台阶式消浪护坡在土石坝加固工程中的应用研究

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430000）

1 研究背景

按现行规范要求对土石坝进行安全复核时，大坝欠高问题普遍存在，需进行坝体除险加固。土石坝除险加固方案主要有：①坝体培坡加高。在已有坝坡表层再进行培坡，但新培坡体难以压实，稳定性难以保证。②新建或加高防浪墙。采用该方法加高有限，若加高过多，将阻挡视线，影响美观。③增加消浪结构。增加坡面粗糙度以降低波浪爬高，从而降低坝顶高程；消浪结构不仅能消减波浪的爬高，降低坝顶高程，而且能减轻波浪对坝体的冲击，有利于坝体的安全。因此，增加消浪结构可以解决土石坝坝体欠高问题，具有良好的经济性和适用性。

目前，土石坝护坡消浪主要采取以下几种方式：①传统的护坡形式。如现浇混凝土、浆砌石、干砌石护坡，施工较便利，但消浪效果有限。②坡脚块石消浪。施工简单、经济，但消浪效果不理想，抛填块石易被波浪冲刷带走，影响坝坡的稳定。③混凝土预制块消浪。目前常用的预制块有各类异型块体，如扭王字块体、扭工字块体等，该方法消浪效果较好，但对制作铺设工艺要求较高，因此造价更高。④平台消浪。消浪效果好，能有效地消减波浪爬高降低坝顶高程，但造价较高。⑤防浪墙消浪。可防止或减少波浪越顶，特别是反弧形防浪墙具有较好的消浪效果，但防浪墙受到的波浪冲击力较大，影响防浪墙稳定性。⑥坝坡面加糙。通过加大坡面糙率，使波浪发生破碎，减小波浪爬高，消浪效果较好。从加固效果、工程造价、施工便利等方面综合考虑，坝坡面加糙是解决土石坝欠高问题的最优方式。而坝坡面加糙常用的方式有两种，即上凸式加糙和下凹式加糙。台阶式消浪结构因其具有上凸式和下凹式加糙消浪结构的特点，消浪效果好、结构稳定性强、造价低、施工简易，便于机械化施工，是一种高效且合理的消浪结构，具有较好的工程应用前景。

目前，台阶式护坡在土石坝加固工程中的研究及应用较少，仅在海堤工程中有研究和应用[1-3]。本文结合漳河水库除险加固工程，采用数值模拟计算土石坝台阶式护坡的消浪效果，结合海堤台阶式护坡研究成果，分析土石坝台阶式护坡结构参数与斜坡糙率渗透系数的关系，可为类似工程提供参考。

2 工程概况

漳河水库地处湖北荆门市、宜昌市和襄樊市交界处，是一座以灌溉、防洪为主，兼有城市供水、发电、航运、旅游等综合效益的大（1）型水库，水库工程等级为Ⅰ等，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级。挡水建筑物包括观音寺大坝、鸡公尖大坝2座主坝和林家港坝、王家湾坝、付集坝（原副坝）、周家河坝、礼堂坝5座副坝。其中，鸡公尖大坝为黏土斜墙多种土料组合坝，坝顶长1 950 m，宽9 m，坝顶高程126.8 m，最大坝高58.3 m，混凝土防浪墙顶高程为127.7 m。大坝上游坡比分别为1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0，为干砌块石护坡；下游坡比分别1∶2.25、1∶2.75、1∶3.25、1∶2.0，为草皮护坡。下游坡面设排水沟，坝脚设堆石排水棱体。2017年漳河水库大坝安全鉴定报告显示，鸡公尖大坝坝顶欠高0.49 m。针对该问题，漳河水库除险加固初步设计拟采用台阶式消浪护坡结构。

3 消浪效果数值模拟

3.1 模型建立

鸡公尖大坝库区集水面积较大、坝顶较长，综合考虑计算机性能及计算准确性，特截取坝顶部分断面建立断面数值模型，其中模型具体尺寸规模为42.5 m×5 m×10 m（长×宽×高）。针对堤岸区域紊流充分发展的情况，特选用当前工程应用最为广泛的RNG k-ε双方程紊流模型（计算量适中且计算精度良好），并结合FAVOR网格处理技术对三维实体进行六面体矩形网格微观划分，引入VOF方法追踪流体变化。

3.1.1 网格划分

图1 网格划分示意

本文选用Catia三维建模软件，基于鸡公尖水库工程实际按照1∶1构建三维实体模型，如图1所示，X轴垂直于坝轴线指向下游，Y轴平行坝轴线指向左岸，Z轴为反重力方向。为加速计算机数值模拟计算收敛，将三维实体模型整体划分成1个网块，并选用网格尺寸为0.05 m的均匀六面体网格均匀填充网块。考虑到岸坡区域水面波动剧烈，特利用网块嵌套技术在水面线±0.5 m内进一步加密网块，最小网格尺寸为0.01 m。整体三维模型有效网格达到80万个。

