臺階式消浪護坡在土石壩加固工程中的應用研究

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

按現行規范要求對土石壩進行安全復核時，大壩欠高問題普遍存在，需進行壩體除險加固。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行培坡，但新培坡體難以壓實，穩定性難以保證。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增加消浪結構。增加坡面粗糙度以降低波浪爬高，從而降低壩頂高程；消浪結構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，增加消浪結構可以解決土石壩壩體欠高問題，具有良好的經濟性和適用性。

目前，土石壩護坡消浪主要采取以下幾種方式：①傳統的護坡形式。如現澆混凝土、漿砌石、干砌石護坡，施工較便利，但消浪效果有限。②坡腳塊石消浪。施工簡單、經濟，但消浪效果不理想，拋填塊石易被波浪沖刷帶走，影響壩坡的穩定。③混凝土預制塊消浪。目前常用的預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，影響防浪墻穩定性。⑥壩坡面加糙。通過加大坡面糙率，使波浪發生破碎，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。臺階式消浪結構因其具有上凸式和下凹式加糙消浪結構的特點，消浪效果好、結構穩定性強、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構，具有較好的工程應用前景。

目前，臺階式護坡在土石壩加固工程中的研究及應用較少，僅在海堤工程中有研究和應用[1-3]。本文結合漳河水庫除險加固工程，采用數值模擬計算土石壩臺階式護坡的消浪效果，結合海堤臺階式護坡研究成果，分析土石壩臺階式護坡結構參數與斜坡糙率滲透系數的關系，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，為干砌塊石護坡；下游坡比分別1∶2.25、1∶2.75、1∶3.25、1∶2.0，為草皮護坡。下游坡面設排水溝，壩腳設堆石排水棱體。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計擬采用臺階式消浪護坡結構。

3 消浪效果數值模擬

3.1 模型建立

雞公尖大壩庫區集水面積較大、壩頂較長，綜合考慮計算機性能及計算準確性，特截取壩頂部分斷面建立斷面數值模型，其中模型具體尺寸規模為42.5 m×5 m×10 m（長×寬×高）。針對堤岸區域紊流充分發展的情況，特選用當前工程應用最為廣泛的RNG k-ε雙方程紊流模型（計算量適中且計算精度良好），并結合FAVOR網格處理技術對三維實體進行六面體矩形網格微觀劃分，引入VOF方法追蹤流體變化。

3.1.1 網格劃分

圖1 網格劃分示意

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。為加速計算機數值模擬計算收斂，將三維實體模型整體劃分成1個網塊，并選用網格尺寸為0.05 m的均勻六面體網格均勻填充網塊。考慮到岸坡區域水面波動劇烈，特利用網塊嵌套技術在水面線±0.5 m內進一步加密網塊，最小網格尺寸為0.01 m。整體三維模型有效網格達到80萬個。

3.1.2 邊界及初始條件

為保證數值模擬水流流態與原型相似，網塊模擬區域較廣，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；其中初始水位為設計水位，波高0.49 m，周期3.11s，Xmax為無滑移固壁邊界。內部嵌套網塊均設置為對稱邊界。

3.2 臺階式護坡結構尺寸

根據其他學者的研究經驗以及大壩結構設計的實際情況，本次計算針對臺階式護坡的高度和坡比兩個方面設計了12種結構尺寸，見圖2，計算高度均為3 m，結構參數見表1。

圖2 計算模型示意

表1 臺階式護坡方案比較

3.3 計算結果及分析

漳河水庫波浪特性參數為平均波高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、不同臺階式護坡結構參數下的波浪爬高。波浪爬高數值模擬計算典型結果見圖3。

圖3 波浪爬高數值模擬典型計算結果（表1中方案4）

根據SL274-2001《碾壓式土石壩設計規范》附錄A規定，當坡度系數為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；Kp為爬高累計頻率換算系數；KΔ為糙率及滲透性系數；KW為經驗系數；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，根據數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K△，計算結果見表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△的關系見圖4。

表2 臺階式護坡各方案計算結果

臺階式海堤數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；當相對臺階高度h/H約為0.8時，波浪爬高達到最小，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h/H＜0.25時，波浪相對爬高和臺階式斜坡堤的糙滲系數隨臺階相對高度的變化呈先減小再增大趨勢；當h/H=0.063時，K△＝0.5，糙滲系數最小。

圖4 同一入射波下m、h/H與K△的關系

由圖4可知，同一入射波下，當坡比m=2.5時，平均波浪爬高、K△隨h/H的增加先減小后增加；當h/H=0.067時，K△達到最小值0.5。此規律與前文所述臺階式海堤的數值模擬及物理模型試驗得出的規律基本一致，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，此規律與臺階式海堤數值模擬實驗的規律基本一致；K△隨m的增加呈先增加、后減小、再增加趨勢，當m=2.5時，K△達到最小值0.5。

4 加固設計方案

根據波浪爬高數值模擬計算及分析結果，當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。加固設計方案為：在正常蓄水位以上設置混凝土臺階式護坡，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坡波浪爬高為1.70 m，采用臺階式護坡加固方案后，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，壩頂高程滿足規范要求。

圖5 雞公尖大壩加固典型斷面（單位：cm）

相較于常規壩頂幫坡加高方案，臺階式護坡方案節約工程投資約322萬元，經濟效益顯著。該方案結構簡單、施工方便，無需特殊機械設備，無需拆除現有護坡，且與現有壩坡結構有較好的適應性。另外，臺階式護坡還可結合壩頂改造，打造親水生態景觀平臺。

5 結論

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

（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K△隨臺階相對高度的增加呈先減小后增加趨勢；當在h/H=0.067時，K△達到最小值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）臺階式護坡消浪效果較好，K△可達0.5～0.55。

臺階式護坡結構簡單、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、臺階結構參數等影響臺階式護坡消浪效果的因素，總結臺階式護坡糙率與滲透性系數的規律，便于臺階式護坡的推廣應用。