阅读说明：本技术 一种水库土石坝上游护坡消浪结构 (Reservoir earth and rockfill dam upper reaches bank protection structure of breaking wave ) 是由 徐晓东 吴允政 银佳男 杨海滔 张彦泽 李广一 宋双喜 孙万光 曹宇隆 贺新娟 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了土石坝护坡技术领域的一种水库土石坝上游护坡消浪结构,包括多道梯形消浪墩,多道梯形消浪墩自防浪墙处沿坝坡方向向下以一定间距均匀布置；梯形消浪墩由一个底面为直角梯形的直四棱柱组成；直四棱柱的侧棱与坝轴线平行,且其侧棱长度与坝长一致；直四棱柱的底面与坝面垂直；直角梯形的腰线基本保持水平,呈2％左右的坡度；直角梯形的上底与坝坡线平行；直角梯形的下底与坝坡线重合,梯形消浪墩与混凝土护坡整体浇筑,砂砾石垫层的内部设置有排水管,结构整体性、稳定性较好,使用寿命长,可以使浪花反溅,能有效消杀波浪动能、减小波浪爬高,可初步估算一般梯形消浪墩护坡波浪爬高,为相关工程实施提供参考。(The invention discloses a wave dissipation structure for an upstream protection slope of an earth and rock dam of a reservoir, belonging to the technical field of protection slopes of earth and rock dams, and comprising a plurality of trapezoidal wave dissipation piers, wherein the trapezoidal wave dissipation piers are uniformly arranged at certain intervals downwards along the direction of a dam slope from a wave wall; the trapezoidal wave dissipation pier consists of a straight quadrangular prism with a right-angled trapezoid bottom surface; the side edges of the straight quadrangular prisms are parallel to the axis of the dam, and the length of the side edges is consistent with the length of the dam; the bottom surface of the straight quadrangular prism is vertical to the dam surface; the waist line of the right trapezoid is basically kept horizontal and is in a gradient of about 2 percent; the upper bottom of the right trapezoid is parallel to the slope line of the dam; the lower bottom of right trapezoid and the coincidence of dam slope line, trapezoidal unrestrained mound that disappears and concrete bank protection integral erection, the inside of gravel stone bed course is provided with the drain pipe, and structural integrity, stability are better, and long service life can make the unrestrained anti-spattering of unrestrained, can effectively disappear and kill wave kinetic energy, reduce the wave and climb, can tentatively estimate general trapezoidal unrestrained mound bank protection wave of disappearing and climb, provide the reference for relevant engineering implementation.)

一种水库土石坝上游护坡消浪结构

技术领域

本发明涉及土石坝护坡技术领域，具体为一种水库土石坝上游护坡消浪结构。

背景技术

在水库土石坝工程设计中，波浪爬高是确定坝顶高程的最重要参数，直接影响工程安全和投资。采取一定技术手段减小波浪爬高在水库大坝建设中具有较为广阔的应用前景：一方面，波浪爬高减小可以使相关技术人员在设计阶段降低坝顶高程、减少工程投资预算；另一方面，按现行标准对老旧病险水库进行安全复核时，在大坝迎水面采取一定消浪措施可以有效解决大坝欠高问题，增加水库安全储备。

影响波浪爬高主要因素有坝坡坡度、波高、波长、入射波波向、坡面糙率等。在海堤工程领域，一般通过护面加糙来减小波浪爬高，例如：抛填四角空心方块、扭王(扭工)字块、布设栅栏板等。但是上述消浪措施体型巨大、制作安装复杂、投资较大，不利于在水库土石坝工程中推广。

目前水库土石坝工程通常采用传统的斜面护坡形式，主要有：现浇混凝土护坡、浆砌石护坡、干砌石护坡，以上护坡形式相关的设计、施工方法均较为成熟，但坡面糙率小、消浪效果不明显，基于此，本发明设计了一种水库土石坝上游护坡消浪结构以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水库土石坝上游护坡消浪结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水库土石坝上游护坡消浪结构，包括多道梯形消浪墩，多道所述梯形消浪墩自防浪墙处沿坝坡方向向下以一定间距均匀布置；所述梯形消浪墩由一个底面为直角梯形的直四棱柱组成；所述直四棱柱的侧棱与坝轴线平行，且其侧棱长度与坝长一致；所述直四棱柱的底面与坝面垂直；所述直角梯形的腰线基本保持水平，呈2％左右的坡度；所述直角梯形的上底与坝坡线平行；所述直角梯形的下底与坝坡线重合，梯形消浪墩与混凝土护坡整体浇筑，并通过钢筋与混凝土板连接；所述钢筋混凝土护坡下依次铺设素混凝土垫层和砂砾石垫层，大坝迎水面坝坡坡度为1:m，所述砂砾石垫层的内部设置有排水管。

优选的，所述梯形消浪墩布设范围最低点宜不高于设计水位以下两倍波高处，且不低于冬季平均水位；所述直角梯形的直角边和上底的长度取0.2m～0.4m，所述直角梯形的下底和腰线的长度可按下式计算：

b'＝a'+mh' (1)

