（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

按現(xiàn)行規(guī)范要求對土石壩進(jìn)行安全復(fù)核時，大壩欠高問題普遍存在，需進(jìn)行壩體除險加固。土石壩除險加固方案主要有：①壩體培坡加高。在已有壩坡表層再進(jìn)行培坡，但新培坡體難以壓實，穩(wěn)定性難以保證。②新建或加高防浪墻。采用該方法加高有限，若加高過多，將阻擋視線，影響美觀。③增加消浪結(jié)構(gòu)。增加坡面粗糙度以降低波浪爬高，從而降低壩頂高程；消浪結(jié)構(gòu)不僅能消減波浪的爬高，降低壩頂高程，而且能減輕波浪對壩體的沖擊，有利于壩體的安全。因此，增加消浪結(jié)構(gòu)可以解決土石壩壩體欠高問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

目前，土石壩護(hù)坡消浪主要采取以下幾種方式：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，但消浪效果有限。②坡腳塊石消浪。施工簡單、經(jīng)濟(jì)，但消浪效果不理想，拋填塊石易被波浪沖刷帶走，影響壩坡的穩(wěn)定。③混凝土預(yù)制塊消浪。目前常用的預(yù)制塊有各類異型塊體，如扭王字塊體、扭工字塊體等，該方法消浪效果較好，但對制作鋪設(shè)工藝要求較高，因此造價更高。④平臺消浪。消浪效果好，能有效地消減波浪爬高降低壩頂高程，但造價較高。⑤防浪墻消浪。可防止或減少波浪越頂，特別是反弧形防浪墻具有較好的消浪效果，但防浪墻受到的波浪沖擊力較大，影響防浪墻穩(wěn)定性。⑥壩坡面加糙。通過加大坡面糙率，使波浪發(fā)生破碎，減小波浪爬高，消浪效果較好。從加固效果、工程造價、施工便利等方面綜合考慮，壩坡面加糙是解決土石壩欠高問題的最優(yōu)方式。而壩坡面加糙常用的方式有兩種，即上凸式加糙和下凹式加糙。臺階式消浪結(jié)構(gòu)因其具有上凸式和下凹式加糙消浪結(jié)構(gòu)的特點，消浪效果好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強、造價低、施工簡易，便于機械化施工，是一種高效且合理的消浪結(jié)構(gòu)，具有較好的工程應(yīng)用前景。

目前，臺階式護(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]。本文結(jié)合漳河水庫除險加固工程，采用數(shù)值模擬計算土石壩臺階式護(hù)坡的消浪效果，結(jié)合海堤臺階式護(hù)坡研究成果，分析土石壩臺階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)參數(shù)與斜坡糙率滲透系數(shù)的關(guān)系，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

漳河水庫地處湖北荊門市、宜昌市和襄樊市交界處，是一座以灌溉、防洪為主，兼有城市供水、發(fā)電、航運、旅游等綜合效益的大（1）型水庫，水庫工程等級為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級，次要建筑物級別為3級。擋水建筑物包括觀音寺大壩、雞公尖大壩2座主壩和林家港壩、王家灣壩、付集壩（原副壩）、周家河壩、禮堂壩5座副壩。其中，雞公尖大壩為黏土斜墻多種土料組合壩，壩頂長1 950 m，寬9 m，壩頂高程126.8 m，最大壩高58.3 m，混凝土防浪墻頂高程為127.7 m。大壩上游坡比分別為1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0，為干砌塊石護(hù)坡；下游坡比分別1∶2.25、1∶2.75、1∶3.25、1∶2.0，為草皮護(hù)坡。下游坡面設(shè)排水溝，壩腳設(shè)堆石排水棱體。2017年漳河水庫大壩安全鑒定報告顯示，雞公尖大壩壩頂欠高0.49 m。針對該問題，漳河水庫除險加固初步設(shè)計擬采用臺階式消浪護(hù)坡結(jié)構(gòu)。

