波浪模型试验在兴凯湖护岸工程中的应用

戴永志，朱艳红

(上海千年城市规划工程设计股份有限公司，上海 201108)

兴凯湖为中俄界湖，在黑龙江省东南部，距密山市35km2，北部1/3的面积为中国，南部属俄罗斯。兴凯湖南北长达100多km，东西宽达60多km，面积4380 km2，平均水深4～5m，最大水深约10m，总储水量240亿～260亿m3。兴凯湖的湖床坡度很缓，为35%～5%，形成广阔的岸滩。

根据资料记载和现场踏勘，兴凯湖边上早期建成的挡墙和护岸几乎全部破坏，现有护岸形式不大适合兴凯湖的实际情况。破坏情况如图3。

鉴于兴凯湖湖面宽广、水深较大、风浪较大坡度较缓，岸滩水浅为破碎波区，波浪对岸滩及护岸的稳定安全有直接影响，防护措施不当会造成护岸破坏。因此对于拟建护岸，通过波浪断面模型试验研究护岸在波浪作用下的安全性、合理性是非常必要的。

1 地形地貌和泥沙特点

兴凯湖平面图如图1所示，本次护岸工程位于大兴凯湖北侧岸段的中部，用于防护大兴凯湖与小兴凯湖间的湖岗，考虑兴凯湖为国家级自然保护区、国家地质公园，其中湖岗地区为核心区有大量稀有动植物物种，且有新开流古文化遗址，根据GB50201—2014《防洪标准》，防洪标准定为100年一遇。

工程岸段卫片图如图2所示，由图1—2可以看出，兴凯湖北侧岸线为规则弧形岸线，这是典型的波浪与陆地间形成的稳定岸线形态，拟建工程的岸线是该岸线的一部分。兴凯湖地区的风浪条件是这种稳定岸线形成的根本原因。各月主风向出现的频率如图3所示，该图为根据兴凯湖农场气象站1973—2012年共40年的气象资料统计结果[1]，可以看出，兴凯湖畅流期，SSW风向是主风向，平均出现频率超过70%。兴凯湖的波浪主要为风成浪，SSW向风形成的波向分布如图4所示，常风向SSW向风形成的波浪波向基本垂直于工程岸段，可见岸线走向与当地风浪是相适应的，因此形成了稳定弧形岸线形态，沿岸纵向输沙基本达到平衡。

图1 兴凯湖平面形态及护岸工程位置图

图2 工程岸段卫片图

图3 各月份主风向出现的几率图[1]

图4 SSW向风形成的波向分布图[1]

当地地质条件单一，岸滩主要为中值粒径0.31mm的中细砂。兴凯湖护岸工程主要研究的是近岸护岸工程实施后护岸前局部冲刷问题，以及对护岸稳定性是否产生影响。由前面岸滩地形地貌分析可知，工程岸段已形成稳定的弧形岸线，纵向输沙量小，因此护岸前的局部冲刷主要为波浪作用下的横向输沙[2- 3]造成，为二元问题，可以进行二维试验研究。

2 水位与风速

2.1 水位

该流域内主要水文测站有龙王庙水文站、挡壁镇、阿斯特拉汉卡水位站，以及兴凯湖第一泄洪闸临时水位站(观测汛期水位)，其中阿斯特拉汉卡水位站水文资料系列最长。通过阿斯特拉汉卡站、龙王庙站以及当时农场的水位观测，用相关法插补延长系列，使阿斯特拉汉卡站的年平均水位延长为1914—1973年，共60a系列。根据阿斯卡拉汉卡和龙王庙以及龙王庙与兴凯湖湖口水痊相关，前者相关点距为5a 30d平均水位，后者相关点距不每日平均值60d。通过上述相关求得工程位置大湖湖口月平均最高洪水位，见表1。

表1 大湖口月平均最高洪水位成果表 单位：m

考虑到泥沙淤积，根据相关文献资料[4]和现场踏勘水位达到了70.49m，对设计水位进行调整，具体调整方式为在原水位上增加0.50m。调整后最高水位。多年平均洪水位为69.77m；多年平均枯水位为68.80m；历史最低水位为67.70m。

2.2 风速

鸡西地区的100年一遇对应设计风速为32.24m/s。根据兴凯湖农场1995—2014年16方位10mim平均风速年极值统计资料，各方向最大风速为18.0m/s，出现在WNW向，其次为SSW、WSW和NW向，最大风速为15.0m/s。依据GB50286—2013《堤防工程设计规范》，设计波浪要素计算取汛期最大风速的1.5倍，经高度订正后，其设计风速为30.78m/s。综合以上资料， 100年一遇设计风速取值为32.24m/s。

