某核電廠島礁附近防波堤穩(wěn)定試驗(yàn)研究

李江峰 ，黃宣軍 ，劉鑫 ，丁廣佳

（1．深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518124；2．中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3．中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

1 概述

某濱海核電廠位于惠州市境內(nèi)，廠址面臨紅海灣。規(guī)劃容量為6臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組。針對(duì)平面布置設(shè)計(jì)波浪參數(shù)，防波堤穩(wěn)定及越浪情況，以及明渠內(nèi)及泵房前池波高分布等研究，先后開(kāi)展了三維波浪整體模型試驗(yàn)研究、二維斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究。測(cè)定了不同波浪作用下防波堤的越浪情況和明渠內(nèi)及泵房前池波高分布，對(duì)防波堤的平面布置形式進(jìn)行了優(yōu)化，并驗(yàn)證了防波堤結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。鑒于波浪整體物理模型試驗(yàn)[1]中出現(xiàn)波浪傳播至島礁附近時(shí)波能聚集和波浪破碎等物理現(xiàn)象，致使島礁與防波堤之間水域的波況、流場(chǎng)比較復(fù)雜，特別是取水明渠西防波堤南側(cè)有東虎嶼島及二道排等暗礁，取水明渠東防波堤?hào)|側(cè)有紅石排等暗礁。因此，在前期研究成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了島礁附近特殊海域三維波浪局部整體物模試驗(yàn)[2-3]，以驗(yàn)證防波堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為島礁附近防波堤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供試驗(yàn)依據(jù)。

防波堤平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 平面布置圖Fig.1 Plane layout of project

2 取水明渠西防波堤波浪局部整體物模試驗(yàn)研究

取水明渠西防波堤結(jié)構(gòu)形式為斜坡式防波堤，護(hù)面采用不同重量扭王字塊體（詳見(jiàn)圖2），其中斷面1-1（防波堤堤頭）的頂高程7．5 m，護(hù)面為22 t扭王字塊體；斷面2-2、3-3和4-4的頂高程7．0 m，護(hù)面為10 t扭王字塊體；斷面5-5東虎嶼島后側(cè)，頂高程6．0 m，護(hù)面為5 t扭王字塊體；斷面6-6頂高程8．0 m，護(hù)面為5 t扭王字塊體。研究東虎嶼島后防波堤塊體的穩(wěn)定性，測(cè)定堤后次生波的大小。

波浪條件采用DBF水位+可能最大臺(tái)風(fēng)浪作用，詳見(jiàn)表1。

圖2 西防波堤各斷面位置Fig.2 Position of each cross-section of the west breakwater

表1 可能最大臺(tái)風(fēng)浪要素（-8 m等深線(xiàn)處）Table 1 Possible maximum typhoon wave elements(-8 m depth line)

2.1 模型設(shè)計(jì)

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》等[4-7]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶42。試驗(yàn)波浪采用不規(guī)則波，模擬的波浪頻譜采用JONSWAP譜。模型試驗(yàn)前，首先進(jìn)行在原始地形情況下的波浪要素率定。率定完成后，擺放防波堤模型后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

DBF 水位 6．97 m+可能最大臺(tái)風(fēng)浪 H13%=8．38 m、 T=14．90 s的波浪作用下，由于水位很高，越浪水體直接越過(guò)防波堤堤頂。尤其是斷面5-5段堤頂標(biāo)高為6．0 m，從東虎嶼西側(cè)深槽傳播過(guò)來(lái)的波浪直接作用于該段，越浪水舌厚度明顯大于其它各段，最大越浪水舌厚度超過(guò)4．0 m；越浪水體對(duì)堤頂塊體的沖擊較大，造成堤頂護(hù)面塊體在大浪作用下晃動(dòng)明顯。而斷面2-2接近堤頭附近塊體重量由22 t過(guò)渡到10 t的肩角處出現(xiàn)小于半個(gè)塊體寬度的扒縫，坡腳下最后一排塊體有位移現(xiàn)象。

2.3 優(yōu)化建議及結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)防波堤斷面進(jìn)行優(yōu)化建議，包括：1）將斷面5-5段堤頂高程從6．0 m提高至7．0 m，與斷面2-2～4-4段相同；2）將堤頭段22 t扭王字塊體護(hù)面的長(zhǎng)度由原來(lái)的50 m延長(zhǎng)至100 m；3）將坡腳塊體外側(cè)拋填寬度為5 m，高度與塊體高度相同的護(hù)底塊石，以防止堤腳塊體移位。

