摘 要：為了分析浪涌對水利工程的沖擊影響，本文構(gòu)建了浪涌固體流體的耦合模型。在此模型的理論基礎(chǔ)上，分析了浪涌過程中固體、流體的力學特征、應(yīng)力變化和邊界條件，從而為有限元分析設(shè)定了量化條件。在試驗過程中，對高水位和潰壩兩種情況進行仿真試驗，給出高水位情況下的浪涌變化規(guī)律和浪頭高度變化，對比不同潰壩量情況下的浪涌沖擊應(yīng)力變化和浪頭高度變化。

關(guān)鍵詞：水利工程；浪涌沖擊；高水位；潰壩

中圖分類號：TV 87 " 文獻標志碼：A

水利工程在經(jīng)濟建設(shè)和人民生活中都發(fā)揮著非常重要的作用，可以承擔水上運輸、蓄能發(fā)電、防洪泄洪等任務(wù)[1]。因此，在大量的江河水道上都興建了水利工程，以更加充分地利用水運和水能。但是，水利工程也面臨著諸多的隱患，必須充分考慮各種風險因素、量化評估、設(shè)置應(yīng)對預案，才能有效地保護水利工程、保證其平穩(wěn)運營[2]。在水利工程的各種影響因素中，浪涌沖擊是最常見、最嚴重的一種。在汛期，上游水位持續(xù)暴漲，會導致河道水位持續(xù)上漲，形成超出正常水平的高水位。在高水位情況下，浪涌會形成對壩體的反復沖擊，從而削弱壩體強度甚至導致壩體破壞[3]。在壩體出現(xiàn)潰壩的情況下，浪涌則會沖破壩體攔截，向下游釋放更大的沖擊，會帶來更大的影響和破壞。因此，量化分析浪涌的影響，可以使水利工程防患于未然，進行更有針對性的預防工作。本文針對水利工程面臨的浪涌問題構(gòu)建理論模型，并從高水位浪涌和潰壩浪涌兩個維度進行試驗。

1 浪涌過程的流體固體耦合理論與模型

河道中水的流動有多種形式，但無論何種形式的水流運動，都符合牛頓所建立的流體力學理論。當分析水流運動的各種規(guī)律時，三大守恒基本定律成為了數(shù)學基礎(chǔ)，可以從質(zhì)量、動量、能量3個維度構(gòu)建水流運動的基本方程，從而分析水流場中的速度、壓力、壓強等各種物理量。

從控制的角度構(gòu)建水流模型，也是一種適用的思路?？梢詫⒄麄€水流流體劃分成更小的微流單元，它具有特定的邊界、體積，并形成彼此連接的獨立可控單元，這樣可以形成從微觀到中觀，從中觀到微觀的雙向推演法則，從而解釋水流運動的規(guī)律。

河道中實際的水流運動方式是難以捕捉的，它們呈現(xiàn)的是一種非常復雜且隨機的運動形態(tài)，速度、壓力等指標都具有很大的不確定性。尤其是當浪涌發(fā)生時，情況就變得更復雜。

浪涌從形態(tài)上體現(xiàn)為水浪的形式，具有液體形態(tài)的波動性。同時，從運動特征上體現(xiàn)為涌，會帶有一定的沖擊力。在水流流動的過程中，大量的砂石也被卷入其中，形成了固態(tài)和液態(tài)的耦合運動方式。流體固體耦合的基本方程如公式（1）所示。

ρd=?σ+F " " " " " " " " " " " （1）

式中：ρ為浪涌過程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的密度；d為浪涌過程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的位移；σ為浪涌過程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的柯西應(yīng)力；F為浪涌過程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的力。

進一步可以推導浪涌過程中的動力學邊界條件，如公式（2）所示。

（2）

式中：σf為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體應(yīng)力；σs為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體應(yīng)力；nf為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體應(yīng)力方向；ns為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體應(yīng)力方向；df為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體位移；ds為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體位移；qf為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體熱流量；qs為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體熱流量；Tf為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體熱溫度；Ts為浪涌過程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體熱溫度。