3 消浪效果數(shù)值模擬

3.1 模型建立

雞公尖大壩庫區(qū)集水面積較大、壩頂較長，綜合考慮計算機性能及計算準(zhǔn)確性，特截取壩頂部分?jǐn)嗝娼嗝鏀?shù)值模型，其中模型具體尺寸規(guī)模為42.5 m×5 m×10 m（長×寬×高）。針對堤岸區(qū)域紊流充分發(fā)展的情況，特選用當(dāng)前工程應(yīng)用最為廣泛的RNG k-ε雙方程紊流模型（計算量適中且計算精度良好），并結(jié)合FAVOR網(wǎng)格處理技術(shù)對三維實體進(jìn)行六面體矩形網(wǎng)格微觀劃分，引入VOF方法追蹤流體變化。

3.1.1 網(wǎng)格劃分

圖1 網(wǎng)格劃分示意

本文選用Catia三維建模軟件，基于雞公尖水庫工程實際按照1∶1構(gòu)建三維實體模型，如圖1所示，X軸垂直于壩軸線指向下游，Y軸平行壩軸線指向左岸，Z軸為反重力方向。為加速計算機數(shù)值模擬計算收斂，將三維實體模型整體劃分成1個網(wǎng)塊，并選用網(wǎng)格尺寸為0.05 m的均勻六面體網(wǎng)格均勻填充網(wǎng)塊?？紤]到岸坡區(qū)域水面波動劇烈，特利用網(wǎng)塊嵌套技術(shù)在水面線±0.5 m內(nèi)進(jìn)一步加密網(wǎng)塊，最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m。整體三維模型有效網(wǎng)格達(dá)到80萬個。

3.1.2 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，各邊界條件依次如下：Ymin、Ymax依次為對稱邊界（symmetry），Zmin為無滑移固壁邊界，Zmax為與大氣相通的壓力邊界，Xmin為波浪邊界；其中初始水位為設(shè)計水位，波高0.49 m，周期3.11s，Xmax為無滑移固壁邊界。內(nèi)部嵌套網(wǎng)塊均設(shè)置為對稱邊界。

3.2 臺階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)其他學(xué)者的研究經(jīng)驗以及大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際情況，本次計算針對臺階式護(hù)坡的高度和坡比兩個方面設(shè)計了12種結(jié)構(gòu)尺寸，見圖2，計算高度均為3 m，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 計算模型示意

表1 臺階式護(hù)坡方案比較

3.3 計算結(jié)果及分析

漳河水庫波浪特性參數(shù)為平均波高0.49 m、平均波長15.14 m、周期3.11 s，采用有限元軟件計算同一入射波、不同臺階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)參數(shù)下的波浪爬高。波浪爬高數(shù)值模擬計算典型結(jié)果見圖3。

圖3 波浪爬高數(shù)值模擬典型計算結(jié)果（表1中方案4）

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》附錄A規(guī)定，當(dāng)坡度系數(shù)為1.5～5.0時，波浪爬高計算公式為

式中，Rm為平均波浪爬高，m；m為單坡的坡度系數(shù)；Kp為爬高累計頻率換算系數(shù)；KΔ為糙率及滲透性系數(shù)；KW為經(jīng)驗系數(shù)；Lm為平均波長，m；hm為水域平均水深，m。

采用上述波浪爬高計算公式，根據(jù)數(shù)值模擬計算得到的各方案平均波浪爬高，計算糙率與滲透性系數(shù)K△，計算結(jié)果見表2。在同一入射波下，上游壩坡坡比m、臺階相對高度h/H及K△的關(guān)系見圖4。

