郭寅樂

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與海洋工程研究院，浙江 杭州 310018)

堰壩是水利工程中重要的水利設(shè)施，它具備擋水和泄水等功能，并且在防洪、灌溉、排澇等方面都起著重要的作用[1]。在水利工程中，為了滿足防洪、灌溉等多方面需求，經(jīng)常在河道中修建堰壩以抬高上游水位。河道水位上升對堰壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和過流能力的影響，是水利工程所要解決的問題。梅溪鐵堰水閘建于二十世紀(jì)五六十年代，該水利樞紐位于金華盆地，樞紐建成運(yùn)行至今，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田灌溉以及防洪發(fā)揮了重要作用。為了能夠繼續(xù)安全運(yùn)行，后又對該樞紐進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。本文對該水利樞紐除險(xiǎn)加固后的攔河堰壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和過流能力分析。

1 工程概況

鐵堰水閘位于金華市婺城區(qū)蘇孟鄉(xiāng)的梅溪，該樞紐工程由攔河堰壩、泄洪閘及進(jìn)水閘等組成，工程等別為Ⅲ等。相應(yīng)的主要建筑物為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為54.96 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水位為55.31 m，設(shè)計(jì)過流能力104.9 m3/s。主河道攔水堰壩為實(shí)用堰，堰頂高程53.04 m，堰底高程50.48 m，堰頂設(shè)計(jì)洪水位54.96 m，堰頂寬1.2 m，堰長116 m，迎水坡垂直，背水坡1∶2.12，堰趾高程為51.06 m，堰趾平臺寬2.5 m，建堰材料表面為條石護(hù)面，內(nèi)部為混凝土堰體，建于卵石層上。主堰維持現(xiàn)狀不變，主堰后新建副堰，副堰為寬頂堰，堰頂高程為51.85 m，堰頂寬0.5 m，背水坡1：4.04，堰趾高程50.48 m。堰壩剖面圖見圖1。

圖1 堰壩剖面圖

2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

2.1 應(yīng)力分析

堰壩的應(yīng)力分析方法分為理論分析和模擬分析兩大類[2]。對堰壩進(jìn)行應(yīng)力分析，要確定堰壩在規(guī)定的各種工作條件下，堰壩各部位的應(yīng)力狀態(tài)能否達(dá)到規(guī)范強(qiáng)度要求，這是衡量堰壩安全的指標(biāo)之一[3]。對堰壩的應(yīng)力分析就是對壩基的應(yīng)力分析，《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)要求運(yùn)行期間壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許應(yīng)力。作用在堰壩上的荷載有壩體自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力、浪壓力，通過計(jì)算基本組合和特殊組合情況下壩趾、壩踵的應(yīng)力大小來確定應(yīng)力狀態(tài)。其中，基本組合為正常水位時(shí)的基本荷載，特殊組合為校核洪水位時(shí)的特殊荷載。理論分析計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：σ—壩趾垂直應(yīng)力MPa；

∑W—荷載在壩基截面法向力的總和，kN；

∑M—荷載對壩基截面形心軸的總和，kN·m；

A—壩基面的面積，m2；

J—壩基面對形心軸的慣性矩，m4；

x—形心軸到下游面的距離，m。

基本組合應(yīng)力計(jì)算見表1，特殊組合應(yīng)力計(jì)算見表2。

表1 基本組合應(yīng)力計(jì)算表

表2 特殊組合應(yīng)力計(jì)算表

在基本組合和特殊組合情況下分別進(jìn)行壩趾、壩踵的應(yīng)力計(jì)算分析，可以得到壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許應(yīng)力，壩踵垂直應(yīng)力無拉應(yīng)力，堰壩的應(yīng)力狀態(tài)滿足《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)要求。

2.2 穩(wěn)定分析

堰壩的穩(wěn)定分析實(shí)際上是抗滑穩(wěn)定分析。對堰壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，是衡量堰壩安全的另一指標(biāo)。為了滿足堰壩的抗滑穩(wěn)定要求，需要對堰壩的不同截面進(jìn)行計(jì)算，如果某一截面的抗剪能力不足以抵抗該截面以上堰壩所承受的水平荷載時(shí)[4]，便可能產(chǎn)生滑動。由于壩體與地基接觸面的結(jié)合一般較差，加之壩體混凝土收縮和溫降收縮經(jīng)常使接觸面產(chǎn)生微小的裂縫，因此滑動往往是沿壩體與壩基的接觸面發(fā)生[5]，所以對堰壩的抗滑穩(wěn)定分析就是核算在各個(gè)荷載組合情況下壩底面的抗滑穩(wěn)定性。通過公式，計(jì)算基本組合下正常水位堰壩的安全系數(shù)以及特殊組合下校核水位堰壩的安全系數(shù)，來確定堰壩的抗滑穩(wěn)定性。

目前，堰壩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式有抗剪強(qiáng)度公式和抗剪斷強(qiáng)度公式兩種。本堰壩抗滑穩(wěn)定分析采用抗剪強(qiáng)度公式：

