土石壩工程臺(tái)階式消浪護(hù)坡技術(shù)研究

董 索，鄭道寬，周 招

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430000）

目前土石壩護(hù)坡消浪方式主要有：①傳統(tǒng)的護(hù)坡形式，如現(xiàn)澆混凝土、漿砌石、干砌石護(hù)坡，施工較便利，但消浪作用有限；②混凝土預(yù)制塊消浪，如扭王字塊體、扭工字塊體等，消浪效果較好，但是制作鋪設(shè)工藝要求比較高，造價(jià)較高。目前臺(tái)階式護(hù)坡在土石壩加固工程中的研究及應(yīng)用較少，僅在海堤工程中有研究和應(yīng)用[1～3]。本文采用數(shù)值模擬計(jì)算土石壩臺(tái)階式護(hù)坡的波浪爬高，分析土石壩臺(tái)階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)參數(shù)與糙率滲透性系數(shù)K△的關(guān)系，為土石壩加固工程消浪護(hù)坡設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）附錄A，當(dāng)坡度系數(shù)m=1.5～5.0時(shí)，平均波浪爬高計(jì)算公式為：

由式（1）可知，平均波浪爬高與坡度系數(shù)m、糙率滲透性系數(shù)K△、計(jì)算風(fēng)速、壩迎水面前水深、波浪特性（平均波周期、平均波高、平均波長(zhǎng)）等有關(guān)。

由于對(duì)于同一水庫(kù)的同一計(jì)算工況，計(jì)算風(fēng)速、壩迎水面前水深、波浪特性等參數(shù)均相同，為簡(jiǎn)化計(jì)算，參考臺(tái)階式海堤研究成果[1、2]，引入?yún)?shù)相對(duì)臺(tái)階高度h/H，其中h為單個(gè)臺(tái)階高度，H為臺(tái)階總高度。因此本次研究選取的計(jì)算參數(shù)包括：坡度系數(shù)m，相對(duì)臺(tái)階高度h/H，糙率滲透性系數(shù)K△。

2 臺(tái)階式護(hù)坡波浪爬高數(shù)值模擬

2.1 模型建立

2.1.1 網(wǎng)格劃分

為真實(shí)模擬土石壩波浪動(dòng)態(tài)過(guò)程，以湖北省漳河水庫(kù)為例，建立漳河水庫(kù)主壩三維整體數(shù)值模型（見(jiàn)圖1）。三維模型X軸沿溢流堰橫軸指向右岸，Y軸沿縱軸指向下游，Z軸為重力反方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于上游壩腳。整體模型分3個(gè)網(wǎng)塊：上游庫(kù)區(qū)網(wǎng)塊、坡腳網(wǎng)塊以及垂直階梯消浪區(qū)網(wǎng)塊。考慮到上游壩坡區(qū)域水流波動(dòng)更為充分，上游庫(kù)區(qū)網(wǎng)塊、坡腳網(wǎng)塊以及垂直階梯消浪區(qū)網(wǎng)塊縱向逐次加密，各網(wǎng)塊最小網(wǎng)格尺寸依次為0.1、0.05、0.02 m，整體模型網(wǎng)格達(dá)到280萬(wàn)個(gè)，其中有效網(wǎng)格161萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)塊兩側(cè)及底部均采用無(wú)滑移固壁邊界，網(wǎng)塊縱向連接處均選用對(duì)稱(chēng)邊界，模型進(jìn)出口分別采用自由水位控制的壓力進(jìn)出口。

圖1 三維數(shù)值模型圖

2.1.2 邊界及初始條件

為保證數(shù)值模擬水流流態(tài)與原型相似，網(wǎng)塊模擬區(qū)域較廣，各邊界條件是：Ymin、Ymax為對(duì)稱(chēng)邊界（symmetry），Zmin為無(wú)滑移固壁邊界，Zmax為與大氣相通的壓力邊界，Xmin為波浪邊界，Xmax為無(wú)滑移固壁邊界。內(nèi)部嵌套網(wǎng)塊均設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界。

2.2 h/H、m對(duì)Rm的影響

2.2.1 h/H、m分別對(duì)Rm的影響

湖北省漳河水庫(kù)波浪平均波高為0.49 m、平均波周期為3.11 s、平均波長(zhǎng)為15.14 m，采用有限元軟件計(jì)算同一入射波、同一坡度系數(shù)，相對(duì)臺(tái)階高度對(duì)平均波浪爬高的影響。在正常蓄水位以上采用臺(tái)階式護(hù)坡，坡度系數(shù)m為2.5，臺(tái)階總高度H均為3 m，計(jì)算方案見(jiàn)表1，數(shù)值模擬計(jì)算的各方案平均波浪爬高Rm結(jié)果見(jiàn)表2，典型結(jié)果圖（方案4）見(jiàn)圖2。

