应对超高水位的海堤加高方案波浪模型试验研究

胡金春,邵彦俊,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 问题的提出

浙江省地处我国东南沿海,历来台风多发,进入21世纪,特别是 2004年起,连续有 “0414” (云娜)、 “0509”(麦莎)、“0515”(卡努)3次强台风侵袭,后又有超强台风0608” (桑美)正面袭击浙江, “0713” (韦帕)、 “0716”(罗莎)2次超强台风影响浙江省。与此同时,2005年8月29日美国的“卡特里娜”飓风横扫南部几个州,使新奥尔良市防洪堤缺口,80%区域淹没,损失巨大。2008年5月纳尔吉斯”强热带风暴途径孟加拉湾袭击缅甸,使得西南部平原地区淹没,造成数万人伤亡。如何应对台风乃至超强台风引发的超高水位及相应的台风大浪是浙江省防台工作必须解决的新课题。

根据浙江省水利河口研究院近年来对钱塘江河口超标准风暴潮系列课题的研究[1].,曾经登陆浙江省的 “5612”型台风如以不利路径(北线)登陆钱塘江河口,且登陆时遭遇大潮高潮位,钱塘江北岸盐官以下堤段最高风暴潮位超过现有海堤100 a一遇设计水位均在2m以上,局部堤段超过3m,相应台风浪也大幅增强,在此极端条件下,若要使现有海堤御潮挡浪能力不下降,必须对断面进行加固加高。

针对超强台风引起的超高水位及相应台风大浪,选取典型海堤断面实例,开展海堤加高方案水槽波浪模型试验研究,通过波浪作用形态分析和各工况波浪越浪量、挡浪墙波压力的测定,对超高水位下的海堤加高方案进行初步探索,所得的试验数据可供海堤设计参考。

2 研究断面与水文条件

选取钱塘江北岸秦山段典型斜坡式海堤作为研究断面,该段海堤现状堤顶高程为8.5m,防浪墙顶高程为9.5m,设计100 a一遇高潮位为6.48m,100 a一遇波高 H13%为3.16m。根据文献[1].的研究成果,该堤段遭遇 “5612”型台风以不利路径登陆钱塘江河口,且登陆时遭遇大潮高潮位时,堤前最高风暴潮位可达10.01m(见表1),已超过现状海堤防浪墙的顶高程[1].。

表1 试验断面堤前水文要素表

根据浙江省钱塘江管理局勘测设计院的研究成果,对该段海堤加高方案主要考虑如下:①迎水坡挡浪墙以下部分断面形态基本保持原状,仅增大护面块体单重;②对于防浪墙及堤顶部分,考虑2个方案,方案1为挡浪墙顶高程11.4m,堤顶高程10.2m,在内侧(堤顶与内坡交接处)设挡墙,内墙高出堤顶2m或3m;方案2为挡浪墙顶高程12.4m,堤顶高程11.0m,内墙高出堤顶1,2m或3m。方案1具体断面结构见图1。

图1 方案1试验断面结构示意图

3 试验设计

3.1 试验内容及组次

主要针对超高水位和相应台风浪引起的越顶水量及其破坏能力,安排试验内容为:①根据表1所列水文要素测定研究断面各加高方案的越顶水量;②测定各加高方案挡浪墙迎潮面波压力和内墙越浪水体作用力。

试验主要采用不规则波进行,不规则波模拟采用常用的JONSWAP波谱作为目标谱,其中波压力试验补充规则波组次。

3.2 试验设备与量测方法

试验在浙江省河口海岸重点实验室不规则波水槽中进行,水槽长70m,宽1.2m,高1.7m,首端采用液压造波机系统,可生成规则波和不规则波。为消除波浪反射,在水槽末端设置1∶7的消波滩,滩上装有格栅及浮动泡沫板,借以吸收波浪能量。

试验中在堤后安放容器承接越浪水体,可称重得出越浪量。测力系统为中国水利水电科学研究院研制的DJ800型多功能监测系统,试验中在控制点位布置传感器,通过DJ800型多功能监测系统采集波浪力。对每个工况组合试验均重复量测3次,以减小偶然因素的影响。

3.3 模型制作与布置

考虑堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素,采用模型比尺M=25,该比尺符合JTJ234—2001《波浪模型试验规程》[2].的要求。

