高灘陡坡地形下電力設(shè)施海堤的越浪量試驗(yàn)

金超杰,邵 杰,張芝永,王永舉,周建炯

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司,浙江 杭州 310002;2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020; 3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

隨著沿海資源開發(fā)利用的持續(xù)增長,海島地區(qū)的經(jīng)濟(jì)得以迅速發(fā)展,用電量不斷增大,而海島地區(qū)土地資源匱乏,不少電力設(shè)施只能臨海而建。受自然條件及地理位置的制約,電力設(shè)施海堤常常直面開敞海域且海堤縱深非常有限,易遭遇強(qiáng)潮大浪的正面沖擊,一旦大量水體越浪,后果不堪設(shè)想。為保證海島地區(qū)電力設(shè)施等的安全,如何科學(xué)有效地降低海堤越浪量正受到了電力、水利、海洋、環(huán)保等多行業(yè)領(lǐng)域的空前重視。

多年來,海堤越浪問題一直是海岸工程領(lǐng)域最受關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一,國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)初開始便開展研究,目前已取得了許多成果。國外Saville等[1-7]對海堤越浪量進(jìn)行了專門的研究;國內(nèi)的研究始于20世紀(jì)60年代,90年代章家昌等[8-9]通過模型試驗(yàn)提出了海堤平均越浪量計算公式,并被JTJ 213—98《海港水文規(guī)范》引用并延續(xù)至JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》;21世紀(jì)初陳國平等[10-12]也通過系統(tǒng)深入的研究提出了越浪量計算公式;2014年常江等[13]系統(tǒng)研究了斜坡堤堤頂寬度對越浪量的影響規(guī)律。然而規(guī)范公式及各家研究成果并不適用于海島地區(qū)電力設(shè)施海堤所在高灘陡坡環(huán)境,外海大浪傳至近岸后,因海堤前沿海床地形較陡,水深變淺后的破碎波高仍然很大,若盲目加高此類海堤的堤頂高程,勢必對電力設(shè)施的地基承載條件帶來一定的負(fù)面影響。本文以浙江舟山某海島臨海而建的電力工程為例,通過模型試驗(yàn)研究電力設(shè)施海堤在高灘陡坡地形下的越浪量變化規(guī)律，并據(jù)此提出合理的迎浪面結(jié)構(gòu)設(shè)置方式。

1 物理模型設(shè)計

試驗(yàn)在波浪水槽(長70 m、寬1.2 m、高1.7 m)內(nèi)進(jìn)行,首端采用液壓式推板造波機(jī)造波,末端設(shè)有消能緩坡以減少波浪反射。水槽縱向分為兩部分,外側(cè)0.5 m寬度內(nèi)用于試驗(yàn)斷面,內(nèi)側(cè)則用于消除波浪的二次反射。物理模型按正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,根據(jù)波要素、試驗(yàn)斷面及設(shè)備性能等因素,確定模型比尺λ=20。

試驗(yàn)?zāi)M對象的電力設(shè)施海堤處于高灘環(huán)境,堤前水深d=2.86 m,入射波的波周期T=15.1 s;入射波傳至高灘陡坡地形時波列中波高H13%以上的大波均都已破碎,模型試驗(yàn)時只能采用規(guī)則波進(jìn)行模擬。規(guī)則波的平均波高按波列的破碎波高值控制,破波參數(shù)查規(guī)范后取0.85,則堤腳處的破碎波高為2.43 m(以下統(tǒng)稱波高H)。

在波浪傳播方向沿程設(shè)置4根波高儀,以確保波態(tài)平穩(wěn)、4個測點(diǎn)的波要素率定結(jié)果均滿足JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)誤差要求。

