勝利水庫拋石防浪護坡的設計和應用

【摘要】勝利水庫自1961年運行至今，主壩段受到風浪的沖蝕嚴重，近年來對主壩段部分嚴重沖蝕段采用拋石的辦法防浪護坡，取得了良好的效果。本文試圖結合勝利水庫的拋石防浪護坡的設計和應用情況，進一步探究拋石這種古老的護面形式的設計方法。

【關鍵詞】拋石護坡；設計；粒徑

1、水庫概況

勝利水庫位于新疆阿克蘇河流域最下游的農一師塔里木灌區，阿克蘇河南岸，和田河西岸，阿克蘇市東南面約110km，東距阿拉爾城鎮30多公里。庫址屬于阿克蘇河、和田河、葉爾羌河三河沖積平原。水庫攔截葉爾羌河，系從阿克蘇河塔里木攔河閘引水入庫。其地理位置為東經80°33′45″～80°45′，北緯40 °20′～40°32′30″。水庫庫容1.8億m3，調節灌溉面積目前73.65萬畝，屬二等大（二）型工程，其中永久性主要建筑物為2級，永久性次要建筑物為3級，臨時性建筑物為4級，灌溉保證率P=75%。

2、拋石防浪護坡設計

2.1 拋石的粒徑

勝利水庫拋石的代表粒徑伊里巴侖推導岸坡塊體的穩定性方程進行計算。水庫的波高采用官廳公式進行計算，取0.838m。由于水庫的壩坡在1：5—1：12之間，在計算時取1：8，拋石的比重為2.6，容重為2.2g/cm3。計算拋石的代表粒徑分別為30.3mm和30.6mm。計算取值30mm。

2.2 拋石的級配

拋石的級配影響其穩定性。尺寸變化不大的拋石空隙大，能吸收部分波能而減小爬高但所受到的力也較大。均勻級配的拋石，大石塊間的空隙被小石塊填充，這樣可以改善內部連接，同時保持浪壓力作用在護層的外面而增加穩定性，勝利水庫所采用的最大拋石粒徑為35cm左右，由此計算出拋石的厚度為30cm即可。

3、拋石防浪護坡應用

拋石護坡在實際應用中不可能對用于拋石的料進行篩分后再鋪筑在壩坡上，因而選用符合或接近于上述設計控制指標的料場就顯得較為重要了，施工時我們采用了勿甫渠首處的料場作為護坡用料，實際就是混合戈壁料，以水庫庫容為9800×104m3時對應的設計水位1192.74m為準垂直向上0.6m向下0.4m沿壩坡方向鋪筑混合戈壁，戈壁料各種顆粒含量所占比例以及其級配曲線如所示，可以看出40-80mm的顆粒占有相當大的比例，占有62.3%這接近我們設計的d50=30mm的要有求。

經過這幾年的運行可以看出效果較好，可以很大程度地保護壩坡不被風浪沖蝕。而且由于拋石護坡具有良好的柔性，冬季不怕冰凍的影響，不產生凍脹現象，水庫結冰，冰蓋下粘有的少量石子來年化凍又回落在壩坡上。從運行上可以看出影響護坡安全的最大因素是拋石的粒徑以及均勻程度。在這方面由于設計時采用的現有的公式大多為半經驗公式，因而往往不能夠較為全面考慮各種影響拋石穩定的因素。使得計算的結果針對本地的情況應用難免出現偏差。應用時為降低工程的造價不可能象做反濾層一樣對拋石按照不同的粒徑分層鋪筑。事實上從小到大分層鋪筑才是最為有效的辦法，這一點已從現在運行的情況可以看出，已有部分的小的石子被回落的波浪帶走。看來是否能從理論上并結合工程應用的實踐找到一種較為通用的設計方法，合理的確定拋石的粒徑控制指標，對水庫拋石防浪這種古老的護面形式是十分必要的。

4、拋石防浪護坡設計方法的探究

拋石護坡設計的最終目的是確定適宜的拋石粒徑尺寸及級配和相應的拋石厚度。拋石尺寸應以能防止被波浪搬動為準。石塊的穩定性與下列因素有關：拋石的形狀、尺寸、重量和擠實情況，壩坡的坡度、排水、拋石對堤身的附著狀態。波浪的要素如波高、波形波幅、質點速度、進入角頻率和含氣量等。由此可以看出，現有的拋石設計方法最終可以歸結為以粒徑指標為核心的設計參數，拋石的關鍵就是粒徑，能建立起波長、拋石的容重、內摩擦角、壩坡坡腳等與拋石拋石粒徑的關系式也就找到了可行的設計方法。

對易沖河槽邊界以及土渠的彎曲段的拋石設計已經有較成熟的方法，這些設計方法的理論基礎主要是利用拖曳力理論形成的，拖曳力常用在拋石設計技術上，因為它描述了發生在邊坡邊界上的力。但對于水庫的拋石護坡，由于拋石主要用于防護波浪的侵蝕沖刷，而波浪作用于壩坡邊界層的機理較為復雜，能否運用起動拖曳力的有關理論也建立起可以用于設計的方法，關鍵在于要弄清楚波浪作用于邊坡邊界的機理以及用于護坡的哪一級的粒徑為代表粒徑。在這我們建議從工程的安全考慮采用d60為代表粒徑。則以壩坡最大切應力為指標的石塊起動條件為：

上式的左側也就是希爾茲希在分析單向流中泥沙起動時所用的參數，由于起動拖曳力，這樣作用于壩坡上的波浪起動切應力條件就可以轉化成起動流速條件，而起動流速，流速條件轉化為我們熟悉的波浪高、周期等參數，波浪作用于壩坡成為可解條件了。在此基礎上再依據斯維（Svee）壩坡穩定性方程就可以建立起拋石粒徑與波浪浪高、壩坡等設計參數的函數關系式了。這樣我們就找到了既能夠在理論上有合理的依據又能夠應用于水庫防浪拋石護坡實際工程設計的一般關系式，從而擴大了應用范圍，不再局限于某一條件或某些地區的水庫拋石護面的設計了。

5、結論與建議

水庫拋石護面是最為古老的一種護面形式之一，卻缺乏一般性的設計方法，我們所作的嘗試是初步的，還有待于更進一步的工程應用來加以驗證，事實上拋石設計中波浪因素是較難確定的，這進一步使得用于設計的方法所得的結果的不確定性增加。拋石的代表粒徑用平均粒徑進行計算是欠妥的，進一步分析采用何種粒徑為計算代表粒徑是值得研究的事。同時拋石粒徑只是設計中幾個重要因素之一，拋石的坡腳防護、拋石的鋪筑方法等也是設計當中必須考慮的因素。

參考文獻：

[1]D.斯蒂芬森 堆石工程水力計算 海洋出版社 1984

[2]錢寧 泥沙運動力學 水利電力出版社 1980