圖2 波浪爬高數(shù)值模擬計(jì)算典型結(jié)果圖（方案4）

表1 臺(tái)階式護(hù)坡計(jì)算方案

表2 m=2.5，不同h/H時(shí)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的各方案平均波浪爬高Rm，計(jì)算糙率滲透性系數(shù)K△，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。在同一入射波下，上游壩坡坡度系數(shù)m、相對(duì)臺(tái)階高度h/H與糙率滲透性系數(shù)K△的關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，同一入射波下，坡度系數(shù)m=2.5相同時(shí)，平均波浪爬高Rm及糙率滲透性系數(shù)K△隨相對(duì)臺(tái)階高度的增加先減小后增加，在h/H=0.067時(shí)，K△達(dá)到最小值0.50。此規(guī)律與臺(tái)階式海堤的數(shù)值模擬及物理模型試驗(yàn)[3、4]得出的規(guī)律基本一致。臺(tái)階式護(hù)坡相比于光面混凝土護(hù)坡，波浪爬高可減少40%～50%（方案1）。

圖3 m，h/H與K△的關(guān)系圖

根據(jù)上述研究成果，對(duì)同一入射波，當(dāng)相對(duì)臺(tái)階高度h/H=0.067時(shí)，坡度系數(shù)m按2.0、2.3、2.5、3.0、3.5、4.0分別計(jì)算平均波浪爬高Rm和糙率滲透性系數(shù)K△。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

表3 h/H=0.067時(shí)，不同m時(shí)計(jì)算結(jié)果

由圖3可知，同一入射波下，相對(duì)臺(tái)階高度h/H=0.067相同時(shí)，平均波浪爬高Rm隨上游壩坡坡度系數(shù)m的增加先減小后增加再減小，總體呈減小趨勢(shì)，此規(guī)律與臺(tái)階式海堤數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)[3、4]的規(guī)律基本一致；糙率滲透性系數(shù)K△隨上游壩坡坡度系數(shù)m的增加先增加后減小再增加，在m=2.5時(shí)，K△達(dá)到最小值0.50。

2.2.2 h/H、m共同作用對(duì)波浪爬高的影響

根據(jù)以上研究成果，為了進(jìn)一步研究h/H、m對(duì)波浪爬高的影響，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，分別計(jì)算平均波浪爬高Rm和糙率滲透性系數(shù)K△。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和圖4～圖9。

表4 不同h/H與m，平均波浪爬高Rm計(jì)算結(jié)果

圖4 Rm與m關(guān)系圖

圖5 Rm與h/H關(guān)系圖

圖6 Rm與m、h/H關(guān)系圖

圖7 K△與m關(guān)系圖

圖8 K△與h/H關(guān)系圖

圖9 K△與m、h/H關(guān)系圖

由表4和圖4～圖9可知，同一入射波下，m與h/H共同變化時(shí)，波浪爬高Rm及糙率滲透性系數(shù)K△與m、h/H的變化關(guān)系不明顯，需采取其他分析手段進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 波浪參數(shù)對(duì)波浪爬高Rm的影響

前文所述計(jì)算均基于漳河水庫(kù)的波浪要素特征，為進(jìn)一步分析波浪爬高的影響因素，根據(jù)云溪水庫(kù)波浪平均波高0.29 m、平均波周期2.38 s、平均波長(zhǎng)8.82 m計(jì)算平均波浪爬高Rm和糙率滲透性系數(shù)K△，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和圖10。

表5 不同h/H、m時(shí)，Rm、K△計(jì)算結(jié)果表

圖10 K△與h/H、m關(guān)系圖

由表5和圖10可知，采用云溪水庫(kù)波浪要素時(shí)，相對(duì)臺(tái)階高度h/H、坡度系數(shù)m對(duì)K△的影響規(guī)律與采用漳河水庫(kù)波浪要素計(jì)算結(jié)果基本一致。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）臺(tái)階式護(hù)坡相比于光面混凝土護(hù)坡，平均波浪爬高Rm可減少40%～50%。

（2）同一入射波下，坡度系數(shù)m相同時(shí)，平均波浪爬高Rm及糙率滲透性系數(shù)K△均隨著相對(duì)臺(tái)階高度h/H的增大先減小后增大。

（3）同一入射波下，相對(duì)臺(tái)階高度h/H相同時(shí)，平均波浪爬高Rm隨坡度系數(shù)m的增大總體呈減小趨勢(shì)，糙率滲透性系數(shù)K△隨坡度系數(shù)m的增大呈波動(dòng)狀態(tài)。

（4）臺(tái)階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低、消浪效果較好，具有推廣應(yīng)用前景。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，按土石壩工程常用的坡度系數(shù)m，h/H及K△參考取值見(jiàn)表6，可供類(lèi)似工程參考選用。

表6 h/H與K△參考取值