高安水库溢洪道挡墙结构特征对静力场与渗流场稳定性影响研究

范吉星

(广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340)

水工建筑设计水平决定了结构安全稳定性，但并不仅仅局限于影响结构静力稳定性[1-2]，对动力响应水平、甚至对流场都具有较大影响[3-4]，故而研究水工结构设计参数对静力场、渗流场综合影响很有必要，特别是设计方案优化分析过程中，更应综合考虑两场影响特性。一些专家与学者利用水工运营与模型试验关联性，根据模型试验理论设计开展了不同方案下的水工模型试验对比，基于试验结果评价水工方案的利弊性，其结果主要依赖于流场的对比[5-6]。刘菊莲[7]、庞敏敏[8]利用了流场模拟平台开展了水工结构的渗流场分析，通过研究流场的压强、水位及流速等参数变化，分析水工设计方案的优化性及改进方向，为工程建设提供计算依据。杨微等[9]、杨镇全[10]、杜锦宇等[11]基于ANSYS、ABAQUS、Midas GTS等数值模拟平台，建立了水利计算模型，叠加不同荷载计算结构应力、位移的量值变化与分布特征，从而探讨结构设计与静力运营安全性关系。综合考虑，水工结构设计应结合静力场与流场影响，本文在高安水库溢洪道挡墙结构设计背景下，利用仿真计算手段开展了结构设计参数对“两场”的影响分析，为工程设计优化参数提供参考。

1 工程概况

高安水库是赣江水系锦河支流上重要的水利枢纽设施，其在锦河支流上控制赣江中下游水系，承担着区域内防洪排涝、蓄水调度、发电等水利功能。该水利枢纽工程包括蓄水库、多阶级溢洪道、引水工程、大泄洪闸及防洪主坝，全枢纽工程可直接控制流域面积超过31 km2，正常运营期可满足地区超过0.17万hm2农田灌溉。由于高安上游水库运营年限较长，部分水利设施出现渗漏及运营效率降低的现象，因而管理部门考虑对该水利枢纽工程开展加固改造，计划扩建上游蓄水库总库容超过2200万m3，采用水下清淤方式沉降浮沙，确保水库原有正常蓄水位58.0 m增加至62.5 m。另一方面，防洪主坝也相应升级，设计防浪墙与防渗面板，在局部区段增设沥青心墙体，厚度控制在30～75 cm，且心墙率适配于现有主坝运营参数，确保增设结构构件与现有运营设施安全过渡。加固后主坝最大坝高为69.8 m，平均坝高为64.7 m，并为运营监测方便在所有增设结构体中均安装监测传感器，对坝身内渗流场及上、下游岸坡压强开展监测，确保主坝防洪安全性。溢洪道在原有多阶级基础上开展阶梯式溢流面改造，降低水力势能对下游水工建筑消耗，原有溢洪道断面全长为20 m，溢洪道剖面长度增大28%，且增长区域集中在溢流面段，采用多阶梯式设计，每个阶梯高为0.38 m，最大程度削弱泄洪带来的水力冲刷势能影响。同时，溢洪道不仅加长断面距离，且在溢洪道下游增设消能池，在原有明渠泄流基础上增设有坎高为0.55～0.75 m 的消能坎，多层次减少水力势能。由于溢洪道运营期内水力势能对周边下游的引水设施、泄流设施具有较大影响，因而考虑在溢洪道突逸点设置挡墙设施与支臂式控流闸门。该类型闸门计划在溢洪道、泄洪闸等高安水库重点控流区域采用，配备有双支臂系统，横、纵连系梁在面板上具有稳固作用，每根横梁均采用型钢制成。目前，闸门设计参数已在泄洪闸中得到较好实际应用，但挡墙的设计参数还有待优化，特别是挡墙结构的面板、扶壁等尺寸参数。因而，针对性解决溢洪道挡墙结构设计参数优化分析乃是工程设计水平进一步提升的重点。

2 设计模拟

为构建挡墙结构模型，本文在简化相关水工建筑结构基础上，采用COMSOL有限元仿真平台建立挡墙几何模型[12]。该几何模型沿溢洪道建立，采用工程地基实际岩土层参数。该模型在研究之初已设定扶壁厚度为0.8 m，且扶壁厚度设计参数的差异性不影响面板迎水侧渗流特征。本文各研究方案在确保结构其他参数一致前提下，重点探讨面板厚度参数最优性，设定挡墙面板厚度分别为0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m，方案的设定是在考虑扶壁厚度与面板厚度之间0.5～2.0倍关系基础上。

