戴永志，朱艷紅

(上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司，上海 201108)

興凱湖為中俄界湖，在黑龍江省東南部，距密山市35km2，北部1/3的面積為中國，南部屬俄羅斯。興凱湖南北長達(dá)100多km，東西寬達(dá)60多km，面積4380 km2，平均水深4～5m，最大水深約10m，總儲水量240億～260億m3。興凱湖的湖床坡度很緩，為35%～5%，形成廣闊的岸灘。

根據(jù)資料記載和現(xiàn)場踏勘，興凱湖邊上早期建成的擋墻和護(hù)岸幾乎全部破壞，現(xiàn)有護(hù)岸形式不大適合興凱湖的實際情況。破壞情況如圖3。

鑒于興凱湖湖面寬廣、水深較大、風(fēng)浪較大坡度較緩，岸灘水淺為破碎波區(qū)，波浪對岸灘及護(hù)岸的穩(wěn)定安全有直接影響，防護(hù)措施不當(dāng)會造成護(hù)岸破壞。因此對于擬建護(hù)岸，通過波浪斷面模型試驗研究護(hù)岸在波浪作用下的安全性、合理性是非常必要的。

1 地形地貌和泥沙特點

興凱湖平面圖如圖1所示，本次護(hù)岸工程位于大興凱湖北側(cè)岸段的中部，用于防護(hù)大興凱湖與小興凱湖間的湖崗，考慮興凱湖為國家級自然保護(hù)區(qū)、國家地質(zhì)公園，其中湖崗地區(qū)為核心區(qū)有大量稀有動植物物種，且有新開流古文化遺址，根據(jù)GB50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，防洪標(biāo)準(zhǔn)定為100年一遇。

工程岸段衛(wèi)片圖如圖2所示，由圖1—2可以看出，興凱湖北側(cè)岸線為規(guī)則弧形岸線，這是典型的波浪與陸地間形成的穩(wěn)定岸線形態(tài)，擬建工程的岸線是該岸線的一部分。興凱湖地區(qū)的風(fēng)浪條件是這種穩(wěn)定岸線形成的根本原因。各月主風(fēng)向出現(xiàn)的頻率如圖3所示，該圖為根據(jù)興凱湖農(nóng)場氣象站1973—2012年共40年的氣象資料統(tǒng)計結(jié)果[1]，可以看出，興凱湖暢流期，SSW風(fēng)向是主風(fēng)向，平均出現(xiàn)頻率超過70%。興凱湖的波浪主要為風(fēng)成浪，SSW向風(fēng)形成的波向分布如圖4所示，常風(fēng)向SSW向風(fēng)形成的波浪波向基本垂直于工程岸段，可見岸線走向與當(dāng)?shù)仫L(fēng)浪是相適應(yīng)的，因此形成了穩(wěn)定弧形岸線形態(tài)，沿岸縱向輸沙基本達(dá)到平衡。

圖1 興凱湖平面形態(tài)及護(hù)岸工程位置圖

圖2 工程岸段衛(wèi)片圖

圖3 各月份主風(fēng)向出現(xiàn)的幾率圖[1]

圖4 SSW向風(fēng)形成的波向分布圖[1]

當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件單一，岸灘主要為中值粒徑0.31mm的中細(xì)砂。興凱湖護(hù)岸工程主要研究的是近岸護(hù)岸工程實施后護(hù)岸前局部沖刷問題，以及對護(hù)岸穩(wěn)定性是否產(chǎn)生影響。由前面岸灘地形地貌分析可知，工程岸段已形成穩(wěn)定的弧形岸線，縱向輸沙量小，因此護(hù)岸前的局部沖刷主要為波浪作用下的橫向輸沙[2- 3]造成，為二元問題，可以進(jìn)行二維試驗研究。

