基于二维水动力模型的水工建筑物设计方案

2020-02-28陈红兵

水科学与工程技术 2020年1期

陈红兵

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆和田 848000）

水工建筑物在设计时，考虑到个性突出、工程规模一般较大，风险也大、施工过程中外界影响因素较多及设计问题众多等特征［1］。每个水工建筑都有其自身独特的特点，同时设计时需要综合考虑多种自然与人为因素的影响，因此提出基于二维水动力模型的水工建筑物设计方案。通过研究水工建筑物可行性、确定水工建筑物的等级，依托建立的二维水动力数学模型，完成水工建筑物的结构可靠性、抗震性设计，结合安全性校验实验，完成了本文的研究。

1 水工建筑物初始设计

1.1 水工建筑物可行性分析

在进行水工建筑物初始设计时，首先要对水工建筑物所在区域的自然地理、地质、水文、气象、社会经济及相关规程与规范进行调研，为进行可行性调研奠定基础。

论证拟在建水工建筑物在技术上的可能性、经济上的合理性及开发次序上的迫切性。包括：初拟主要水文参数、查清主要地质问题、选定工程地址、估算淹没补偿和对环境的影响、初定工程等级、建筑物等级、主要建筑物形式、轮廓尺寸和枢纽布置方案、装机容量和机型、估算主要工程量、初拟施工导流方案、主体工程的施工方法、施工总体布置和总进度、估算工程总投资、进行经济分析和评价、阐明工程效益等，即研究可行性研究报告［2］。研究可行性报告是既满足水工建筑物所应满足的各种条件，又使其工程量或工程费用最省的基础。

1.2 水工建筑物等级确定

确定水工建筑物的等级，不同等级的水工建筑物的不同要求主要体现在：抗泄洪的能力、强度和稳定性、建筑材料及运行可靠性上。水工建筑物又分永久水工建筑物和临时水工建筑物，二者等级划分如表1、表2：

表1 永久水工建筑物的等级划分

表2 临时水工建筑物等级划分

主要建筑物是指坝、泄洪建筑物、输水建筑物及电站厂房等，主要建筑物失事后会对下游造成严重的灾害，同时严重影响水工建筑物的经济效益。次要建筑物是指挡土墙、挡流墙、工作桥及护岸等，次要建筑物失事后不会对下游造成严重的灾害，同时几乎不影响水工建筑物的经济效益，修复性高。

完成水工建筑物初始设计后，依托初始设计结果，建立二维水动力数学模型，对水工建筑物的结构进行设计。

2 基于二维水动力模型的水工建筑物结构设计

2.1 建立二维水动力数学模型

二维水动力模型是为在实验室中模拟复杂的自然环境中水的动态变化，即水中物质的扩散过程而制作的小规模模型。用以预测当时环境与某种影响时所发生的变化，其水平方向及深度方向的比例不同，按相似规律设计而成［3］。可根据试验目的确定组合支配各种现象和变化过程的因子并观察模型中（如设计的河流、湖泊、海湾等模型）污染物扩散规律和情况。

为适用于非恒定流水的水工建筑物，基于明渠和管道连接，设计了二维水动力数学模型，通过二维水动力模型解决水工建筑物耦合计算的问题［4］。为了研究基于二维水动力模型的水工建筑物的结构设计，需要分析水工建筑物有压、无压管流控制方程。有压、无压管流控制方程如式（1）：

式中 H为压力水头；t为时间；z为水位；c为波速；V为断面平均流速；c为波速；g为重力加速度；渍为管道倾角；x为横坐标。

有压、无压管流控制动量方程如式（2）：

式中 J为摩阻水头损失。

分别建立水工建筑物有压、无压管流控制的连续性、动量方程，完成二维水动力数学模型的搭建。通过搭建的数学模型模拟水工建筑物的非恒定流水，依托模拟的非恒定流水完成水工建筑物的结构可靠性、抗震性设计。

2.2 水工建筑物结构可靠性设计

任何结构都有失效的可能，即绝对安全的结构不存在，因此设计结构采用相关变量均为随机变量。

利用二维水动力数学模型模拟准确度，计算结构和地基的受力特点。并利用结构安全等级确定材料抗力、勘测方法的取值规则，选取安全实用的建筑材料［5］。

一般在水工建筑物结构可靠性设计中，应用的坝、泄洪建筑物的高度应高于施工期可能出现的最高水位0.5～0.7m（包括最高浪高），坝、泄洪建筑物的基底应比水工建筑物的基础的平面宽0.5～1.0m。考虑到排水设施会受到河水流速增大的影响，对水工建筑物坝、泄洪建筑结构和断面进行设计，来确保水工建筑物的自身性能。针对水工建筑物下沉幅度大的缺点，设置钢围堰基础，在其内部设置水位监测装置，控制钢围堰基础的稳定性，保证坝、泄洪建筑物基础受力稳定，减少水工建筑物结构发生滑移的概率。其次利用优选法寻求抗滑安全系数最小值及其对应的滑裂面参数，对土石坝进行可靠性设计，应用最小数学规划问题对重力坝、拱坝结构进行可靠性设计。

经过可靠性设计，水工建筑物在区域水库承载能力极限状态下，如有轻微破坏，经加固维修后仍可正常运行。

2.3 水工建筑物结构抗震性设计

我国地震活动频繁，水工建筑物的抗震设计和抗震安全性评价，是水工结构学科研究的重要内容。利用建立的二维水动力数学模型，完成抗震计算，并采取相应抗震措施。

水工建筑物所在区域设计烈度为6°时，水工建筑物能够采取相应抗震措施即可；当设计烈度高于9°时，水工建筑物需进行专门的抗震研究，使水工建筑物能抵设计烈度的地震，如有轻微破坏，经加固维修后仍可正常运行［6］。

为了确保地震时，水工建筑物的防渗漏、防冲击性能，在进行水工建筑物的结构抗震性设计时需要检测结构刚度，良好的结构刚度能够保证水工建筑物具有良好的抗水流冲击能力。在设计水工建筑物接头时，严格按照水工建筑设计规范进行设计，同时严格设计验收工序，只有设计与检验相结合，才能确保水工建筑在地震时的具有优质的防渗漏、防冲击性能。

坝、泄洪建筑物、输水建筑物往往是水工建筑物的一部分，其结构抗震性设计既涉及水流条件，又涉及本身结构、周围建筑物及下游的经济和技术指标。利用二维水动力数学模型模拟在设计烈度下，坝、泄洪建筑物、输水建筑物分别处于承载能力极限状态和正常使用状态下，水流条件及本身结构的形变量。在极限情况下，通过调整材料耐震系统，增加水工建筑物的结构抗震。

依托建立的二维水动力数学模型，完成水工建筑物的结构可靠性、抗震性设计，通过安全性校验实验，完成基于二维水动力模型的水工建筑物方案设计。