土石坝工程台阶式消浪护坡技术研究

2021-09-24郑道宽

广西水利水电 2021年4期

董索，郑道宽，周招

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430000）

目前土石坝护坡消浪方式主要有：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，但消浪作用有限；②混凝土预制块消浪，如扭王字块体、扭工字块体等，消浪效果较好，但是制作铺设工艺要求比较高，造价较高。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]。本文采用数值模拟计算土石坝台阶式护坡的波浪爬高，分析土石坝台阶式护坡结构参数与糙率渗透性系数K△的关系，为土石坝加固工程消浪护坡设计提供参考。

1 计算参数选取

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A，当坡度系数m=1.5～5.0时，平均波浪爬高计算公式为：

由式（1）可知，平均波浪爬高与坡度系数m、糙率渗透性系数K△、计算风速、坝迎水面前水深、波浪特性（平均波周期、平均波高、平均波长）等有关。

由于对于同一水库的同一计算工况，计算风速、坝迎水面前水深、波浪特性等参数均相同，为简化计算，参考台阶式海堤研究成果[1、2]，引入参数相对台阶高度h/H，其中h为单个台阶高度，H为台阶总高度。因此本次研究选取的计算参数包括：坡度系数m，相对台阶高度h/H，糙率渗透性系数K△。

2 台阶式护坡波浪爬高数值模拟

2.1 模型建立

2.1.1 网格划分

为真实模拟土石坝波浪动态过程，以湖北省漳河水库为例，建立漳河水库主坝三维整体数值模型（见图1）。三维模型X轴沿溢流堰横轴指向右岸，Y轴沿纵轴指向下游，Z轴为重力反方向，坐标原点位于上游坝脚。整体模型分3个网块：上游库区网块、坡脚网块以及垂直阶梯消浪区网块。考虑到上游坝坡区域水流波动更为充分，上游库区网块、坡脚网块以及垂直阶梯消浪区网块纵向逐次加密，各网块最小网格尺寸依次为0.1、0.05、0.02 m，整体模型网格达到280万个，其中有效网格161万个。网块两侧及底部均采用无滑移固壁边界，网块纵向连接处均选用对称边界，模型进出口分别采用自由水位控制的压力进出口。

图1 三维数值模型图

2.1.2 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，各边界条件是：Ymin、Ymax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，Xmax为无滑移固壁边界。内部嵌套网块均设置为对称边界。

2.2 h/H、m对Rm的影响

2.2.1 h/H、m分别对Rm的影响

湖北省漳河水库波浪平均波高为0.49 m、平均波周期为3.11 s、平均波长为15.14 m，采用有限元软件计算同一入射波、同一坡度系数，相对台阶高度对平均波浪爬高的影响。在正常蓄水位以上采用台阶式护坡，坡度系数m为2.5，台阶总高度H均为3 m，计算方案见表1，数值模拟计算的各方案平均波浪爬高Rm结果见表2，典型结果图（方案4）见图2。

图2 波浪爬高数值模拟计算典型结果图（方案4）

表1 台阶式护坡计算方案

表2 m=2.5，不同h/H时计算结果

根据数值模拟计算的各方案平均波浪爬高Rm，计算糙率渗透性系数K△，计算结果见表2。在同一入射波下，上游坝坡坡度系数m、相对台阶高度h/H与糙率渗透性系数K△的关系见图3。

由图3可知，同一入射波下，坡度系数m=2.5相同时，平均波浪爬高Rm及糙率渗透性系数K△随相对台阶高度的增加先减小后增加，在h/H=0.067时，K△达到最小值0.50。此规律与台阶式海堤的数值模拟及物理模型试验[3、4]得出的规律基本一致。台阶式护坡相比于光面混凝土护坡，波浪爬高可减少40%～50%（方案1）。

图3 m，h/H与K△的关系图

根据上述研究成果，对同一入射波，当相对台阶高度h/H=0.067时，坡度系数m按2.0、2.3、2.5、3.0、3.5、4.0分别计算平均波浪爬高Rm和糙率渗透性系数K△。计算结果见表3和图3。

表3 h/H=0.067时，不同m时计算结果

由图3可知，同一入射波下，相对台阶高度h/H=0.067相同时，平均波浪爬高Rm随上游坝坡坡度系数m的增加先减小后增加再减小，总体呈减小趋势，此规律与台阶式海堤数值模拟实验[3、4]的规律基本一致；糙率渗透性系数K△随上游坝坡坡度系数m的增加先增加后减小再增加，在m=2.5时，K△达到最小值0.50。

2.2.2 h/H、m共同作用对波浪爬高的影响

根据以上研究成果，为了进一步研究h/H、m对波浪爬高的影响，m按2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，h/H按0.020、0.040、0.067、0.083、0.100，分别计算平均波浪爬高Rm和糙率渗透性系数K△。计算结果见表4和图4～图9。