2 水位與風(fēng)速

2.1 水位

該流域內(nèi)主要水文測站有龍王廟水文站、擋壁鎮(zhèn)、阿斯特拉漢卡水位站，以及興凱湖第一泄洪閘臨時水位站(觀測汛期水位)，其中阿斯特拉漢卡水位站水文資料系列最長。通過阿斯特拉漢卡站、龍王廟站以及當(dāng)時農(nóng)場的水位觀測，用相關(guān)法插補(bǔ)延長系列，使阿斯特拉漢卡站的年平均水位延長為1914—1973年，共60a系列。根據(jù)阿斯卡拉漢卡和龍王廟以及龍王廟與興凱湖湖口水痊相關(guān)，前者相關(guān)點距為5a 30d平均水位，后者相關(guān)點距不每日平均值60d。通過上述相關(guān)求得工程位置大湖湖口月平均最高洪水位，見表1。

表1 大湖口月平均最高洪水位成果表 單位：m

考慮到泥沙淤積，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[4]和現(xiàn)場踏勘水位達(dá)到了70.49m，對設(shè)計水位進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整方式為在原水位上增加0.50m。調(diào)整后最高水位。多年平均洪水位為69.77m；多年平均枯水位為68.80m；歷史最低水位為67.70m。

2.2 風(fēng)速

雞西地區(qū)的100年一遇對應(yīng)設(shè)計風(fēng)速為32.24m/s。根據(jù)興凱湖農(nóng)場1995—2014年16方位10mim平均風(fēng)速年極值統(tǒng)計資料，各方向最大風(fēng)速為18.0m/s，出現(xiàn)在WNW向，其次為SSW、WSW和NW向，最大風(fēng)速為15.0m/s。依據(jù)GB50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計波浪要素計算取汛期最大風(fēng)速的1.5倍，經(jīng)高度訂正后，其設(shè)計風(fēng)速為30.78m/s。綜合以上資料， 100年一遇設(shè)計風(fēng)速取值為32.24m/s。

3 試驗斷面方案

根據(jù)自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)要求，提出在保證安全基礎(chǔ)上同時考慮生態(tài)性、景觀性，在此原則上提供了多種試驗斷面。試驗分直立式和斜坡式護(hù)岸，斜坡護(hù)岸又分生態(tài)混凝土、混凝土連鎖塊與雷諾護(hù)墊三種護(hù)岸形式，每種護(hù)岸形式分200、250、300mm三種厚度。具體如圖5—8所示。

圖5 斜坡方案1—生態(tài)砼

圖6 斜坡方案2—混凝土連鎖塊

圖7 斜坡方案3—雷諾護(hù)墊

圖8 直立式護(hù)岸

4 波浪模型試驗

4.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

興凱湖為內(nèi)陸湖泊，其波浪主要為小風(fēng)區(qū)風(fēng)浪。計算水深和風(fēng)區(qū)長度選取按JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中規(guī)定的方法進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計風(fēng)速32.24m/s，通過計算得到興凱湖護(hù)岸工程設(shè)計波浪要素見表2。

表2 護(hù)岸設(shè)計波浪要素

波浪斷面物理模型試驗在南京水利科學(xué)研究院長波浪水槽中進(jìn)行，該水槽長170m、寬1.2m、高1.6m，可同時產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)。水槽的工作段分割成0.6m寬兩部分，一部分用來安放模型斷面和進(jìn)行模型試驗，另一部分用于擴(kuò)散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)，由計算機(jī)自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。該造波系統(tǒng)可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。波浪長水槽照片如圖9所示。

圖9 試驗波浪水槽

本項目重點研究近岸區(qū)，特別是破碎波區(qū)岸灘沖淤變化，為此需著考慮波浪條件下岸灘破波區(qū)附近水域泥沙運(yùn)動相似要求。

在模型沙設(shè)計時，首先按泥沙起動相似要求，由現(xiàn)場岸灘底質(zhì)中值粒徑計算出不同容重模型沙的粒徑。然后根據(jù)沖淤部位相似的要求算得沉速比尺λw，再由張瑞瑾沉速公式計算出對應(yīng)于不同容重泥沙的對應(yīng)粒徑。最后根據(jù)兩方面計算結(jié)果的比較，確定模型沙的種類和粒徑。