表2 臺階式護(hù)坡各方案計算結(jié)果

臺階式海堤數(shù)值模擬研究成果表明[1]：階梯式海堤在外坡坡度和波坦相同的情況下，波浪爬高隨著海堤臺階高度增大呈先減少后增大的趨勢；當(dāng)相對臺階高度h/H約為0.8時，波浪爬高達(dá)到最小，波浪爬高衰減了40%左右，隨后波浪爬高稍有增大。臺階式海堤波浪爬高試驗研究表明[2]：當(dāng)h/H＜0.25時，波浪相對爬高和臺階式斜坡堤的糙滲系數(shù)隨臺階相對高度的變化呈先減小再增大趨勢；當(dāng)h/H=0.063時，K△＝0.5，糙滲系數(shù)最小。

圖4 同一入射波下m、h/H與K△的關(guān)系

由圖4可知，同一入射波下，當(dāng)坡比m=2.5時，平均波浪爬高、K△隨h/H的增加先減小后增加；當(dāng)h/H=0.067時，K△達(dá)到最小值0.5。此規(guī)律與前文所述臺階式海堤的數(shù)值模擬及物理模型試驗得出的規(guī)律基本一致，僅在K△取最小值時，臺階相對高度稍有差異。同一入射波下，當(dāng)h/H=0.067時，平均波浪爬高隨上游壩坡坡比m的增加呈先減小后增加再減小趨勢，總體呈減小趨勢，此規(guī)律與臺階式海堤數(shù)值模擬實驗的規(guī)律基本一致；K△隨m的增加呈先增加、后減小、再增加趨勢，當(dāng)m=2.5時，K△達(dá)到最小值0.5。

4 加固設(shè)計方案

根據(jù)波浪爬高數(shù)值模擬計算及分析結(jié)果，當(dāng)雞公尖大壩上游壩坡坡比m=2.5，b=0.5 m，h=0.2 m時，K△=0.5，為最小值。加固設(shè)計方案為：在正常蓄水位以上設(shè)置混凝土臺階式護(hù)坡，臺階寬度b=0.5 m，臺階高度h=0.2 m，見圖5。

雞公尖大壩原干砌石護(hù)坡波浪爬高為1.70 m，采用臺階式護(hù)坡加固方案后，計算得波浪爬高為1.24 m，壩頂高程基本滿足規(guī)范要求，取得了良好的消浪效果；加之壩頂改造時防浪墻加高20 cm，壩頂高程滿足規(guī)范要求。

圖5 雞公尖大壩加固典型斷面（單位：cm）

相較于常規(guī)壩頂幫坡加高方案，臺階式護(hù)坡方案節(jié)約工程投資約322萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。該方案結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，無需特殊機械設(shè)備，無需拆除現(xiàn)有護(hù)坡，且與現(xiàn)有壩坡結(jié)構(gòu)有較好的適應(yīng)性。另外，臺階式護(hù)坡還可結(jié)合壩頂改造，打造親水生態(tài)景觀平臺。

5 結(jié)論

本文以漳河水庫加固工程為背景，通過數(shù)值模擬計算雞公尖大壩臺階式護(hù)坡消浪效果，結(jié)合海堤臺階式護(hù)坡數(shù)值模擬及物理模型試驗結(jié)果，可以初步得到以下結(jié)論。

（1）同一入射波下，坡比相同時，平均波浪爬高、糙率及滲透性系數(shù)K△隨臺階相對高度的增加呈先減小后增加趨勢；當(dāng)在h/H=0.067時，K△達(dá)到最小值0.50。

（2）同一入射波下，相對臺階高度h/H=0.067時，平均波浪爬高隨上游壩坡坡比m的增加呈先減小后增加再減小趨勢，總體呈減小趨勢。

（3）臺階式護(hù)坡消浪效果較好，K△可達(dá)0.5～0.55。

臺階式護(hù)坡結(jié)構(gòu)簡單、施工簡便、造價低、消浪效果較好，下一步可深入研究波浪特性、臺階結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響臺階式護(hù)坡消浪效果的因素，總結(jié)臺階式護(hù)坡糙率與滲透性系數(shù)的規(guī)律，便于臺階式護(hù)坡的推廣應(yīng)用。