20世纪50年代至70年代我国修建了大量水库,由于历史原因及设计施工水平的限制,多数大坝存在病险问题。一般而言,常见的水库病险主要分7个方面:防洪、抗震、大坝结构、大坝渗流、输、泄水建筑结构、金属结构和机电设备及管理设施等[1-4]。其中,大坝结构病险问题又主要包括护坡破损、坝坡不稳定、断面不足等3个方面。通常,土石坝上游可采用块石、现浇混凝土及预制混凝土块等型式[5]进行护坡整治。以昭平台水库为例,水库除险加固过程中将主坝上游护坡型式由原干砌石改为混凝土面板。然而,护坡型式的改变将影响糙率渗透性系数[6-10],影响波浪爬高,使得坝顶高程不满足要求,继而影响大坝的防洪。

姜树海和范子武[11]定量评估了坝顶高程的时变特性,论证了陡变性作用对大坝防洪安全的影响极为显著。焦景辉等[12]提出在混凝土板上采用台阶结构加糙以降低坝顶高程,这一措施使糙率渗透性系数值降低到了砌石标准(0.75～0.8),大大节省了工程投资。乔树梁[13]进行了坝顶高程确定的影响因素的分析,认为需要根据水库所在地风速、上游坡比、不同的运行工况等综合条件进行分析计算。可见,坝顶高程与护坡型式、采取的措施和环境条件等多个因素有关[14-18]。护坡型式改变后复核波浪爬高、跃浪量等对大坝防洪至关重要[19-23]。

某水库拦河坝原上游护坡为砌石,除险加固工程改为混凝土,从而增加了风浪爬高,安全评价复核认为主坝坝顶高程不满足规范要求,对大坝防洪安全不利[24]。为进一步确定护坡类型变化对波浪爬高的影响,本文选取拦河坝典型断面,采用1∶15的模型比尺进行了断面波浪爬高物理模型试验,模拟得到了不同工况下干砌块石及混凝土两种护坡型式下的波浪爬高,测量了越浪和胸墙结构波浪压强等。综合试验成果,分析了上游护坡型式改变对坝顶高程的影响。

1 试验系统

波浪试验在南京水利科学研究院波浪水槽(见图1)中进行,水槽长64 m、宽 1.8 m、深1.8 m。水槽可同时产生波浪、水流和风等多种环境因素。水槽的工作段分割成0.8 m和1.0 m两部分,0.8 m段用来布置物理模型和进行模型试验,另一段则用于扩散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪缓坡,另一端配有丹麦水工研究所(DHI)生产的推板式不规则波造波机。造波系统由计算机自动控制产生需模拟的波浪要素,可根据需要产生规则波和不同谱型的不规则波。为消除水槽试验中波浪的多次反射,造波板上安装DHI研制的二次反射吸收装置(ARC)。波压力采用CSY-Ò型压力监测系统测量。波浪要素和爬高采用电阻式波高、爬高仪测量,由计算机自动采集处理;越浪量采用接水箱称取水重。

2.2 随访期内不良心血管事件发生情况 发生不良心血管事件患者共35例，发生率10.0%（35/350），其中，再发心绞痛或非致死性心肌梗死5例，再次血运重建3例，心源性死亡2例。

  

图1 水槽、造波机及模型示意图Fig.1 Diagram of the flume,wave maker,and model

2 试验模型

2.1 模型设计

水库拦河坝为黏土斜墙砂壳坝,断面见图2。现状坝顶高程181.8 m,最大坝高35.5 m,坝顶长2 315 m,顶宽7.0 m、净宽6.4 m。防浪墙高1.2 m,墙顶高程183 m。除险加固主坝上游护坡由原干砌石护坡改为混凝土面板护坡,胸墙也在以往的维护工程中发生变化。由于水库水域面积较大,承受较大风浪作用,根据相关规范,计算平均波浪爬高时干砌石护坡糙渗系数取0.75,混凝土护坡糙渗系数取0.90,两者相差0.15,使得风浪爬高增加,可能导致坝顶高程不足。为进一步确定护坡型式改变对风浪爬高及胸墙越浪的影响,需通过断面物理模型试验,测量设计洪水位和校核洪水位情况下两种类型护面的波浪爬高及胸墙顶的越浪情况。

