “的厚度,Martin认为其近似为波高H,为6.66 m;Z为堤顶至静水位间的高度,为0.19 m;Ru为波浪在斜坡面上的最大爬高,为5.42 m;β为坡角,约为45°,由公式计算确定 h1为6.43m;α为0.96;Ρh1为60.5 kPa;则作用在挡浪墙上的总波压力为205.7 kN/m。