基于挡墙结构设计分析，采用COMSOL有限元平台对扶壁式挡墙结构进行网格划分，以三面体为微单元，共获得132 682个网格单元，节点数146 826个。划分后的挡墙单元模型可导入至FLUENT渗流场仿真平台中开展流场计算，流场断面计算距离控制在与溢流面距离相当的挡墙断面区域。

研究该挡墙结构面板厚度参数不仅仅需要考虑结构静力场稳定性，对结构参数的改变引起的流场变化也必须重视，因而本文针对静力场稳定性计算主要叠加结构自重、水压力，不考虑动水压力影响，按照上游水库正常蓄水位计算挡墙迎水侧水压力参数。该模型的顶部设定为零约束条件，但底板的存在必须设定底部为法向约束。在该模型中X、Y、Z三个正方向均与COMSOL几何模型中一致，即分别为下游消能设施水流向、横水流右岸向及自重应力方向。由于扶壁式挡墙结构复杂性，以挡墙重要部位为分析重点，包括挡墙结构的扶壁构件、面板及踵板部位，各部位所在如图1所示。基于上述重点部位的静力场稳定性及面板迎水侧流场特征，评价面板结构厚度最优参数。

图1 挡墙结构重要部位

3 挡墙结构特征与静力场关系

3.1 应力特征

基于对各面板厚度参数方案开展结构静力场计算，获得挡墙各重要部位最大拉应力与面板厚度参数关系，如图2所示。从图中可观察得知，挡墙最大拉应力位于踵板处，其在各方案中分布为1.48～6.60 MPa，而面板、扶壁部位最大拉应力相比前者分别减少了34.2%～48.5%、19.2%～83.5%，分析表明不论面板厚度参数如何变化，挡墙结构上张拉应力集中区域以踵板为主，该部位处的抗拉效果应是结构设计关注重点。另一方面，当面板厚度参数增大，踵板、面板上拉应力均随之递减，但降低趋势在面板厚度1.2 m后出现减缓特征，以面板厚度0.4 m为例，该方案下踵板最大拉应力为4.34 MPa，而厚度为0.8 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m方案下拉应力相比之分别减少了56.0%、78.8%、79.6%、79.7%；从降幅区间来看，在面板厚度0.4～1.2 m方案区间内，当厚度增大0.2 m，踵板最大拉应力平均可减少30.3%，但设计参数超过该方案边界值后，其拉应力降幅较低，平均降幅仅为2.2%；从结构重要部位拉应力表现可知，控制面板厚度设计参数位于合理区间即可，过大的面板厚度不利于结构设计“性价比”的科学性[13]。此种现象在面板部位上也是如此，当面板厚度位于0.4～1.2 m方案区间内时，随各方案间厚度0.2 m增长，面板上最大拉应力平均降幅为28.8%，最大降幅超过33.4%，而厚度超过1.2 m设计值后，其最大拉应力平均仅减少2.6%。与前两者部位有所不同的是，扶壁最大拉应力在各方案中均处于较稳定状态，维持在0.7 MPa左右，各方案间最大变幅仅为1.2%，厚度0.4～0.6 m两方案间，即扶壁拉应力分布状态受面板厚度设计参数影响较小。综合各部位拉应力表现可知，选择面板厚度最适参数即可，而在厚度1.2 m时满足结构最优“性价比”。

图2 随设计参数最大拉应力变化特征

同理，根据静力场稳定性计算，可获得结构压应力随方案参数变化特征，如图3。分析图中变化特征可知，结构压应力最大位于踵板，各方案中最大压应力分布为10.3～19.1 MPa。不同于各部位拉应力的差异变化特性，压应力随面板设计参数均为先增后减变化，厚度1.2 m方案下压应力为各部位最大，此方案下挡墙结构预压效果最好，对拉应力的“扩散”效应最佳。面板厚度设计参数对结构各部位压应力影响可分为递增与抑制区间，分别为0.4～1.2 m与1.2～1.6 m方案区间，在前一方案区间内，随方案间厚度0.2 m增长，踵板、扶壁及面板部位最大压应力分别平均可增长16.7%、17.0%、21.6%，而在后一区间内，各部位的压应力平均降低10.1%、14.3%、10.6%。从结构预压效果及承拉应力重分布来看，控制面板厚度位于递增区间更为适配，而拉应力分析指出的厚度1.2 m方案正与压应力表现结果一致，故从压应力表现也应调整面板厚度为1.2 m。

