胡金春,邵彥俊,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 問題的提出

浙江省地處我國東南沿海,歷來臺風多發(fā),進入21世紀,特別是 2004年起,連續(xù)有 “0414” (云娜)、 “0509”(麥莎)、“0515”(卡努)3次強臺風侵襲,后又有超強臺風0608” (桑美)正面襲擊浙江, “0713” (韋帕)、 “0716”(羅莎)2次超強臺風影響浙江省。與此同時,2005年8月29日美國的“卡特里娜”颶風橫掃南部幾個州,使新奧爾良市防洪堤缺口,80%區(qū)域淹沒,損失巨大。2008年5月納爾吉斯”強熱帶風暴途徑孟加拉灣襲擊緬甸,使得西南部平原地區(qū)淹沒,造成數萬人傷亡。如何應對臺風乃至超強臺風引發(fā)的超高水位及相應的臺風大浪是浙江省防臺工作必須解決的新課題。

根據浙江省水利河口研究院近年來對錢塘江河口超標準風暴潮系列課題的研究[1].,曾經登陸浙江省的 “5612”型臺風如以不利路徑(北線)登陸錢塘江河口,且登陸時遭遇大潮高潮位,錢塘江北岸鹽官以下堤段最高風暴潮位超過現有海堤100 a一遇設計水位均在2m以上,局部堤段超過3m,相應臺風浪也大幅增強,在此極端條件下,若要使現有海堤御潮擋浪能力不下降,必須對斷面進行加固加高。

針對超強臺風引起的超高水位及相應臺風大浪,選取典型海堤斷面實例,開展海堤加高方案水槽波浪模型試驗研究,通過波浪作用形態(tài)分析和各工況波浪越浪量、擋浪墻波壓力的測定,對超高水位下的海堤加高方案進行初步探索,所得的試驗數據可供海堤設計參考。

2 研究斷面與水文條件

選取錢塘江北岸秦山段典型斜坡式海堤作為研究斷面,該段海堤現狀堤頂高程為8.5m,防浪墻頂高程為9.5m,設計100 a一遇高潮位為6.48m,100 a一遇波高 H13%為3.16m。根據文獻[1].的研究成果,該堤段遭遇 “5612”型臺風以不利路徑登陸錢塘江河口,且登陸時遭遇大潮高潮位時,堤前最高風暴潮位可達10.01m(見表1),已超過現狀海堤防浪墻的頂高程[1].。

表1 試驗斷面堤前水文要素表

根據浙江省錢塘江管理局勘測設計院的研究成果,對該段海堤加高方案主要考慮如下:①迎水坡擋浪墻以下部分斷面形態(tài)基本保持原狀,僅增大護面塊體單重;②對于防浪墻及堤頂部分,考慮2個方案,方案1為擋浪墻頂高程11.4m,堤頂高程10.2m,在內側(堤頂與內坡交接處)設擋墻,內墻高出堤頂2m或3m;方案2為擋浪墻頂高程12.4m,堤頂高程11.0m,內墻高出堤頂1,2m或3m。方案1具體斷面結構見圖1。

圖1 方案1試驗斷面結構示意圖

3 試驗設計

3.1 試驗內容及組次

主要針對超高水位和相應臺風浪引起的越頂水量及其破壞能力,安排試驗內容為:①根據表1所列水文要素測定研究斷面各加高方案的越頂水量;②測定各加高方案擋浪墻迎潮面波壓力和內墻越浪水體作用力。

試驗主要采用不規(guī)則波進行,不規(guī)則波模擬采用常用的JONSWAP波譜作為目標譜,其中波壓力試驗補充規(guī)則波組次。

3.2 試驗設備與量測方法

試驗在浙江省河口海岸重點實驗室不規(guī)則波水槽中進行,水槽長70m,寬1.2m,高1.7m,首端采用液壓造波機系統,可生成規(guī)則波和不規(guī)則波。為消除波浪反射,在水槽末端設置1∶7的消波灘,灘上裝有格柵及浮動泡沫板,借以吸收波浪能量。

試驗中在堤后安放容器承接越浪水體,可稱重得出越浪量。測力系統為中國水利水電科學研究院研制的DJ800型多功能監(jiān)測系統,試驗中在控制點位布置傳感器,通過DJ800型多功能監(jiān)測系統采集波浪力。對每個工況組合試驗均重復量測3次,以減小偶然因素的影響。

3.3 模型制作與布置

考慮堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素,采用模型比尺M=25,該比尺符合JTJ234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[2].的要求。

