河道生态修复低水头液压坝工程设计探讨

程 达

(江苏省常熟市辛庄镇农村工作局，江苏 常熟 215500)

1 概 述

在河流综合治理中，相较于其他坝体，液压坝具有泄洪能力强、操作方便等优点，在工程建设中得到广泛应用。

近年来，许多学者针对液压坝的受力特点及优化设计进行了相关研究。俞昊捷等[1]以折叠液压坝为研究对象，利用有限元软件，研究其应力分布情况，分析泥沙堆积高度对其受力情况的影响。梁荣荣等[2]分析不同工况下，液压坝紊动能的变化情况。王雪岩等[3]基于BIM技术对某地区液压坝进行优化设计，对比液压坝优化前后的相关力学指标变化情况，验证了优化结构的可靠性。任春平等[4]以某地区液压坝为研究对象，利用Delft3d软件，基于数值模拟分析液压坝对洪水演进的影响。刘磊等[5]以某地区液压坝为研究对象进行优化设计，研究地质条件对液压坝稳定性的影响。

本文基于有限元软件，对液压坝的结构稳定性进行分析，研究不同支撑高度、不同角度对液压坝支撑力、最大应力、最大位移的影响规律。

2 有限元模型的建立

研究项目位于某地区河道，控制流域面积为2 314km2。该地区为半干旱大陆性气候，水文地质条件良好，夏季降水量较大，为396.7mm，以暴雨为主。该河道长3.6km，壅水坝总蓄水长度3.3km，蓄水量56×104m3。液压坝坝轴线垂直于河道，坝长为135m，上坝高2.5m，坝后水深为0.5m。

本研究采用有限元软件对液压坝面板进行数值模拟分析，液压坝面板主要材料为钢，有限元模型相关参数见表1。

表1 有限元相关参数

在有限元模型中，考虑不同工况下液压坝的受力情况，分别设置液压坝面板与水平夹角为15°、30°、45°、60°、75°，设置液压缸与坝面的接触位置见图1。当液压缸与液压坝面板的接触位置过高或过低时，都会导致面板产生弹性变形，导致其结构发生破坏。

图1 液压缸与坝面接触位置

由于液压坝面板会受水压力的影响，为使水面处压强为0，在建立有限元模型时，对其施加水压力场，以保证其不受水压力影响。相关参数见表2。

表2 有限元相关参数

3 有限元分析

3.1 液压缸支撑力分析

液压坝面板上的液压缸为对称分布，所以仅选取一侧的液压缸进行有限元分析，分别对9个支撑位置在不同角度下的液压缸支撑力进行分析。不同接触位置各角度液压缸支撑力见图2。

图2 液压缸支撑力

由图2可知，支撑位置1、2、3的支撑力变化趋势接近；随着角度的变化，其变化趋势较为平稳。当角度为15°时，有最小液压缸支撑力；3个位置的最大支撑力位置为支撑位置2，其值为161.72kN；最小支撑力位置为支撑位置1，其值为161.39kN。当角度为75°时，有最大液压缸支撑力；3个位置最大支撑位置为支撑位置2，其值为188.22kN；最小支撑力位置为支撑位置3，其值为182.51kN。

支撑位置7、8、9的支撑力变化差异性较大。支撑位置7的支撑力最小，支撑位置9的支撑力最大。支撑位置7与支撑位置9的支撑力受角度变化的影响较小，随着角度的增大，其支撑力的变化较为平缓。支撑位置8的支撑力受角度变化的影响较大，随着角度的增大，其变化趋势波动较大。当角度为60°时，支撑位置7的支撑力有最大值，为1 797.69kN；当角度为30°时，支撑位置7的支撑力有最小值，为1 293.65kN。

支撑位置为1、2、3时，支撑高度为4.5m；支撑位置为4、5、6时，支撑高度为3.75m；支撑位置为7、8、9时，支撑高度为3m。由图2可知，当支撑高度较大时，角度变化对于支撑力的影响较小；当支撑高度较小时，角度变化对于支撑力的影响较大。这是由于支撑力主要受支撑力和力臂影响，在液压坝面板所受阻力不变的情况下，当支撑高度较大时，其力臂较大，所受支撑力较小；反之，所受支撑力较大。

3.2 坝面最大应力分析

为分析坝体的强度特性，通过有限元计算其最大应力，见图3。

图3 坝面最大应力

由图3可知，当角度为75°、支撑位置为9时，有最大应力为213.88MPa；当角度为15°、支撑位置为3时，有最小应力为23.28MPa。当支撑高度为4.5m时，支撑位置1、2、3的最大应力差距较小，其间的最大应力为角度为75°、支撑位置为3时，其值为44.91MPa。随着支撑高度的减小，同一支撑高度的最大应力曲线的差异性逐渐增大。当支撑高度为3m时，最大应力为213.88MPa，最小应力为173.7MPa，差值为40.18MPa。当支撑高度为3.75m时，最大应力为89.86MPa，最小应力为66.78MPa，差值为23.08MPa。当支撑高度为4.5m时，最大应力为44.91MPa，最小应力为23.28MPa，差值为21.63MPa。随着支撑高度的增大，最大应力逐渐减小。随角度的增大，各支撑位置的最大应力变化无明显规律，大多数支撑位置的最大应力变化趋势较为平缓。这是由于液压坝在与水面接触时，仅受水的压力作用，而没有与水面接触的面不受其他力的作用，除了液压缸之外，其他部分均为自由受力状态。且液压坝所用建筑材料为Q235，其在水的压力作用下变形较小，持续处于弹性阶段，未发生破坏。随着支撑高度的减小，液压坝受力状态发生改变，使其最大应力逐渐增大。