世界上最好吃的菜，是任何时候，无论你成功或失败，回到家，走进门，永远在餐桌上等待着你，期待全家人团聚的妈妈做的菜。

  

图2 试验断面Fig.2 Typical test section

试验断面选择拦河坝上游坝坡至挡浪墙结构,并分别构建了干砌块石和混凝土面板两种护坡模型。试验首先制作胸墙、干砌块石和混凝土面板模型;制作过程保证重量和几何相似,且将重量、几何误差分别控制在3%、1%以内。然后对试验断面按几何比尺缩小后进行放样,构筑大坝断面,断面尺寸误差也控制在1%以内(见图3)。大坝170.00 m高程设有宽2 m的平台,上坡有两种坡度,177.00 m高程以上坡度为1∶2.0,177.00～170.00 m高程为1∶2.5;下坡170.00～157.00 m高程为1∶3.0,以下至坝脚为1∶3.5。坝顶设有胸墙,防浪墙顶高程为183.00 m,墙顶设有5 cm宽挑檐。

  

图3 不同护坡型式的波浪爬高试验模型Fig.3 Wave run-up test models for different types of slope protection

改变总是困难的，“数据分析”可以帮助企业做出显著的改变：为了在全新的协作式、数字化、以“数据分析为主导”的世界生存，人们被迫改变思维方式和技能。

由表2可见,试验爬高结果与计算值相差不大。在校核洪水位不规则波(H1%=1.16 m,Tm=3.07 s)作用下,混凝土板护坡波浪爬高R1%为1.98 m,加上安全超高,已超过坝顶高程。因此,爬高试验结果表明,将护坡由干砌块石改为混凝土面板,坝顶高程已不能满足规范要求。

 

(1)斜坡护面波浪爬高试验。

每一次繁花似锦的背后，都历经辛勤的付出和无私的奉献。2017年春季，她就隐隐约约感觉到自己的双膝时常作痛。那时，正是迎接国检的关键时期，她贴点膏药，吃点儿药，一直坚持到寒假。2018年开学初工作千头万绪，她又把自己的疾病置之脑后，常常工作到校园里只有她和门卫老师了，才拖着疲倦的身子步履蹒跚地走在回家的路上。春季，道路结冰，她艰难地走在路上，一不小心跌倒了，半月板严重受损，她只住了三天院，又一瘸一拐回到了工作岗位上……

 

表1 断面试验波浪要素T ab.1 Wave parameters in the test

  

水位 H1%/m Hs/m Hm/m Tm/s 1.16 0.77 0.48 3.07校核洪水位180.75 m 1.54 1.02 0.64 3.54 1.93 1.28 0.80 3.96 1.77 1.17 0.73 3.79设计洪水位177.06 m 2.34 1.55 0.97 4.37 2.90 1.94 1.21 4.87

规则波采用H1%B波高和平均周期,不规则波的波谱采用JONSWAP谱。模型中的波高、波周期等物理量按重力相似准则确定。

2.2 试验内容和试验方法

试验水位分别为校核洪水位180.75 m和设计洪水位177.06 m。

测量一个波列作用下的越浪水体重量,然后除以一个波列作用时间,从而得到平均单宽越浪量。试验在大坝断面后侧安置一接水箱,箱内置一台微型水泵,随时将越浪水体抽出,并称重,以计算越浪水量。

式中:Hm为平均波高(m);Tm为平均波周期(s);W为平均波周期(m/s);D为风区长度(m);hm为水域平均水深(m);g为重力加速度,取9.81 m/s2;W 为设计风速(m/s);正常运用条件下的1级、2级坝,采用多年平均年最大风速的1.5～2.0倍;非常运用条件下,采用多年平均年最大风速。