在浙江沿海,海島電力設(shè)施海堤的上部防浪墻常采用直墻形式,其外側(cè)往往采用帶平臺的復(fù)式結(jié)構(gòu)以達(dá)到消減波浪、穩(wěn)定堤基的作用。如何合理設(shè)置平臺與陡墻的相對位置，靈活控制好消浪平臺的寬度及高程，在不占用太多土地面積的同時盡可能地消減外海來波,是本文物理模型的設(shè)計原則。鑒于此,海堤護(hù)腳坡度m=3不變,采用不同的防浪墻高度P(防浪墻頂高出平臺的高度),并組合不同的消浪平臺超高Δh(平臺高出靜水面的高度)及平臺寬度B作為海堤越浪量的影響因子,試驗(yàn)組次如下:①相對平臺超高Δh/H=0.25、0.50、0.60、0.75、1.00;②相對平臺寬度B/H=2、4、6、8;③防浪墻高度P=0.9 m、1.2 m、1.5 m。將上述變量進(jìn)行組合,共開展5×4×3=60組越浪量試驗(yàn),越浪量采用集水稱重法量測,每組越浪量試驗(yàn)重復(fù)3次取其平均值以減小偶然因素的影響。

圖1 試驗(yàn)斷面及各物理參數(shù)示意圖

2 海堤越浪量的影響因子分析

當(dāng)波浪與海堤相遇后,波形在護(hù)腳斜坡的上方發(fā)生較大變形,波峰的推進(jìn)速度加快、波谷減緩,使得波面的前坡變陡、后坡變坦。在遇到消浪平臺時因局部水深減小,使得波峰面失去平衡而傾倒,波浪發(fā)生破碎,破碎的波流水體經(jīng)平臺沿防浪墻上爬,一部分水體漫過堤頂形成越浪,一部分水體被防浪墻擋回海側(cè),與下一個入射來波相遇,繼續(xù)沖擊海堤迎浪面(圖2)。

圖2 Δh/H=0.75、B/H=4、P=1.5 m組次的試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 平臺寬度的影響

對于開敞海區(qū),長波涌浪出現(xiàn)的頻率較高,其波長往往有幾十米甚至百米以上,海堤迎浪面的平臺寬度一旦不夠,長波攜帶的大量水體容易直接穿越平臺,涌向防浪墻后形成整體越浪現(xiàn)象。平臺寬度B作為影響越浪量q的一個主要因素,在此引入相對平臺寬度B/H這一無因次量,圖3為各組次下q隨B/H的變化情況。由圖3可見,在相同平臺超高、相同防浪墻高度的前提下,各組次下q均隨B/H的增大而減小,尤其是相對平臺超高h(yuǎn)/H越小的組次,平臺寬度對越浪量的影響越發(fā)明顯。

圖3 各組次下q隨B/H的變化

對于大越浪量組次,如q>0.05 m3/(m·s)時,隨著平臺寬度的增大,越浪量的減小趨勢在較小越浪量組次更為明顯;尤其是平臺寬度B自6H增大至8H過程中,越浪量有較大幅度的減小,這是由于此時平臺寬度的增大加劇了波浪的破碎程度,水體紊動損耗的動能顯著增大,隨著波流水體爬行距離的變長,越浪量得以顯著減小。

對于越浪量不大的試驗(yàn)組次,如q<0.02 m3/(m·s)時,平臺寬度B自2H增大至4H過程中,越浪量有一定幅度的減小,而當(dāng)B自4H進(jìn)一步增大至6H甚至8H時,越浪量的減小則迅速趨于平緩。這是由于此時受平臺影響而破碎損耗的水體紊動能量趨于飽和,越浪量的小幅減小僅僅是水體在消浪平臺上爬行距離增大導(dǎo)致的。

2.2 平臺超高的影響

圖4 各組次下q隨Δh/H的變化

迎浪面的消浪平臺是海堤防潮防浪的主要部位,平臺高程的設(shè)置對越浪量有較明顯的影響。根據(jù)以往關(guān)于復(fù)式海堤的越浪量試驗(yàn)成果,波浪的強(qiáng)作用區(qū)位于靜水位上、下半倍波高范圍內(nèi),設(shè)置消浪平臺后將直接加劇波浪的破碎,波流水體因紊動損耗大量能量,從而直接減小了海堤堤頂?shù)脑嚼肆俊Ｔ诖艘胂鄬Ψ览藟Ω叨圈/H這一無因次量,圖4為各組次下q隨Δh/H的變化情況。由圖4可見,在相同平臺寬度、相同防浪墻高度的前提下,隨著消浪平臺的增高,越浪量隨之減小。當(dāng)Δh自0.25H增大至0.5H過程中,越浪量的減小速率較快;而當(dāng)Δh自0.6H增大至0.75H甚至1H時,越浪量的減小則趨于平緩。

