某核电厂岛礁附近防波堤稳定试验研究

李江峰 ，黄宣军 ，刘鑫 ，丁广佳

（1．深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518124；2．中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；3．中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

1 概述

某滨海核电厂位于惠州市境内，厂址面临红海湾。规划容量为6台百万千瓦级核电机组。针对平面布置设计波浪参数，防波堤稳定及越浪情况，以及明渠内及泵房前池波高分布等研究，先后开展了三维波浪整体模型试验研究、二维断面波浪物理模型试验研究。测定了不同波浪作用下防波堤的越浪情况和明渠内及泵房前池波高分布，对防波堤的平面布置形式进行了优化，并验证了防波堤结构的整体稳定性。鉴于波浪整体物理模型试验[1]中出现波浪传播至岛礁附近时波能聚集和波浪破碎等物理现象，致使岛礁与防波堤之间水域的波况、流场比较复杂，特别是取水明渠西防波堤南侧有东虎屿岛及二道排等暗礁，取水明渠东防波堤东侧有红石排等暗礁。因此，在前期研究成果的基础上，开展了岛礁附近特殊海域三维波浪局部整体物模试验[2-3]，以验证防波堤结构的稳定性，为岛礁附近防波堤结构的设计与施工提供试验依据。

防波堤平面布置图见图1。

图1 平面布置图Fig.1 Plane layout of project

2 取水明渠西防波堤波浪局部整体物模试验研究

取水明渠西防波堤结构形式为斜坡式防波堤，护面采用不同重量扭王字块体（详见图2），其中断面1-1（防波堤堤头）的顶高程7．5 m，护面为22 t扭王字块体；断面2-2、3-3和4-4的顶高程7．0 m，护面为10 t扭王字块体；断面5-5东虎屿岛后侧，顶高程6．0 m，护面为5 t扭王字块体；断面6-6顶高程8．0 m，护面为5 t扭王字块体。研究东虎屿岛后防波堤块体的稳定性，测定堤后次生波的大小。

波浪条件采用DBF水位+可能最大台风浪作用，详见表1。

图2 西防波堤各断面位置Fig.2 Position of each cross-section of the west breakwater

表1 可能最大台风浪要素（-8 m等深线处）Table 1 Possible maximum typhoon wave elements(-8 m depth line)

2.1 模型设计

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》等[4-7]有关规定进行设计，模型比尺为1∶42。试验波浪采用不规则波，模拟的波浪频谱采用JONSWAP谱。模型试验前，首先进行在原始地形情况下的波浪要素率定。率定完成后，摆放防波堤模型后进行试验测试。

2.2 试验结果

DBF 水位 6．97 m+可能最大台风浪 H13%=8．38 m、 T=14．90 s的波浪作用下，由于水位很高，越浪水体直接越过防波堤堤顶。尤其是断面5-5段堤顶标高为6．0 m，从东虎屿西侧深槽传播过来的波浪直接作用于该段，越浪水舌厚度明显大于其它各段，最大越浪水舌厚度超过4．0 m；越浪水体对堤顶块体的冲击较大，造成堤顶护面块体在大浪作用下晃动明显。而断面2-2接近堤头附近块体重量由22 t过渡到10 t的肩角处出现小于半个块体宽度的扒缝，坡脚下最后一排块体有位移现象。

2.3 优化建议及结果

通过试验结果对防波堤断面进行优化建议，包括：1）将断面5-5段堤顶高程从6．0 m提高至7．0 m，与断面2-2～4-4段相同；2）将堤头段22 t扭王字块体护面的长度由原来的50 m延长至100 m；3）将坡脚块体外侧抛填宽度为5 m，高度与块体高度相同的护底块石，以防止堤脚块体移位。

优化后西防波堤各段在DBF水位及可能最大台风浪作用下均保持稳定；断面5-5段的堤顶越浪明显减小，最大越浪水舌厚度降到3．4 m。波浪越过防波堤后波高明显衰减，且周期变短。实测堤后次生波的最大波高位于东虎屿岛后方西侧，最大H13%为1．44 m，周期7．5 s，各测点的次生波结果见表2。

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

3 取水明渠东防波堤波浪局部整体物模试验研究

取水明渠东防波堤也为斜坡式防波堤，防波堤堤头顶高程8．0 m，采用35 t扭王字块体护面；堤身段（断面2-2）顶高程7．5 m，采用22 t扭王字块体护面；堤身段（断面3-3～4-4）顶高程7．0 m，采用22 t扭王字块体护面，详见图3。外海SSE、SE、ESE波浪方向属于小角度入射方向，已有的相关研究表明，当防波堤堤身较长、堤身附近地形变化剧烈或存在礁石时，小角度斜向波浪作用更容易使防波堤护面块体失稳，而本工程东防波堤外侧恰有红石排等暗礁，需要对防波堤护面块体的稳定性进行研究。波浪条件仍然采用DBF水位+可能最大台风浪作用，详见表3。

图3 取水明渠东防波堤平面布置图Fig.3 Plane layout of east breakwater for intake open channel

表3 可能最大台风浪要素（-10 m等深线处）Table 3 Possible maximum typhoon wave elements(-10 m depth line)

3.1 模型设计

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》等[4-7]有关规定进行设计，模型比尺为1∶55。试验方法、波浪模拟、模型塑造均同前。

3.2 试验结果

SSE、SE向波浪与防波堤轴线分布为5°和15°，除了堤头段外，波浪基本顺着防波堤的轴线向岸传播。在DBF水位及可能最大台风浪作用下，水位与防波堤顶高程基本平齐，波浪对防波堤堤顶形成较大的冲击，在红石排暗礁附近破碎后波高明显降低。在红石排暗礁附近断面3-3～4-4段的22 t堤顶扭王字块体发生晃动、挤压，局部有近半个块体宽度的缝隙，但块体未滚落。

ESE向波浪与防波堤轴线夹角略大，属斜向浪入射。在DBF水位及可能最大台风浪作用下，红石排暗礁附近断面3-3～4-4段的22 t堤顶扭王字块体发生位移、跳出，滚落至防波堤内侧。

3.3 优化建议及结果

由于堤顶护面块体水平安放，块体间咬合程度稍弱，故在DBF水位及可能最大台风浪作用下，堤顶22 t护面块体失稳，建议增大块体重量。试验将堤顶22 t扭王字块体更换为28 t后，没有发生明显的位移现象。防波堤断面整体结构稳定。

4 结语

由于岛礁附近地形比较复杂，波浪传播过程常常会出现波能聚集和波浪破碎等现象，对附近防波堤的结构稳定带来较大影响，因此，在工程设计研究阶段，除了开展相关波浪整体数学模型和物理模型试验研究外，有必要对岛礁附近工程海域开展相应局部整体波浪模型试验，以验证防波堤断面结构的稳定性。

本文通过对某滨海核电厂取水明渠东、西防波堤局部整体物理模型试验研究得到，由于岛礁附近波况、流场比较复杂，对附近防波堤局部块体的结构稳定带来一定影响，通过优化和试验验证，增加个别区段堤顶块体重量，以及坡脚块体外侧相同高度护底块石，能有效增强防波堤护面块体的结构稳定，为岛礁附近防波堤结构的设计与施工提供科学依据。