图3 随设计参数最大压应力变化特征

3.2 位移特征

位移特征表现了结构设计的静力场长期安全稳定性，依据仿真计算获得了面板厚度参数与结构各向位移变化特征，如图4所示。依据图中位移变化可知，Z向位移为最高，即结构自重应力决定了结构静力场位移方向变化，Z向位移分布为4.94～14.52 mm，而X、Y向位移较之分别减少了30.9%～36.8%、46.8%～65.1%。当面板厚度参数每增大0.2 m，X向位移在厚度1.2 m时为3.38 mm，而较之厚度0.4 m、0.8 m时分别减少了66.3%、29.7%，但厚度1.4 m、1.6 m时较之又分别增长了38.1%、87.5%，即在厚度1.2 m处结构位移变化趋势发生逆转变化。当厚度为0.4～1.2 m区间内时，X向位移随之各方案平均减少23.4%，而在厚度1.2～1.6 m区间内，却平均递增为36.9%。同样的现象在Y、Z向位移中均是如此，在厚度0.4～1.2 m区间分别为平均递减28.1%、36.7%，而在厚度1.2～1.6 m区间平均递增39.8%、61.1%。不可忽视，三向位移中受面板厚度参数影响最为敏感属Z向，因而其位移趋势也是面板厚度设计重中之重[14]，从图中数据变化可知，在应力表现效果评价厚度1.2 m的最优前提下，位移特征表现也是如此，该方案下适配性较高。

图4 随设计参数各向位移变化特征

4 挡墙结构特征与渗流场关系

为分析挡墙面板结构设计参数对流场影响，本文以FLUENT流场模拟平台计算获得的区域流速参数变化特征为分析对象，由静力稳定性计算分析得知面板厚度1.2 m方案更为适配，故而流速参数计算重点验证该方案，如图5所示。

从图中各方案下区域内流速参数变化可知，当面板厚度参数愈大，对流速限制效果越好，在相同断面5 m处面板厚度0.4 m的流速为1.37 m/s，而厚度增大至1.0 m、1.2 m、1.6 m后，该断面处流速较之分别减少了37.5%、48.1%、72.0%；从平均流速来看，面板厚度0.4 m方案下全断面上平均流速为1.37 m/s，而方案间厚度增大0.2 m，可导致断面平均流速值损失24.4%。当面板厚度愈大，对水流水力势能削弱愈强，此时流速水平受约束降低，但流速过低，势必会造成挡墙面板迎水侧流域内泥沙悬浮过多，含沙量较大，泥沙淤积导致挡墙底板水位抬高，不利于结构运营安全性。因而，确保流速位于科学合理状态最佳[15-16]。从流速稳定性来看，面板厚度过大或过小，均会造成局部断面处流速波动，特别是面板厚度较小时，如厚度0.4 m、0.8 m方案中，断面流速波动性较大，在此两方案中断面间最大波幅分别超过12.6%、10.1%，极易造成流场内紊流、涡旋等现象。当面板厚度在1.4 m、1.6 m较大值时，其断面上流速集中在下游或上游出现局部的不稳定现象，此与面板厚度过大，削弱了水流的边界扩张能力，导致流速出现不稳定扩展现象。从流场安全角度考虑，面板厚度1 m与1.2 m更为适配，但由于厚度1.2 m方案在结构静力场分析中更占技术优势，因而确定面板厚度1.2 m较为科学。

图5 各方案下断面流速特征

5 结 论

(1)踵板处拉、压应力均为最大；随方案参数变化，踵板与面板拉应力在厚度0.4～1.2 m方案区间内分别平均减少30.3%、28.8%，而在厚度1.2～1.6 m区间内平均降幅仅为2.2%、2.6%，扶壁上拉应力在各厚度参数方案中稳定在0.7 MPa；最大压应力随厚度参数均为先增后减变化，厚度1.2 m方案下各部位压应力最大。

(2)挡墙Z向位移最大；随方案厚度增大0.2 m，在厚度0.4～1.2 m区间内，X、Y、Z向位移分别平均减少23.4%、28.1%、36.7%，而在厚度1.2～1.6 m区间内分别平均递增36.9%、39.8%、61.1%，各向位移均以厚度1.2 m方案下最小。

(3)厚度参数愈大，愈可限制流速水平，厚度增大0.2 m，各方案的平均流速差幅为24.4%；厚度过大或过小，均会导致流速出现波动，厚度0.4 m、0.8 m方案中断面流速最大波幅分别超过12.6%、10.1%，厚度1.0 m与1.2 m方案下流速稳定性最佳。

(4)综合结构静力场与渗流场，认为面板厚度1.2 m方案为最优。