挡浪墙迎潮面共布置5个测压头,包括静水位处、挡浪墙顶部、迎潮面底部等位置(见表2及图2)。内墙基本以1m高度为间隔共布置4个测压头(见表2及图3)。

表2 挡浪墙及内侧挡墙压力测点布置表

图2 挡浪墙测力点布置图 单位:m

图3 内墙测力点布置图

4 试验结果及分析

4.1 越浪量试验结果

由于试验中的超高水位远高于设计100 a一遇高潮位,试验断面迎水面平台及上、下斜坡对波浪消减能力下降,这就造成了几乎每个波浪均能形成大片的越浪水体。不同大小的波浪破波位置可分布于镇压平台、5.5m高程平台、斜坡等不同位置上,或不破碎。越浪水体主要打击位置在堤顶路面,但由于越浪量很大,如在堤顶内侧不设挡墙,越浪水体打击在堤顶以后会对后坡形成明显的2次打击,同时,也有部分波浪越浪水体可直接打击在后坡中上部。部分试验现象见图4、5。

图4 部分大波破碎于平台上涌后大量水体越过防浪墙图

试验中观察到多数越浪水体可大致分为2部分,下部为楔形连片水体,有一定的厚度,是越浪的主体部分;上部为成片的破碎水体,泛白色,水量相对较小。堤顶与内坡交接处设围墙后,下部越浪水体基本被挡住,但上部破碎水体仍可越过墙顶,打击位置主要在内坡中上部,个别越浪水体也可打击在整个内坡面。各加高方案测得的越浪量见表3。可以看出,外侧挡浪墙高程为12.4m,且内侧围墙高度升至3 m工况下,越浪量降为0.046m3/(m◦s),基本满足《浙江省海塘技术规定》中0.05 m3/(m◦s)限值要求。

图5 部分波浪不破碎形成明显的楔形越浪水体图

表3 各优化方案越浪量试验结果 (基准洪水位与台风浪组合)表

4.2 波压力试验结果

试验实测挡浪墙迎潮面波压力列于表4,表中波压力已减去测点的静水压力。可以看出,对于不同测力位置而言,静水位附近测点波压力相对最大,如表4中C点,不规则波最大值达到了174.7 kPa,静水位上、下1m处波压力稍小,分别为160.2,158.5 kPa,挡浪墙顶部及底部波压力相对最小。从表4中也可看出,不规则波的试验结果整体要大于规则波。

不同加高方案堤顶内侧挡墙的越浪压力列于表5,对于挡浪墙顶高程11.4m、堤顶高程10.2m方案 (方案1),最大越浪压力出现在堤顶以上1 m处,为148.8 kPa;对于挡浪墙顶高程12.4m、堤顶高程11.0m方案 (方案2),最大越浪压力出现在堤顶附近,为125.1 kPa。2个方案比较而言,方案1由于挡浪墙高程较低使越浪量增大,从而导致越浪压力也相对较大。

通过测得的压力分布值,沿高度方向积分,可以计算得出各方案单位堤长挡浪墙水平总波浪力及内墙水平总越浪力,结果显示,对于方案1,单位堤长挡浪墙波浪水平力为552 kN,单位堤长内墙越浪水平力为246 kN(2m高度方案)或325 kN(3m高度方案);对于方案2,单位堤长挡浪墙波浪水平力为693 kN,单位堤长内墙越浪水平力为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 实测挡浪墙迎潮面波压力表

表5 实测堤顶内墙越浪压力表

5 结 语

本文在超高水位及相应台风大浪的海堤加高方案中,因保持挡浪墙以下部分断面形态基本不变,而仅对上部结构进行优化,经济性相对较为突出,通过对此类型加高方案的波浪模型试验研究,可初步得到以下认识:

(1)在堤顶内侧设置一定高度的挡墙可挡住越浪水体下部的楔形连片水体,从而有效减少作用于断面背坡的越浪量。该例中试验超高水位为10.01m,比100 a一遇设计高水位高出3.53m,内侧挡墙顶达到14.00m高程时 (即高出原断面防浪墙顶高程4.5 m),背坡越浪量可减至0.05 m3/(m◦s)以下。

(2)对应该例中试验波高 H13%=5.14 m,堤顶外侧挡浪墙最大波压力可达到174.7 kPa,作用位置为静水位附近;堤顶内侧挡墙的最大越浪压力为148.8 kPa,作用位置可在挡墙底部或近底部,具体应与外侧挡浪墙相对高度有关。

当然,应用文中海堤加高方案时,还需考虑地基承载能力、海堤整体稳定性等其它因素。

[1].黄世昌.钱塘江北岸海塘应对超标准风暴潮研究 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2009.

[2].南京水利科学研究院.JTJ/T 234—2001波浪模型试验规程[S]..北京:人民交通出版社,2001.