優(yōu)化后西防波堤各段在DBF水位及可能最大臺(tái)風(fēng)浪作用下均保持穩(wěn)定；斷面5-5段的堤頂越浪明顯減小，最大越浪水舌厚度降到3．4 m。波浪越過(guò)防波堤后波高明顯衰減，且周期變短。實(shí)測(cè)堤后次生波的最大波高位于東虎嶼島后方西側(cè)，最大H13%為1．44 m，周期7．5 s，各測(cè)點(diǎn)的次生波結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 堤后次生波波高Table 2 Secondary wave height after embankment

3 取水明渠東防波堤波浪局部整體物模試驗(yàn)研究

取水明渠東防波堤也為斜坡式防波堤，防波堤堤頭頂高程8．0 m，采用35 t扭王字塊體護(hù)面；堤身段（斷面2-2）頂高程7．5 m，采用22 t扭王字塊體護(hù)面；堤身段（斷面3-3～4-4）頂高程7．0 m，采用22 t扭王字塊體護(hù)面，詳見(jiàn)圖3。外海SSE、SE、ESE波浪方向?qū)儆谛〗嵌热肷浞较颍延械南嚓P(guān)研究表明，當(dāng)防波堤堤身較長(zhǎng)、堤身附近地形變化劇烈或存在礁石時(shí)，小角度斜向波浪作用更容易使防波堤護(hù)面塊體失穩(wěn)，而本工程?hào)|防波堤外側(cè)恰有紅石排等暗礁，需要對(duì)防波堤護(hù)面塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。波浪條件仍然采用DBF水位+可能最大臺(tái)風(fēng)浪作用，詳見(jiàn)表3。

圖3 取水明渠東防波堤平面布置圖Fig.3 Plane layout of east breakwater for intake open channel

表3 可能最大臺(tái)風(fēng)浪要素（-10 m等深線(xiàn)處）Table 3 Possible maximum typhoon wave elements(-10 m depth line)

3.1 模型設(shè)計(jì)

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》等[4-7]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶55。試驗(yàn)方法、波浪模擬、模型塑造均同前。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

SSE、SE向波浪與防波堤軸線(xiàn)分布為5°和15°，除了堤頭段外，波浪基本順著防波堤的軸線(xiàn)向岸傳播。在DBF水位及可能最大臺(tái)風(fēng)浪作用下，水位與防波堤頂高程基本平齊，波浪對(duì)防波堤堤頂形成較大的沖擊，在紅石排暗礁附近破碎后波高明顯降低。在紅石排暗礁附近斷面3-3～4-4段的22 t堤頂扭王字塊體發(fā)生晃動(dòng)、擠壓，局部有近半個(gè)塊體寬度的縫隙，但塊體未滾落。

ESE向波浪與防波堤軸線(xiàn)夾角略大，屬斜向浪入射。在DBF水位及可能最大臺(tái)風(fēng)浪作用下，紅石排暗礁附近斷面3-3～4-4段的22 t堤頂扭王字塊體發(fā)生位移、跳出，滾落至防波堤內(nèi)側(cè)。

3.3 優(yōu)化建議及結(jié)果

由于堤頂護(hù)面塊體水平安放，塊體間咬合程度稍弱，故在DBF水位及可能最大臺(tái)風(fēng)浪作用下，堤頂22 t護(hù)面塊體失穩(wěn)，建議增大塊體重量。試驗(yàn)將堤頂22 t扭王字塊體更換為28 t后，沒(méi)有發(fā)生明顯的位移現(xiàn)象。防波堤斷面整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

由于島礁附近地形比較復(fù)雜，波浪傳播過(guò)程常常會(huì)出現(xiàn)波能聚集和波浪破碎等現(xiàn)象，對(duì)附近防波堤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來(lái)較大影響，因此，在工程設(shè)計(jì)研究階段，除了開(kāi)展相關(guān)波浪整體數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗(yàn)研究外，有必要對(duì)島礁附近工程海域開(kāi)展相應(yīng)局部整體波浪模型試驗(yàn)，以驗(yàn)證防波堤斷面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本文通過(guò)對(duì)某濱海核電廠取水明渠東、西防波堤局部整體物理模型試驗(yàn)研究得到，由于島礁附近波況、流場(chǎng)比較復(fù)雜，對(duì)附近防波堤局部塊體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來(lái)一定影響，通過(guò)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，增加個(gè)別區(qū)段堤頂塊體重量，以及坡腳塊體外側(cè)相同高度護(hù)底塊石，能有效增強(qiáng)防波堤護(hù)面塊體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為島礁附近防波堤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)。