應(yīng)對超高水位的海堤加高方案波浪模型試驗研究

胡金春,邵彥俊,于曰

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.湖州市水文站,浙江 湖州 313000)

1 問題的提出

浙江省地處我國東南沿海,歷來臺風(fēng)多發(fā),進入21世紀,特別是 2004年起,連續(xù)有 “0414” (云娜)、 “0509”(麥莎)、“0515”(卡努)3次強臺風(fēng)侵襲,后又有超強臺風(fēng)0608” (桑美)正面襲擊浙江, “0713” (韋帕)、 “0716”(羅莎)2次超強臺風(fēng)影響浙江省。與此同時,2005年8月29日美國的“卡特里娜”颶風(fēng)橫掃南部幾個州,使新奧爾良市防洪堤缺口,80%區(qū)域淹沒,損失巨大。2008年5月納爾吉斯”強熱帶風(fēng)暴途徑孟加拉灣襲擊緬甸,使得西南部平原地區(qū)淹沒,造成數(shù)萬人傷亡。如何應(yīng)對臺風(fēng)乃至超強臺風(fēng)引發(fā)的超高水位及相應(yīng)的臺風(fēng)大浪是浙江省防臺工作必須解決的新課題。

根據(jù)浙江省水利河口研究院近年來對錢塘江河口超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮系列課題的研究[1].,曾經(jīng)登陸浙江省的 “5612”型臺風(fēng)如以不利路徑(北線)登陸錢塘江河口,且登陸時遭遇大潮高潮位,錢塘江北岸鹽官以下堤段最高風(fēng)暴潮位超過現(xiàn)有海堤100 a一遇設(shè)計水位均在2m以上,局部堤段超過3m,相應(yīng)臺風(fēng)浪也大幅增強,在此極端條件下,若要使現(xiàn)有海堤御潮擋浪能力不下降,必須對斷面進行加固加高。

針對超強臺風(fēng)引起的超高水位及相應(yīng)臺風(fēng)大浪,選取典型海堤斷面實例,開展海堤加高方案水槽波浪模型試驗研究,通過波浪作用形態(tài)分析和各工況波浪越浪量、擋浪墻波壓力的測定,對超高水位下的海堤加高方案進行初步探索,所得的試驗數(shù)據(jù)可供海堤設(shè)計參考。

2 研究斷面與水文條件

選取錢塘江北岸秦山段典型斜坡式海堤作為研究斷面,該段海堤現(xiàn)狀堤頂高程為8.5m,防浪墻頂高程為9.5m,設(shè)計100 a一遇高潮位為6.48m,100 a一遇波高 H13%為3.16m。根據(jù)文獻[1].的研究成果,該堤段遭遇 “5612”型臺風(fēng)以不利路徑登陸錢塘江河口,且登陸時遭遇大潮高潮位時,堤前最高風(fēng)暴潮位可達10.01m(見表1),已超過現(xiàn)狀海堤防浪墻的頂高程[1].。

表1 試驗斷面堤前水文要素表

根據(jù)浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院的研究成果,對該段海堤加高方案主要考慮如下:①迎水坡?lián)趵藟σ韵虏糠謹嗝嫘螒B(tài)基本保持原狀,僅增大護面塊體單重;②對于防浪墻及堤頂部分,考慮2個方案,方案1為擋浪墻頂高程11.4m,堤頂高程10.2m,在內(nèi)側(cè)(堤頂與內(nèi)坡交接處)設(shè)擋墻,內(nèi)墻高出堤頂2m或3m;方案2為擋浪墻頂高程12.4m,堤頂高程11.0m,內(nèi)墻高出堤頂1,2m或3m。方案1具體斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 方案1試驗斷面結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗設(shè)計

3.1 試驗內(nèi)容及組次

主要針對超高水位和相應(yīng)臺風(fēng)浪引起的越頂水量及其破壞能力,安排試驗內(nèi)容為:①根據(jù)表1所列水文要素測定研究斷面各加高方案的越頂水量;②測定各加高方案擋浪墻迎潮面波壓力和內(nèi)墻越浪水體作用力。

試驗主要采用不規(guī)則波進行,不規(guī)則波模擬采用常用的JONSWAP波譜作為目標(biāo)譜,其中波壓力試驗補充規(guī)則波組次。

3.2 試驗設(shè)備與量測方法

試驗在浙江省河口海岸重點實驗室不規(guī)則波水槽中進行,水槽長70m,寬1.2m,高1.7m,首端采用液壓造波機系統(tǒng),可生成規(guī)則波和不規(guī)則波。為消除波浪反射,在水槽末端設(shè)置1∶7的消波灘,灘上裝有格柵及浮動泡沫板,借以吸收波浪能量。

試驗中在堤后安放容器承接越浪水體,可稱重得出越浪量。測力系統(tǒng)為中國水利水電科學(xué)研究院研制的DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng),試驗中在控制點位布置傳感器,通過DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)采集波浪力。對每個工況組合試驗均重復(fù)量測3次,以減小偶然因素的影響。

3.3 模型制作與布置

考慮堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素,采用模型比尺M=25,該比尺符合JTJ234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[2].的要求。