本模型選擇顆粒密度容重γs=1.36g/cm3的煤屑作為模型沙，其干容重約為0.7g/cm3。經(jīng)過綜合比較，選擇模型沙的中值粒徑為0.35mm，其粒徑級配曲線見圖10。模型主要比尺見表3。

表3 模型主要比尺情況

圖10 模型砂粒徑級配曲線

4.2 試驗結(jié)果

(1)岸灘變形前試驗結(jié)果

試驗測量了原岸灘地形條件下的各斷面頂部越浪量、最大爬高與護(hù)面穩(wěn)定性，詳見表4—6。

表4 擋浪墻頂越浪量試驗結(jié)果

表5 波浪爬高試驗結(jié)果

表6 護(hù)岸各斷面穩(wěn)定性試驗結(jié)果 單位：mm

(2)岸灘變形

在原岸灘地形條件下構(gòu)建斜坡式護(hù)岸后，在波浪作用下，由于護(hù)岸存在，保護(hù)了波浪對護(hù)岸的沖刷，同時也切斷了形成穩(wěn)定岸灘坡面所必須的橫向輸沙供砂源，因此，在波浪的長期作用下，會發(fā)生岸灘變形。

試驗測量了岸灘在波浪長時間作用下的變形過程，不同時刻的斷面形態(tài)變化如圖11—12所示。

圖11 斜坡式護(hù)岸前岸灘在波浪作用下的變形過程

圖12 直立式護(hù)岸前岸灘在波浪作用下的變形過程

斜坡式護(hù)岸當(dāng)波浪連續(xù)作用時間相當(dāng)于原型5d后，護(hù)岸前岸灘達(dá)到一個趨于穩(wěn)定的形態(tài)，護(hù)岸U型板樁前最大沖刷深度為1.7m；對于直立式護(hù)岸，由于直立式護(hù)岸反射波浪，墻前波高增大，護(hù)岸前沖刷速度加快，當(dāng)波浪連續(xù)作用時間相當(dāng)于原型2.5d后，護(hù)岸U型板樁前最大沖刷深度為2.0m。

(3)岸灘變形后試驗結(jié)果

試驗測量了岸灘變形后的各斷面頂部越浪量、護(hù)面穩(wěn)定性，詳見表7—8。

表7 擋浪墻頂越浪量試驗結(jié)果

表8 護(hù)岸各斷面穩(wěn)定性試驗結(jié)果 單位：mm

5 護(hù)岸設(shè)計

通過模型試驗，考慮景觀性、生態(tài)性、親水性，最終選用250mm厚的混凝土連鎖塊護(hù)面斜坡式護(hù)岸，取消堤頂小擋墻，放坡直接到護(hù)岸頂標(biāo)高73.20m?？紤]到現(xiàn)場施工條件，U型板樁優(yōu)化為常規(guī)板樁，通過對最不利工況刷深度1.70m計算，板樁長度調(diào)整為6.50m。鑒于湖堤砂源充足且滿足規(guī)程規(guī)范要求，壩體采用水力沖填砂填筑，此方案施工速度快且經(jīng)濟(jì)性高。斷面如圖13所示。

圖13 興凱湖護(hù)岸最終設(shè)計斷面示意圖

本工程已經(jīng)建成運(yùn)行多年，有效阻止波浪對湖崗的沖刷，保證自然保護(hù)區(qū)內(nèi)稀有動植物物種和新開流古文化遺址不受損壞，達(dá)到預(yù)期目的。

6 結(jié)論

本文首次在岸灘水淺、坡緩的興凱湖采用波浪斷面模型試驗確定護(hù)岸的堤頂高程、坡面型式與厚度、坡前沖刷深度，根據(jù)沖刷深度確定板樁長度與厚度，有效保證了護(hù)岸的安全可靠與生態(tài)經(jīng)濟(jì)。此方案可供類似工程設(shè)計研究提供參考。