擋浪墻迎潮面共布置5個測壓頭,包括靜水位處、擋浪墻頂部、迎潮面底部等位置(見表2及圖2)。內墻基本以1m高度為間隔共布置4個測壓頭(見表2及圖3)。

表2 擋浪墻及內側擋墻壓力測點布置表

圖2 擋浪墻測力點布置圖 單位:m

圖3 內墻測力點布置圖

4 試驗結果及分析

4.1 越浪量試驗結果

由于試驗中的超高水位遠高于設計100 a一遇高潮位,試驗斷面迎水面平臺及上、下斜坡對波浪消減能力下降,這就造成了幾乎每個波浪均能形成大片的越浪水體。不同大小的波浪破波位置可分布于鎮(zhèn)壓平臺、5.5m高程平臺、斜坡等不同位置上,或不破碎。越浪水體主要打擊位置在堤頂路面,但由于越浪量很大,如在堤頂內側不設擋墻,越浪水體打擊在堤頂以后會對后坡形成明顯的2次打擊,同時,也有部分波浪越浪水體可直接打擊在后坡中上部。部分試驗現象見圖4、5。

圖4 部分大波破碎于平臺上涌后大量水體越過防浪墻圖

試驗中觀察到多數越浪水體可大致分為2部分,下部為楔形連片水體,有一定的厚度,是越浪的主體部分;上部為成片的破碎水體,泛白色,水量相對較小。堤頂與內坡交接處設圍墻后,下部越浪水體基本被擋住,但上部破碎水體仍可越過墻頂,打擊位置主要在內坡中上部,個別越浪水體也可打擊在整個內坡面。各加高方案測得的越浪量見表3?？梢钥闯?外側擋浪墻高程為12.4m,且內側圍墻高度升至3 m工況下,越浪量降為0.046m3/(m?s),基本滿足《浙江省海塘技術規(guī)定》中0.05 m3/(m?s)限值要求。

圖5 部分波浪不破碎形成明顯的楔形越浪水體圖

表3 各優(yōu)化方案越浪量試驗結果 (基準洪水位與臺風浪組合)表

4.2 波壓力試驗結果

試驗實測擋浪墻迎潮面波壓力列于表4,表中波壓力已減去測點的靜水壓力?？梢钥闯?對于不同測力位置而言,靜水位附近測點波壓力相對最大,如表4中C點,不規(guī)則波最大值達到了174.7 kPa,靜水位上、下1m處波壓力稍小,分別為160.2,158.5 kPa,擋浪墻頂部及底部波壓力相對最小。從表4中也可看出,不規(guī)則波的試驗結果整體要大于規(guī)則波。

不同加高方案堤頂內側擋墻的越浪壓力列于表5,對于擋浪墻頂高程11.4m、堤頂高程10.2m方案 (方案1),最大越浪壓力出現在堤頂以上1 m處,為148.8 kPa;對于擋浪墻頂高程12.4m、堤頂高程11.0m方案 (方案2),最大越浪壓力出現在堤頂附近,為125.1 kPa。2個方案比較而言,方案1由于擋浪墻高程較低使越浪量增大,從而導致越浪壓力也相對較大。

通過測得的壓力分布值,沿高度方向積分,可以計算得出各方案單位堤長擋浪墻水平總波浪力及內墻水平總越浪力,結果顯示,對于方案1,單位堤長擋浪墻波浪水平力為552 kN,單位堤長內墻越浪水平力為246 kN(2m高度方案)或325 kN(3m高度方案);對于方案2,單位堤長擋浪墻波浪水平力為693 kN,單位堤長內墻越浪水平力為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 實測擋浪墻迎潮面波壓力表

表5 實測堤頂內墻越浪壓力表

5 結 語

本文在超高水位及相應臺風大浪的海堤加高方案中,因保持擋浪墻以下部分斷面形態(tài)基本不變,而僅對上部結構進行優(yōu)化,經濟性相對較為突出,通過對此類型加高方案的波浪模型試驗研究,可初步得到以下認識:

(1)在堤頂內側設置一定高度的擋墻可擋住越浪水體下部的楔形連片水體,從而有效減少作用于斷面背坡的越浪量。該例中試驗超高水位為10.01m,比100 a一遇設計高水位高出3.53m,內側擋墻頂達到14.00m高程時 (即高出原斷面防浪墻頂高程4.5 m),背坡越浪量可減至0.05 m3/(m?s)以下。

(2)對應該例中試驗波高 H13%=5.14 m,堤頂外側擋浪墻最大波壓力可達到174.7 kPa,作用位置為靜水位附近;堤頂內側擋墻的最大越浪壓力為148.8 kPa,作用位置可在擋墻底部或近底部,具體應與外側擋浪墻相對高度有關。

當然,應用文中海堤加高方案時,還需考慮地基承載能力、海堤整體穩(wěn)定性等其它因素。

[1].黃世昌.錢塘江北岸海塘應對超標準風暴潮研究 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2009.

[2].南京水利科學研究院.JTJ/T 234—2001波浪模型試驗規(guī)程[S]..北京:人民交通出版社,2001.