3.1.2 边界及初始条件

为保证数值模拟水流流态与原型相似，网块模拟区域较广，各边界条件依次如下：Ymin、Ymax依次为对称边界（symmetry），Zmin为无滑移固壁边界，Zmax为与大气相通的压力边界，Xmin为波浪边界；其中初始水位为设计水位，波高0.49 m，周期3.11s，Xmax为无滑移固壁边界。内部嵌套网块均设置为对称边界。

3.2 台阶式护坡结构尺寸

根据其他学者的研究经验以及大坝结构设计的实际情况，本次计算针对台阶式护坡的高度和坡比两个方面设计了12种结构尺寸，见图2，计算高度均为3 m，结构参数见表1。

图2 计算模型示意

表1 台阶式护坡方案比较

3.3 计算结果及分析

漳河水库波浪特性参数为平均波高0.49 m、平均波长15.14 m、周期3.11 s，采用有限元软件计算同一入射波、不同台阶式护坡结构参数下的波浪爬高。波浪爬高数值模拟计算典型结果见图3。

图3 波浪爬高数值模拟典型计算结果（表1中方案4）

根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》附录A规定，当坡度系数为1.5～5.0时，波浪爬高计算公式为

式中，Rm为平均波浪爬高，m；m为单坡的坡度系数；Kp为爬高累计频率换算系数；KΔ为糙率及渗透性系数；KW为经验系数；Lm为平均波长，m；hm为水域平均水深，m。

采用上述波浪爬高计算公式，根据数值模拟计算得到的各方案平均波浪爬高，计算糙率与渗透性系数K△，计算结果见表2。在同一入射波下，上游坝坡坡比m、台阶相对高度h/H及K△的关系见图4。

表2 台阶式护坡各方案计算结果

台阶式海堤数值模拟研究成果表明[1]：阶梯式海堤在外坡坡度和波坦相同的情况下，波浪爬高随着海堤台阶高度增大呈先减少后增大的趋势；当相对台阶高度h/H约为0.8时，波浪爬高达到最小，波浪爬高衰减了40%左右，随后波浪爬高稍有增大。台阶式海堤波浪爬高试验研究表明[2]：当h/H＜0.25时，波浪相对爬高和台阶式斜坡堤的糙渗系数随台阶相对高度的变化呈先减小再增大趋势；当h/H=0.063时，K△＝0.5，糙渗系数最小。

图4 同一入射波下m、h/H与K△的关系

由图4可知，同一入射波下，当坡比m=2.5时，平均波浪爬高、K△随h/H的增加先减小后增加；当h/H=0.067时，K△达到最小值0.5。此规律与前文所述台阶式海堤的数值模拟及物理模型试验得出的规律基本一致，仅在K△取最小值时，台阶相对高度稍有差异。同一入射波下，当h/H=0.067时，平均波浪爬高随上游坝坡坡比m的增加呈先减小后增加再减小趋势，总体呈减小趋势，此规律与台阶式海堤数值模拟实验的规律基本一致；K△随m的增加呈先增加、后减小、再增加趋势，当m=2.5时，K△达到最小值0.5。

4 加固设计方案

根据波浪爬高数值模拟计算及分析结果，当鸡公尖大坝上游坝坡坡比m=2.5，b=0.5 m，h=0.2 m时，K△=0.5，为最小值。加固设计方案为：在正常蓄水位以上设置混凝土台阶式护坡，台阶宽度b=0.5 m，台阶高度h=0.2 m，见图5。

鸡公尖大坝原干砌石护坡波浪爬高为1.70 m，采用台阶式护坡加固方案后，计算得波浪爬高为1.24 m，坝顶高程基本满足规范要求，取得了良好的消浪效果；加之坝顶改造时防浪墙加高20 cm，坝顶高程满足规范要求。

图5 鸡公尖大坝加固典型断面（单位：cm）

相较于常规坝顶帮坡加高方案，台阶式护坡方案节约工程投资约322万元，经济效益显著。该方案结构简单、施工方便，无需特殊机械设备，无需拆除现有护坡，且与现有坝坡结构有较好的适应性。另外，台阶式护坡还可结合坝顶改造，打造亲水生态景观平台。

5 结论

本文以漳河水库加固工程为背景，通过数值模拟计算鸡公尖大坝台阶式护坡消浪效果，结合海堤台阶式护坡数值模拟及物理模型试验结果，可以初步得到以下结论。

（1）同一入射波下，坡比相同时，平均波浪爬高、糙率及渗透性系数K△随台阶相对高度的增加呈先减小后增加趋势；当在h/H=0.067时，K△达到最小值0.50。

（2）同一入射波下，相对台阶高度h/H=0.067时，平均波浪爬高随上游坝坡坡比m的增加呈先减小后增加再减小趋势，总体呈减小趋势。

（3）台阶式护坡消浪效果较好，K△可达0.5～0.55。

台阶式护坡结构简单、施工简便、造价低、消浪效果较好，下一步可深入研究波浪特性、台阶结构参数等影响台阶式护坡消浪效果的因素，总结台阶式护坡糙率与渗透性系数的规律，便于台阶式护坡的推广应用。