在上述模型的支撐下，可以在有限元分析軟件中，量化浪涌過程的影響，進行仿真試驗，并加以觀測。

2 高水位情況下浪涌對水利工程的沖擊影響及試驗

在試驗過程中，從兩個角度對浪涌的沖擊影響進行分析，分別是高水位情況下的沖擊和出現(xiàn)潰壩情況下的沖擊。需要觀察在高水位情況下，浪涌的沖擊影響。

試驗環(huán)境以Ansysis有限元分析軟件為平臺，以河道攔截壩體為水利工程研究對象，將壩體材料的密度設(shè)定為2200kg/m3，壩體材料的彈性模量設(shè)定為2500MPa，壩體材料的剪切模量設(shè)定為1200MPa，壩體高度設(shè)定為100m。河道為具有落差的階梯型（形）河道，上游水位為80m，下游水位為60m，上下游之間存在20m的落差。在高水位的情況下，落差導致浪涌并向下游（左側(cè)）的攔截壩體產(chǎn)生沖擊。

在剛發(fā)生浪涌后，上下游的水位仍然保持相對穩(wěn)定，上下游落差處以相對均勻的瀑布流為主。但是因為上游水位高、水量持續(xù)變大，浪涌沖擊不斷增強，所以在浪涌發(fā)生后的幾秒內(nèi)，落差處的均勻瀑布流就被打破，形態(tài)開始出現(xiàn)波浪，并且沖向下游的壩體。當浪涌發(fā)生10s后，浪涌形成了連續(xù)的波浪，對左側(cè)攔截壩體進行反復沖擊和拍打，浪涌發(fā)生30s后，上下游水位間落差急劇減少，下游水位急劇升高，浪涌幅度變小，壩體開始承受更大的壓力。整個浪涌對壩體的沖擊過程的仿真結(jié)果如圖1所示。

進一步觀察浪涌發(fā)生時，浪涌的高度變化。當浪涌剛開始出現(xiàn)時，因為下游水位低，下游河道內(nèi)的整體水量不多，所以浪頭的高度并不大。但是隨著第一波浪涌的發(fā)生，浪頭高度迅速拉升形成局部最高位后又開始回落，其后在相對高位小幅度波動。當上游水量大量注入下游時，浪頭的高度會出現(xiàn)第二次拉升，這一次拉升到整體最高位（基本接近壩體的最大高度）后在高位趨于穩(wěn)定。從理論上講，上游水量繼續(xù)增加，還會導致浪頭高度的再次拉升，但是再次拉升會超過壩體最大高度，形成外泄，就不將其作為浪涌沖擊。這個過程的浪涌高度變化曲線如圖2所示。

3 潰壩情況下浪涌對水利工程的沖擊影響及試驗

針對發(fā)生潰壩的情況下，分析浪涌所帶來的沖擊影響。在浪涌的反復沖擊下，有時會出現(xiàn)極限情況，即河道攔截大壩出現(xiàn)潰口。這種潰口可能并不會馬上引起大壩坍塌，但會使浪涌部分溢出，從而導致浪涌對壩體的沖擊影響有了新的改變。