式中，a'为所述直角梯形的上底长度，b'为所述直角梯形的下底长度，h'为所述直角梯形的直角边长度，t'为所述直角梯形的腰线长度，m为大坝迎水面坝坡坡度系数。

优选的，利用FLUENT数值平台计算水库工程常见风浪条件下梯形消浪墩护坡波浪爬高。数值模型采用二维非定常隐式求解器、RNG k-ε湍流模型、VOF两相流模型、压力速度耦合的PIOS算法，控制方程包括连续性方程、动量方程、流体体积输运方程等，形式如下：

式中：u、v分别是x、y方向的流体速度；p为流体压强；ρ为流体密度；μ为流体动力粘滞系数；a_q为体积分数，即若a_q＝1则表示第q相占据整个网格单元。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2020)，波浪爬高R按下式计算：

式中：H为入射波浪波高；L为入射波浪波长；K_Δ为糙渗系数；K_W为经验系数，定义综合糙渗系数K_s＝K_Δ·K_W。

根据数值模拟结果计算水库常见风浪条件下综合糙渗系数(见表1)，将K_s代入公式(6)中，由此可初步估算梯形消浪墩护坡波浪爬高，为相关工程实施提供参考。

表1梯形消浪墩护坡波浪爬高及综合糙渗系数

优选的，所述梯形消浪墩护坡的施工为以下步骤：

S1：在大坝上游堆石区表面铺设砂砾石垫层，对坡面做夯实处理，并填缝找平。

S2：砂砾石垫层上铺设素混凝土垫层，并预埋排水管。

S3：钢筋混凝土护坡与梯形消浪墩立模整体浇筑，其中梯形消浪墩迎水面直角处预埋角钢，角钢通过拉筋与钢筋混凝土板连接，形成整体结构。顺水流方向采用结构缝，缝间填充聚乙烯闭孔泡沫板；沿坝轴线方向采用切缝机切缝。

S4：浇筑完成后插入振捣器振捣并采用洒水自然养护，且养护时间不低于7天直至达到设计要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

梯形消浪墩与混凝土护坡联合浇筑，结构整体性、稳定性较好，使用寿命长；

梯形消浪墩增大了护面糙率，可以使浪花反溅，能有效消杀波浪动能、减小波浪爬高；

梯形消浪墩腰线基本保持水平，酌情可做2％左右坡度，一方面对于大坝后期检修、监测等提供了便利的交通，另一方面可减少水流积存。

梯形消浪墩结构形式简约美观，施工程序简单可行，对水库土石坝上游护坡的设计、改造等工程适用性较好。

根据数值模型计算成果及综合糙渗系数计算，可初步估算一般梯形消浪墩护坡波浪爬高，为相关工程实施提供参考。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明梯形消浪墩护坡纵向剖面示意图；

图2为本发明梯形消浪墩三维结构示意图；

图3为本发明梯形消浪墩护坡的三维布置示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、防浪墙；2、排水管；3、梯形消浪墩；4、素混凝土垫层；5、钢筋混凝土护坡；6、砂砾石垫层。

a、所述直角梯形的上底；b、所述直角梯形的下底；h、所述直角梯形的直角边；t、所述直角梯形的腰线；d、所述直四棱柱的侧棱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

某水电站地处我国高纬度地区，冬季严寒且漫长，多年平均气温3.8℃，历年极低气温-38.4℃。该水电站主坝初步设计阶段批复的上游护坡形式为浆砌石护坡。但技施阶段发现砌石备料不足，外运块石将导致护坡投资大幅增加；另一方面，工程区域冬季严寒漫长，砌石护坡承受冰荷载发生变形时抵抗不了自身产生的拉应力进而容易发生开裂，而混凝土护坡因其内部配有钢筋在抵抗冰荷载方面效果更好。故该水电站主坝上游护坡变更为钢筋混凝土护坡形式。考虑到该工程坝基开挖已经完成，坝体断面已经定型，若采用传统的钢筋混凝土护坡形式，则原坝顶高程必然不满足要求。故采用所述梯形消浪墩结构增加护面糙率，减小波浪爬高，以达到维持原坝体断面和坝顶高程不变。

该水电站主坝迎水面坝坡坡度系数m为2.1，库区波浪条件为：H＝1.1m，L＝28m。查询表1，可初步估计综合糙渗系数K_s为0.65左右，代入公式(6)计算波浪爬高R为1.55m，相比斜面混凝土护坡和浆砌石护坡，波浪爬高衰减分别可达33％和18％以上，故原坝体断面和坝顶高程可维持不变。

单个梯形消浪墩结构形式为一个底面为直角梯形的直四棱柱，见图2。所述直角梯形的下底b与坝面重合；所述直角梯形的直角边h与坝面垂直；所述直角梯形的腰线t与水平方向保持2％坡度；所述直四棱柱的侧棱d与坝轴线平行，且与主坝坝长一致。

上述梯形消浪墩护坡的施工过程如下：如图1所示，自防浪墙1沿斜坡方向向下以一定间距均匀布置多道梯形消浪墩3，梯形消浪墩3与混凝土护坡5整体浇筑，并配置钢筋与混凝土板连接。钢筋混凝土护坡5下依次铺设素混凝土垫层4和砂砾石垫层6。

梯形消浪墩按一定间距沿坝面自上而下均匀布置的三维示意图见图3。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。