2.3 防浪墻高度的影響

防浪墻作為海堤防潮防浪的主要結(jié)構(gòu)部位,它將改變波流水體傳至海堤上部結(jié)構(gòu)處的運(yùn)動狀況,平臺高程上防浪墻高度P的增大勢必會有效消減一部分波浪能量,從而直接減小越浪量。防浪墻高度作為影響越浪量的一個主要因素,在此引入相對防浪墻高度P/H這一無因次量,圖5為各組次下q隨P/H的變化情況。由圖5可見,在相同平臺超高、相同平臺寬度的前提下,各組次q均隨著P/H的增大而減小,尤其是相對平臺超高Δh/H越小的組次,防浪墻高度P對越浪量的影響越發(fā)明顯。

圖5 各組次下q隨P/H的變化

2.4 影響因子的敏感性分析

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步分析平臺寬度B、平臺超高Δh、防浪墻高度P三大影響因子對電力設(shè)施海堤越浪量影響程度的敏感性,考慮到這3個因子不存在交互關(guān)系,可借助正交試驗(yàn)分析軟件, 作三因素三水平的方差分析。選擇P/H、Δh/H、B/H為三因素,三水平的取值為P/H=0.37、0.49、0.62,Δh/H=0.25、0.5、0.75,B/H=2、4、6。

方差分析的結(jié)果表明,P/H、Δh/H、B/H的偏差平方和分別為0.015、0.040和0.005,相應(yīng)的F檢驗(yàn)統(tǒng)計量值分別為0.750、2.000、0.250。由此可見,影響越浪量三大因素的主次順序分別為Δh/H、P/H、B/H,即平臺超高對越浪量的影響最為顯著,防浪墻高度次之,平臺寬度影響最小。

3 防浪結(jié)構(gòu)形式

3.1 越浪量與防浪墻頂超高的關(guān)系

由于Δh/H及P/H對電力設(shè)施海堤的越浪量影響最大,將兩因子相加,得到相對防浪墻頂超高Hc/H=Δh/H+P/H,其中防浪墻頂超高Hc指防浪墻頂高出靜水面(設(shè)計高潮位)的高度。圖6為q隨Hc/H的變化情況。由圖6可見,隨著Hc/H的增大,q呈現(xiàn)明顯的減小趨勢,且趨勢總體上逐漸變緩,各平臺寬度組次下的規(guī)律性較為一致。

圖6 各組次下q隨Hc/H的變化

圖7 各組次下q′隨的變化

3.2 防浪結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置

考慮到地基條件、工程造價等因素,電力設(shè)施海堤的防浪墻頂高程不宜過高,但圖6試驗(yàn)結(jié)果表明防浪墻頂高程至少高于設(shè)計高潮位1.2H～1.4H以上才能最大限度地限制電力設(shè)施海堤的越浪量。從單因子考慮,消浪平臺的高程應(yīng)高于設(shè)計高潮位,在平臺超高不大于0.5H時能較好地發(fā)揮平臺的消浪效果。防浪墻頂高程及消浪平臺高程確定后,防浪墻高度也隨之確定。在此基礎(chǔ)上設(shè)置平臺寬度,推薦平臺寬度盡量不小于6H,以確保在長周期波條件下平臺仍具備一定的消浪效果。在各影響因子敏感性分析基礎(chǔ)上結(jié)合越浪量的變化規(guī)律,可以對海堤迎浪面各部位進(jìn)行合理設(shè)置,從而確保電力設(shè)施海堤的防浪安全與工程經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 論

a. 平臺超高對越浪量的影響最為顯著,防浪墻高度次之,平臺寬度影響最小。

c. 按防浪墻頂高程、平臺高程、平臺寬度的先后順序,提出了電力設(shè)施海堤迎浪面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置方式。

d. 考慮到波浪與海堤相互作用的影響因子眾多、隨機(jī)性大,加之作用過程中的波能耗散原理至今未被完全掌握,下一步可以考慮重點(diǎn)研究電力設(shè)施海堤越浪量與波浪要素、波浪形態(tài)的關(guān)系,以期在作用機(jī)制上有所突破,并可結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較。

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