當潰壩發(fā)生1s時，潰口的地方就已經(jīng)有了流速。到第2s時，潰壩水流流動了一段時間且潰壩首浪也已經(jīng)生成，潰壩首浪的流速是比潰口處的水體流速快的，但是兩者的流速都很快。隨后潰壩水流繼續(xù)下泄，5s時形成了氣體空腔，并且氣體空腔逐漸變大，潰壩首浪繼續(xù)向前流動，越來越多的地方有了流速分布。當10s時，通過整個水面的流速分布云圖可以看出，潰壩首浪靠近兩岸的水體流速快于中間潰壩首浪的流速。隨著潰壩水流的推動，當15s時，在下游庫區(qū)內(nèi)，幾乎每個地方都有了流速分布。當20s時，庫區(qū)兩側(cè)的潰壩首浪到達壩體的上游壩面，由于壩體的阻礙作用，因此達到壩體壩面的水體開始沿著壩體上游壩面和庫區(qū)兩岸爬高。隨后中間潰壩首浪也到達壩體上游壩面，并且開始沿著壩體上游壩面爬高。由于沒有后續(xù)水體的跟進潰壩，因此首浪開始回落，回落的水體和受到重力壩反作用的水體開始逆流而上，回流的水體遇上潰壩向下流的潰壩水體，兩者就會產(chǎn)生相互作用，整個河道的水面流速值也在變慢。在這種相互作用下，河道的水面慢慢趨于穩(wěn)定，整個水面的流速分布也慢慢趨于平靜。上述過程的仿真結(jié)果，如圖3所示。

當潰壩發(fā)生時，浪涌給壩體帶來了較大的沖擊力。因此，進一步利用Ansysis軟件分析浪涌過程中潰壩壩體所承受的應(yīng)力變化。在試驗中發(fā)現(xiàn)，潰口一般發(fā)生在壩體上方位置，在潰口出（處），浪涌同時起到?jīng)_擊受阻和沖出垂直下落的作用，因此導致沖擊應(yīng)力最大。在沿著潰口向兩側(cè)邊緣的位置上，浪涌對壩體的沖擊都是比較大的。同時還發(fā)現(xiàn)，浪涌對壩體的沖擊力，具有層次上的變化。越是靠近上層水位，浪涌的沖擊力越大。因此，沖擊應(yīng)力最大的位置都在最上層水位。中下層水位基本沒有水體流動，不產(chǎn)生流速或者流速很慢，不會對壩體產(chǎn)生沖擊。此時可以得到潰壩時浪涌對壩體的沖擊力變化云圖，如圖4所示。

在潰壩發(fā)生后，壩體潰口的潰塌總量是不同的。浪涌的沖擊越嚴重，潰壩量占壩體總量的占比越高，而在不同潰壩量的情況下，又會反過來影響浪涌的浪頭高度和浪涌的沖擊效果。在試驗中發(fā)現(xiàn)，潰壩量占比越大，潰口越大，浪涌的浪頭高度越大，浪涌對壩體的沖擊越明顯。在試驗中，分別對比了潰壩量占壩體總量20%、潰壩量占壩體總量30%、潰壩量占壩體總量40%這3種情況，得出浪涌的浪頭高度變化對比曲線，如圖5所示。

4 結(jié)論

目前，我國在大量的江河水道上興建水利工程，更加充分地利用水運和水能。但是，水利工程也面臨著諸多的隱患，必須充分考慮各種風險因素、量化評估、設(shè)置應(yīng)對預案，才能有效地保護水利工程、促使其平穩(wěn)運營。在水利工程的各種影響因素中，浪涌沖擊是最常見也最嚴重的一種。本文提出了浪涌固體流體的耦合模型，從理論層面上分析浪涌對河道大壩的影響，并從高水位和潰壩兩個維度上進行浪涌沖擊影響的仿真試驗，給出了流速場、應(yīng)力變化、浪頭高度等量化結(jié)果。

參考文獻

[1]許強，鄭光，李為樂，等.2018年10月和11月金沙江白格兩次滑坡-堰塞堵江事件分析研究[J].工程地質(zhì)學報，2018，26（6）：1534-1551.

[2]殷躍平，李濱，張?zhí)锾?，?.印度查莫利“2·7”冰巖山崩堵江潰決洪水災害鏈研究[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2021，32（3）：1-8.

[3]傅旭東，劉帆，馬宏博，等.基于物理模型的唐家山堰塞湖潰決過程模擬[J].清華大學學報（自然科學版），2020，50（12）：1910-1914.