(2)

式中：K—安全系數(shù)；

∑W—作用于壩體滑動面以上的總鉛直力，kN；

∑P—作用在壩體滑動面以上的總水平力，kN；

f—壩體與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)，取0.45。

基本組合抗滑穩(wěn)定計(jì)算見表3，特殊組合抗滑穩(wěn)定計(jì)算見表4。

表3 基本組合抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

表4 特殊組合抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)，基本組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.05，特殊組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.00。從表3、表4可以得到，在基本組合和特殊組合下堰壩整體抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

3 過流能力分析

隨著計(jì)算機(jī)有限元模擬軟件的不斷發(fā)展，近年來Flow-3D軟件被廣泛應(yīng)用于水利工程中，F(xiàn)low-3D能夠快速地完成從仿真模擬到結(jié)果輸出的過程，而不需要其他后處理軟件[6]。Flow-3D生成網(wǎng)格的技術(shù)為自帶的劃分網(wǎng)格工具，不僅易于生成網(wǎng)格，而且建立的網(wǎng)格與幾何圖檔不存在關(guān)聯(lián)性，因此網(wǎng)格不受幾何結(jié)構(gòu)變化的限制。Flow-3D里的Favor技術(shù)能夠描述復(fù)雜的幾何外型，從而提高效率并且精準(zhǔn)地定義幾何外型。對于一般水流現(xiàn)象的數(shù)值模擬主要是通過對流體力學(xué)的“連續(xù)方程”“動量方程”及“能量方程”在計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行離散化，得到在有限計(jì)算節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格上的代數(shù)方程，同時(shí)引入適當(dāng)?shù)奈闪髂Ｐ?，最終形成大型代數(shù)方程組進(jìn)行求解[7-9]。

基于Flow-3D軟件，對鐵堰在不同上游水位時(shí)的兩種工況進(jìn)行模擬。一是只有主堰時(shí)的過流能力；二是在主堰后修建副堰，即同時(shí)存在主堰和副堰的過流能力。在Flow-3D軟件中分別導(dǎo)入堰壩的幾何模型(見圖2)，物理模型選擇RNG湍流模型，設(shè)置重力加速度方向向下，大小為9.81 m/s2，幾何模型網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格(見圖3)，網(wǎng)格尺寸為0.05 m3，確定邊界條件，上游進(jìn)水口設(shè)置為壓力邊界，左右兩岸以及河道底部設(shè)置為固壁邊界，下游出水口設(shè)置為自由流出。在上游進(jìn)水口分別設(shè)置了4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m、7 m的水位，并在下游出水口設(shè)置了流量監(jiān)測截面。

圖2 模型圖

圖3 網(wǎng)格劃分

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到在不同上游水位時(shí)鐵堰兩種工況下通過流量監(jiān)測面的流量。上游水位與流量的關(guān)系見表5。

表5 上游水位-流量關(guān)系表

由表5數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)上游水位低于6 m時(shí)，隨著上游水位的上升，兩種工況下的流量增長幅度基本一致；當(dāng)上游水位高于6 m時(shí)，主堰的流量增長幅度大于主副堰。在同一水位處，當(dāng)上游水位低于5 m時(shí)，主堰的過流能力略大于主副堰；當(dāng)上游水位高于5 m、低于6 m時(shí)，主堰的過流能力略小于主副堰；當(dāng)上游水位高于6 m時(shí)，主堰的過流能力大于主副堰。

根據(jù)上游水位與流量的關(guān)系表，繪制了曲線圖(見圖3)。

圖3 上游水位-流量關(guān)系曲線

兩種工況下堰壩在不同水位的過流能力對比，觀察圖3可知，當(dāng)上游水位低于6 m時(shí)，主堰和主副堰的過流能力基本相同，說明副堰的存在對過流能力影響不大；當(dāng)上游水位高于6 m時(shí)，主堰的過流能力開始大于主副堰，副堰的存在對過流能力有一定的影響，且水位越高影響越大。

4 結(jié) 論

金華市梅溪鐵堰水閘作為金華市歷史古跡，應(yīng)盡量維持鐵堰水閘的原貌。對攔河堰壩等水利樞紐除險(xiǎn)加固之后，攔河堰壩仍能發(fā)揮防洪與灌溉的功能。通過理論計(jì)算分析，加固后的堰壩在多種荷載不同的組合情況下其應(yīng)力狀態(tài)和抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范使用要求。結(jié)合當(dāng)?shù)厮那闆r，設(shè)計(jì)洪水位20年一遇以及校核洪水位50年一遇均低于5 m，通過Flow-3D軟件模擬堰壩在兩種工況下不同上游水位時(shí)的流量，得出當(dāng)上游水位低于5 m時(shí)，主堰的過流能力略大于主副堰，因此在主堰后修建副堰對鐵堰的過流能力基本沒有影響，副堰對堰壩的消能防沖作用有待進(jìn)一步深入研究。