擋浪墻迎潮面共布置5個測壓頭,包括靜水位處、擋浪墻頂部、迎潮面底部等位置(見表2及圖2)。內(nèi)墻基本以1m高度為間隔共布置4個測壓頭(見表2及圖3)。

表2 擋浪墻及內(nèi)側(cè)擋墻壓力測點布置表

圖2 擋浪墻測力點布置圖 單位:m

圖3 內(nèi)墻測力點布置圖

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 越浪量試驗結(jié)果

由于試驗中的超高水位遠高于設(shè)計100 a一遇高潮位,試驗斷面迎水面平臺及上、下斜坡對波浪消減能力下降,這就造成了幾乎每個波浪均能形成大片的越浪水體。不同大小的波浪破波位置可分布于鎮(zhèn)壓平臺、5.5m高程平臺、斜坡等不同位置上,或不破碎。越浪水體主要打擊位置在堤頂路面,但由于越浪量很大,如在堤頂內(nèi)側(cè)不設(shè)擋墻,越浪水體打擊在堤頂以后會對后坡形成明顯的2次打擊,同時,也有部分波浪越浪水體可直接打擊在后坡中上部。部分試驗現(xiàn)象見圖4、5。

圖4 部分大波破碎于平臺上涌后大量水體越過防浪墻圖

試驗中觀察到多數(shù)越浪水體可大致分為2部分,下部為楔形連片水體,有一定的厚度,是越浪的主體部分;上部為成片的破碎水體,泛白色,水量相對較小。堤頂與內(nèi)坡交接處設(shè)圍墻后,下部越浪水體基本被擋住,但上部破碎水體仍可越過墻頂,打擊位置主要在內(nèi)坡中上部,個別越浪水體也可打擊在整個內(nèi)坡面。各加高方案測得的越浪量見表3。可以看出,外側(cè)擋浪墻高程為12.4m,且內(nèi)側(cè)圍墻高度升至3 m工況下,越浪量降為0.046m3/(m?s),基本滿足《浙江省海塘技術(shù)規(guī)定》中0.05 m3/(m?s)限值要求。

圖5 部分波浪不破碎形成明顯的楔形越浪水體圖

表3 各優(yōu)化方案越浪量試驗結(jié)果 (基準(zhǔn)洪水位與臺風(fēng)浪組合)表

4.2 波壓力試驗結(jié)果

試驗實測擋浪墻迎潮面波壓力列于表4,表中波壓力已減去測點的靜水壓力?？梢钥闯?對于不同測力位置而言,靜水位附近測點波壓力相對最大,如表4中C點,不規(guī)則波最大值達到了174.7 kPa,靜水位上、下1m處波壓力稍小,分別為160.2,158.5 kPa,擋浪墻頂部及底部波壓力相對最小。從表4中也可看出,不規(guī)則波的試驗結(jié)果整體要大于規(guī)則波。

不同加高方案堤頂內(nèi)側(cè)擋墻的越浪壓力列于表5,對于擋浪墻頂高程11.4m、堤頂高程10.2m方案 (方案1),最大越浪壓力出現(xiàn)在堤頂以上1 m處,為148.8 kPa;對于擋浪墻頂高程12.4m、堤頂高程11.0m方案 (方案2),最大越浪壓力出現(xiàn)在堤頂附近,為125.1 kPa。2個方案比較而言,方案1由于擋浪墻高程較低使越浪量增大,從而導(dǎo)致越浪壓力也相對較大。

通過測得的壓力分布值,沿高度方向積分,可以計算得出各方案單位堤長擋浪墻水平總波浪力及內(nèi)墻水平總越浪力,結(jié)果顯示,對于方案1,單位堤長擋浪墻波浪水平力為552 kN,單位堤長內(nèi)墻越浪水平力為246 kN(2m高度方案)或325 kN(3m高度方案);對于方案2,單位堤長擋浪墻波浪水平力為693 kN,單位堤長內(nèi)墻越浪水平力為119 kN(1 m高度方案),206 kN(2m高度方案)或255 kN(3m高度方案)。

表4 實測擋浪墻迎潮面波壓力表

表5 實測堤頂內(nèi)墻越浪壓力表

5 結(jié) 語

本文在超高水位及相應(yīng)臺風(fēng)大浪的海堤加高方案中,因保持擋浪墻以下部分斷面形態(tài)基本不變,而僅對上部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,經(jīng)濟性相對較為突出,通過對此類型加高方案的波浪模型試驗研究,可初步得到以下認識:

(1)在堤頂內(nèi)側(cè)設(shè)置一定高度的擋墻可擋住越浪水體下部的楔形連片水體,從而有效減少作用于斷面背坡的越浪量。該例中試驗超高水位為10.01m,比100 a一遇設(shè)計高水位高出3.53m,內(nèi)側(cè)擋墻頂達到14.00m高程時 (即高出原斷面防浪墻頂高程4.5 m),背坡越浪量可減至0.05 m3/(m?s)以下。

(2)對應(yīng)該例中試驗波高 H13%=5.14 m,堤頂外側(cè)擋浪墻最大波壓力可達到174.7 kPa,作用位置為靜水位附近;堤頂內(nèi)側(cè)擋墻的最大越浪壓力為148.8 kPa,作用位置可在擋墻底部或近底部,具體應(yīng)與外側(cè)擋浪墻相對高度有關(guān)。

當(dāng)然,應(yīng)用文中海堤加高方案時,還需考慮地基承載能力、海堤整體穩(wěn)定性等其它因素。

[1].黃世昌.錢塘江北岸海塘應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮研究 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2009.

[2].南京水利科學(xué)研究院.JTJ/T 234—2001波浪模型試驗規(guī)程[S]..北京:人民交通出版社,2001.