3.3 坝面最大位移分析

液压坝的变形主要集中于坝顶两侧、中间及中下位置，所以本研究针对上述位置进行研究，分析不同支撑位置及支撑高度最大位移随角度的变化情况。液压坝坝顶两侧位移见图4。

图4 坝顶两侧位移

由图4可知，当支撑高度为4.5和3.75m时，各支撑位置的坝面两侧位移相对较为集中。但总体而言，其支撑高度为3.75m的坝面两侧位移大于支撑高度为4.5m时的坝面位移。其中，当支撑位置为6、角度为75°时，有最大坝面两侧位移，其值为57.34mm；当支撑位置为4、角度为15°时，有最小坝面两侧位移，为21.4mm。支撑位置为1、2、3、6的坝面两侧位移均与角度呈相关关系，随着角度的增大，其坝面两侧位移逐渐增大。支撑位置为4、5的坝面两侧位移，随角度的增大呈先增大后减小的趋势。当支撑高度为3m时，坝面两侧的位移呈现显著的差异性，且其坝面两侧位移变化随角度变化无明显的变化趋势。当支撑高度为3m、支撑位置为8时，有坝面两侧最大平均位移，其值为122.25mm。当支撑位置为7时，有坝面两侧最小平均位移，其值为97.03mm。当支撑位置为8时，有最大坝面两侧位移，其值为122.5mm。此时，最大位移已超过坝体所能承受的最大值，坝体发生变形，导致结构破坏。

为研究液压坝中点位移情况，计算分析坝顶中点位移，其不同支撑位置、不同支撑高度随角度变化的坝顶中点位移图见图5。

图5 坝顶中点位移

由图5可知，当支撑位置为8时，坝顶的中点位移较为突出，为所有支撑位置中的最大值，平均中点位移为122.08mm。此时发生的位移已超过规范所规定的最小值，导致结构变形较大，导致结构发生破坏。当支撑位置为7时，坝顶的中点位移最小，平均中点位移为24.6mm。当支撑高度为4.5m时，坝顶的中点位移平均值为40.09mm；当支撑高度为3.75m时，坝顶的平均中点位移为43.46mm；当支撑高度为3m时，支撑位置7、9的平均中点位移为40.75mm。可见，除支撑位置8之外，支撑高度对于中点位移的影响较小，不同支撑高度下，坝顶的中点位移平均值差距较小；支撑高度的变化对于坝顶中点位移的影响较小。在同一支撑位置下，角度与坝顶中点位移呈正相关关系，随着角度的增大，坝顶中点位移逐渐增大。

3.4 坝面中心最大位移

为研究液压坝中心最大位移情况，计算分析其坝面中心位移，其不同支撑位置、不同支撑高度随角度变化的坝面中心位移见表3。

由表3可知，当角度为75°、支撑位置为2时，有最大坝面中心位移，其值为47.02mm；当角度为15°、支撑位置为4时，有最小坝面中心位移，其值为22.57mm。当支撑位置为8时，坝面中心平均最大位移最小，其值为26.26mm；当支撑位置为9时，有坝面中心平均最大位移最大值，为43.26mm，不同支撑位置的中心最大位移差异性较大。这是由于支撑位置9靠近坝面的外侧，支撑位置4靠近坝面的中间位置，在受到外力时，靠近坝面外侧的位置会产生外翻现象，导致其变形严重，所以支撑位置9的坝面中心变形最大。

表3 不同角度下坝面中心位移 /mm

4 结 论

本文基于有限元软件，对液压坝的结构稳定性进行研究，分析不同支撑高度、不同角度对液压坝支撑力、最大应力、最大位移的影响规律，结论如下：

当支撑高度较大时，角度变化对于支撑力的影响较小；当支撑高度较小时，角度变化对于支撑力的影响较大。这是由于支撑力主要受支撑高度和力臂影响，在液压坝面板所受阻力不变的情况下，当支撑高度较大时，其力臂较大，所受支撑力较小；反之，所受支撑力较大。

随着支撑高度的增大，最大应力逐渐减小。随着角度的增大，各支撑位置的最大应力变化无明显规律，大多数支撑位置的最大应力变化趋势较为平缓。这是由于液压坝在与水面接触时，仅受水的压力作用，而没有与水面接触的面不受其他力的作用，除了液压缸之外，其他部分均为自由受力状态。且液压坝所用建筑材料为Q235，其在水的压力作用下变形较小，持续处于弹性阶段，未发生破坏。随着支撑高度的减小，液压坝受力状态发生改变，使其最大应力逐渐增大。

当支撑高度为3m、支撑位置为8时，有坝面两侧最大平均位移，其值为122.25mm；当支撑位置为7时，有坝面两侧最小平均位移，其值为97.03mm；当支撑位置为8时，有最大坝面两侧位移，其值为122.5mm。此时，最大位移已超过坝体所能承受的最大值，坝体发生变形，导致结构破坏。

除支撑位置8之外，支撑高度对于中点位移的影响较小，不同支撑高度下，坝顶的中点位移平均值差距较小；支撑高度的变化对于坝顶中点位移的影响较小。在同一支撑位置下，角度与坝顶中点位移呈正相关关系，随着角度的增大，坝顶中点位移逐渐增大。