在坡度为1∶2.0的足够长斜坡上布置波高仪,测量混凝土面板及干砌块石型式时的波浪爬高。

由当地气象局提供的1980-2011年气象资料,分方向统计后可得该地区年最大平均风速为15.0 m/s。由于当地气象局观测场高度145.7 m,风杆高度10.5 m,而水库校核洪水位为180.75 m,高于观测场高度。因此,将气象站风速进行修正得到相应水面上风速,为19.5 m/s;多年平均年最大风速取为24.0 m/s。从而,试验所用波浪要素的依据风速分别取 15.0 m/s、19.5 m/s和 24.0 m/s等 3种。拦河坝为2级,正常运用条件下取多年平均年最大风速的1.5倍,因此,风速分别取为 22.5 m/s、29.3 m/s和36.0 m/s。在正常运用和非正常运用情况下的风区长度分别为5 454 m和5 600 m,由上述3种风速及1.5倍的值,采用莆田试验站公式计算得到坝前校核洪水位(非正常运用条件)和设计洪水位(正常运用条件)波浪要素列于表1。

(2)胸墙越浪测量断面试验。

由于琅岐岛受亚热带海洋气候的影响，季节性明显，使得大批量游客登岛观光的时间一般集中到5月—10月之间，而其他时间基本上可被视为“空档期”。每到旅游旺季，琅岐岛就会迎来很多周边游客观光，或自驾、或组团，给岛屿带来不一样活力和生机。然而随着游客的不断增多，岛内也遇到很多问题，如游客质量得不到保证，景区承载力过量，景观设备得不到及时维修等，这些都是因为季节性影响带来的。调整游客度假时间，开发多项不受季节控制项目，拉长沿海地区旅游度假时间，尽量减少因季节性影响带的问题，已成为大家首要思考的问题。

试验内容包括测量设计洪水位和校核洪水位情况下,干砌块石护坡、混凝土护坡的波浪爬高、墙顶越浪以及胸墙压强。首先进行波浪要素率定,试验时先用小波作用,以使堤身密实,然后按设计波浪要素造波,进行各项内容的试验。

在胸墙中心线布置压强测点,测量胸墙压强,进行压强测量。

3 试验成果及分析

3.1 波浪爬高试验

护坡结构型式的糙渗系数KΔ是反映其消浪性能的重要参数,不同结构型式的糙渗系数KΔ使斜坡上的爬高也不相同。在校核洪水位、设计洪水位及相应波浪作用下,波浪爬高试验结果和数值计算结果列于表2。

试验遵照JTJ 234-2001《波浪模型试验规程》相关规定[25],采用正态模型,按照Froude数相似律设计。根据设计水位、波浪要素、试验断面及试验设备条件等因素。模型几何比尺取为15,各物理量比尺如下:几何比尺Lr=15,时间比尺:Tr=L1/2r,重量比尺:Pr= L3 r,压强比尺:Pr= Lr。试验分别采用规则波和不规则波进行,以不规则波为主,规则波作为对比,每组试验重复3次。

 

表2 不同护面波浪爬高计算及试验结果Tab.2 Calculation and test results of wave run-up on different surfaces

  

波浪爬高/m混凝土板 干砌块石水位 波浪试验值 计算值 试验值 计算值R1% R13% R1% R1% R13% R1%H1%=1.16 m,Tm=3.07 s 1.98 1.32 1.97 1.55 1.05 1.65校核洪水位180.75 m 不规则波H1%=1.54 m,Tm=3.54 s 2.51 1.68 2.65 2.34 1.56 2.21不规则波H1%=1.93 m,Tm=3.96 s 3.45 2.26 3.36 2.85 1.92 2.80不规则波H1%=1.77 m,Tm=3.79 s 3.08 1.91 3.11 2.61 1.72 2.59设计洪水位177.06 m 不规则波 H1%=2.34 m,Tm=4.37 s 4.35 2.91 4.32 —— —— ——不规则波 H1%=2.90 m,Tm=4.87 s 5.82 3.85 5.77 —— —— ——

波浪的平均波高和平均周期采用莆田试验站公式。

3.2 越浪量

由于波浪爬高只是表示波浪在斜坡上的爬升高度,而坝顶实际采用带挑檐的直立胸墙结构。因此,需要模拟坝顶胸墙结构,通过越浪量试验,观测波浪的越顶状况。试验中波浪作用于坝顶胸墙的状况见图4,各工况下胸墙越浪量列于表3。