3 试验断面方案

根据自然保护区的建设要求，提出在保证安全基础上同时考虑生态性、景观性，在此原则上提供了多种试验断面。试验分直立式和斜坡式护岸，斜坡护岸又分生态混凝土、混凝土连锁块与雷诺护垫三种护岸形式，每种护岸形式分200、250、300mm三种厚度。具体如图5—8所示。

图5 斜坡方案1—生态砼

图6 斜坡方案2—混凝土连锁块

图7 斜坡方案3—雷诺护垫

图8 直立式护岸

4 波浪模型试验

4.1 试验模型

兴凯湖为内陆湖泊，其波浪主要为小风区风浪。计算水深和风区长度选取按JTS 145—2015《港口与航道水文规范》中规定的方法进行。根据设计风速32.24m/s，通过计算得到兴凯湖护岸工程设计波浪要素见表2。

表2 护岸设计波浪要素

波浪断面物理模型试验在南京水利科学研究院长波浪水槽中进行，该水槽长170m、宽1.2m、高1.6m，可同时产生波浪、水流和风。水槽的工作段分割成0.6m宽两部分，一部分用来安放模型断面和进行模型试验，另一部分用于扩散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有推板式不规则波造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。该造波系统可根据需要产生规则波和不同谱型的不规则波。波浪长水槽照片如图9所示。

图9 试验波浪水槽

本项目重点研究近岸区，特别是破碎波区岸滩冲淤变化，为此需着考虑波浪条件下岸滩破波区附近水域泥沙运动相似要求。

在模型沙设计时，首先按泥沙起动相似要求，由现场岸滩底质中值粒径计算出不同容重模型沙的粒径。然后根据冲淤部位相似的要求算得沉速比尺λw，再由张瑞瑾沉速公式计算出对应于不同容重泥沙的对应粒径。最后根据两方面计算结果的比较，确定模型沙的种类和粒径。

本模型选择颗粒密度容重γs=1.36g/cm3的煤屑作为模型沙，其干容重约为0.7g/cm3。经过综合比较，选择模型沙的中值粒径为0.35mm，其粒径级配曲线见图10。模型主要比尺见表3。

表3 模型主要比尺情况

图10 模型砂粒径级配曲线

4.2 试验结果

(1)岸滩变形前试验结果

试验测量了原岸滩地形条件下的各断面顶部越浪量、最大爬高与护面稳定性，详见表4—6。

表4 挡浪墙顶越浪量试验结果

表5 波浪爬高试验结果

表6 护岸各断面稳定性试验结果 单位：mm

(2)岸滩变形

在原岸滩地形条件下构建斜坡式护岸后，在波浪作用下，由于护岸存在，保护了波浪对护岸的冲刷，同时也切断了形成稳定岸滩坡面所必须的横向输沙供砂源，因此，在波浪的长期作用下，会发生岸滩变形。

试验测量了岸滩在波浪长时间作用下的变形过程，不同时刻的断面形态变化如图11—12所示。

图11 斜坡式护岸前岸滩在波浪作用下的变形过程

图12 直立式护岸前岸滩在波浪作用下的变形过程

斜坡式护岸当波浪连续作用时间相当于原型5d后，护岸前岸滩达到一个趋于稳定的形态，护岸U型板桩前最大冲刷深度为1.7m；对于直立式护岸，由于直立式护岸反射波浪，墙前波高增大，护岸前冲刷速度加快，当波浪连续作用时间相当于原型2.5d后，护岸U型板桩前最大冲刷深度为2.0m。

(3)岸滩变形后试验结果

试验测量了岸滩变形后的各断面顶部越浪量、护面稳定性，详见表7—8。

表7 挡浪墙顶越浪量试验结果

表8 护岸各断面稳定性试验结果 单位：mm

5 护岸设计

通过模型试验，考虑景观性、生态性、亲水性，最终选用250mm厚的混凝土连锁块护面斜坡式护岸，取消堤顶小挡墙，放坡直接到护岸顶标高73.20m。考虑到现场施工条件，U型板桩优化为常规板桩，通过对最不利工况刷深度1.70m计算，板桩长度调整为6.50m。鉴于湖堤砂源充足且满足规程规范要求，坝体采用水力冲填砂填筑，此方案施工速度快且经济性高。断面如图13所示。

图13 兴凯湖护岸最终设计断面示意图

本工程已经建成运行多年，有效阻止波浪对湖岗的冲刷，保证自然保护区内稀有动植物物种和新开流古文化遗址不受损坏，达到预期目的。

6 结论

本文首次在岸滩水浅、坡缓的兴凯湖采用波浪断面模型试验确定护岸的堤顶高程、坡面型式与厚度、坡前冲刷深度，根据冲刷深度确定板桩长度与厚度，有效保证了护岸的安全可靠与生态经济。此方案可供类似工程设计研究提供参考。