  

图4 不同工况下波浪对胸墙的作用Fig.4 Effect of the wave on the parapet under different conditions

 

表3 越浪量测量结果T ab.3 M easurement results of the wave overtopping

  

越浪量m3/(s·m)水位 波浪要素(不规则波)混凝土面板 干砌块石H1%=1.16 m,Tm=3.07 s 1.0×10-3 5.1×10-4校核洪水位H1%=1.54 m,Tm=3.54 s 1.1×10-3 6.3×10-4 H1%=1.93 m,Tm=3.96 s 1.4×10-3 8.3×10-4 H 1%=1.77 m,Tm=3.79 s 1.2×10-4 0设计洪水位H1%=2.34 m,Tm=4.37 s 1.4×10-4 0 H1%=2.90 m,Tm=4.87 s 1.5×10-4 0

从试验结果可看出,即使是在设计洪水位、24 m/s风速下的波浪(H1%=2.90 m,Tm=4.87 s)的情况下,越浪量也较小,只有 1.5×10-4m3/(s·m)。然而,在试验过程中(图4)可看到,由于胸墙和挑檐的作用,虽然越过胸墙的水量较小,但波浪作用于胸墙时溅起较大水花。如果遭遇7～9级左右大风作用,溅起的水体受风力影响可能越过胸墙。如考虑风力对爬高后波浪的影响,越浪量将会有较大增加。

3.3 胸墙压强

为分析校核洪水位、设计洪水位及相应波浪要素组合下波浪爬高对胸墙作用,胸墙自上而下布置了6个测点,测量所受压强,测点布置见图5。由于设计洪水位时波高较小,波浪难以作用到胸墙上部,使得胸墙所受波浪压力较小。校核洪水位15 m/s的风速压强试验结果见表4。由表可见,在校核洪水位、根据15 m/s的风速得到的不规则波(H1%=1.16 m,Tm=3.07 s)作用下,混凝土面板护坡情况下胸墙最大压强为17.8 kPa。

  

图5 挡浪墙压力传感器布置图Fig.5 Layout diagram of pressure sensors in wave wall

 

表4 校核洪水位压强试验结果(风速15 m/s时波浪作用)Tab.4 Pressure test results at the check flood level(wave action at the wind speed of 15 m/s)kPa

  

测点号混凝土板护坡 干砌块石护坡最大值pmax 有效值p13% 最大值pmax 有效值p13%1 10.0 6.5 8.2 5.2 2 11.7 8.3 10.5 7.9 3 13.4 9.4 13.1 8.9 4 17.8 12.5 15.9 10.3 5 16.2 11.3 15.6 10.0 6 15.9 10.4 15.1 9.5

4 结论

本文以某水库大坝为例,采用1∶15的模型比尺进行了不同护坡型式下的波浪断面物理模型试验,由试验可以得到如下结论。

研究中使用2016年5月7日～8日、10日～11日共4个时相的高分四号卫星全色多光谱卫星图像，见图2，数据格式为Geotiff，均为经过系统辐射校正的1A级数据产品.该时间段内卫星覆盖区域内的积雪为天山山脉等高山地区积雪，图像上云层覆盖范围普遍较大，整体云盖量占整幅图像范围的47%～57%之间.

(1)将上游护坡型式由干砌块石改为混凝土面板后,糙渗系数发生了显著变化,坝顶高程已不能满足规范的要求。

(2)试验中观察到由于大坝胸墙顶部设有挑檐,波浪上爬后被反卷会水库,因此越浪量较小。但实际情况是在发生较大波浪作用时,风速也较大,如果在试验中考虑风的影响,越浪量将会有较大幅度的增加。

综上可知，整个矿山室外给排水管道系统较为复杂，因此设计时首先要根据工艺等对水质不同要求，制定室外给排水系统方案。

(3)试验结果供其他除险加固工程参考,在改变护坡型式后应同时复核相应的波浪爬高,或加以物理模型试验,以合理确定坝顶高程,或采取加糙措施,以保障水库的防洪能力。

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