水庫(kù)蓄水對(duì)山區(qū)橋址風(fēng)特性的影響

王云飛， 汪 斌， 李永樂(lè)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

抗風(fēng)設(shè)計(jì)是山區(qū)大跨度橋梁重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，進(jìn)行大跨度橋梁抗風(fēng)研究之前最首要的就是準(zhǔn)確地獲取橋址區(qū)的風(fēng)特性參數(shù)［1］.一般的跨海、跨江大橋以及常規(guī)地形下的橋址區(qū)風(fēng)特性具有相對(duì)均一性，復(fù)雜山區(qū)風(fēng)特性有著復(fù)雜的空間分布，而且缺乏歷史氣象資料記錄，也沒(méi)有切實(shí)的規(guī)范可供參考［2-3］.隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入發(fā)展，西部山區(qū)交通設(shè)施建設(shè)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，受線路以及山區(qū)地形特征的要求，較多的山區(qū)大跨度橋梁得到修建.因此，開(kāi)展復(fù)雜山區(qū)地形條件下的橋址區(qū)風(fēng)特性研究對(duì)山區(qū)大跨度橋梁建設(shè)極其重要.

西部山區(qū)河流落差大，是我國(guó)水電站的有利建設(shè)地點(diǎn).隨著大型水電站的修建，壩址上游水位明顯抬高，上游水體面積增大，這將導(dǎo)致原來(lái)低于庫(kù)區(qū)水位的壩體上游峽谷溝壑地貌被水淹沒(méi)，使得庫(kù)區(qū)的地形地貌在大壩蓄水之后發(fā)生巨大變化［4］.水庫(kù)蓄水所形成的水面不但會(huì)改變庫(kù)區(qū)峽谷的原始地貌，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致峽谷內(nèi)風(fēng)場(chǎng)特性的改變.在實(shí)際工程中，受線路要求，有相當(dāng)數(shù)量的橋梁工程必須要跨越或鄰近水庫(kù)庫(kù)區(qū).當(dāng)大跨度橋梁跨越大壩庫(kù)區(qū)的時(shí)候，大壩蓄水后會(huì)對(duì)原橋址區(qū)風(fēng)特性造成一定的影響.這使得依照原有山區(qū)地形條件風(fēng)特性進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的大跨度橋梁在水庫(kù)蓄水后承受未知的新風(fēng)環(huán)境，有可能會(huì)對(duì)橋梁抗風(fēng)造成未知的影響.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中并沒(méi)有關(guān)于山區(qū)大壩對(duì)庫(kù)區(qū)橋位風(fēng)場(chǎng)影響的研究報(bào)道.

獲取山區(qū)風(fēng)環(huán)境特性的方法一般有3種，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和 CFD(computationalfluid dynamics)數(shù)值模擬技術(shù).其中CFD數(shù)值模擬具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如成本低、易重復(fù)性、不受試驗(yàn)條件約束等，因而受到廣大學(xué)者的重視［5-9］.Xiao 等［10］采用多種湍流模型，對(duì)6.9 km×10.1 km 范圍的地形進(jìn)行了模擬研究，最后與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.鄧院昌等［11］采用數(shù)值模擬的方法研究了地表粗糙度對(duì)實(shí)際地形風(fēng)場(chǎng)的影響.Abdi和Bitsuamlak［12］采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同地形條件采用不同的湍流模型進(jìn)行了研究.周志勇等［13］為研究網(wǎng)格類型和網(wǎng)格尺度劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)行了27 km×23 km的大范圍區(qū)域復(fù)雜地形的風(fēng)環(huán)境CFD模擬.李永樂(lè)等［14］對(duì)邊長(zhǎng)為8 km的方形區(qū)域進(jìn)行CFD模擬，研究了西部復(fù)雜山區(qū)風(fēng)場(chǎng)的空間分布特性，為山區(qū)橋梁抗風(fēng)提供了一些建議.因此本文研究水壩蓄水后橋位風(fēng)場(chǎng)的變化具有一定探索性.

本文以西部山區(qū)某大跨度懸索橋橋址區(qū)為工程背景，在橋位下游1.9 km處將要修建一座水電站，水庫(kù)正常蓄水位為 2 010 m(距離橋面50 m)，谷底高程為1 801 m，水位變化高達(dá)209 m，如圖1所示.另外該橋址區(qū)地表起伏劇烈，兩岸山峰海拔高度分別接近5 400 m和5 600 m，山峰至河谷底的最大海拔相差超過(guò)3 800 m，屬于典型的山區(qū)深切峽谷地形.本文采用CFD數(shù)值模擬方法，分別建立了原始地形和壩前水庫(kù)蓄水后的地形數(shù)值模型，分析了兩種模型下的風(fēng)場(chǎng)特性，探討了橋址區(qū)風(fēng)速的分布特點(diǎn)，明確了水庫(kù)蓄水對(duì)橋址區(qū)風(fēng)場(chǎng)分布的影響規(guī)律.

圖1 橋位高程(單位:m)Fig.1 Overall configuration of the bridge in case study(unit:m)

1 實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分

針對(duì)橋址區(qū)地形地貌的復(fù)雜性，所選定的計(jì)算區(qū)域應(yīng)足夠大，以使流場(chǎng)得以充分發(fā)展.結(jié)合當(dāng)前計(jì)算資源，以橋位為中心選定大小為 20 km×20 km的區(qū)域作為分析對(duì)象.建立地形幾何模型時(shí)，首先在獲取橋位的CAD地形圖后，通過(guò)CAD中的lsp文件編程獲取區(qū)域地形圖上的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，接著將得到的地形高程數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab插值處理形成標(biāo)準(zhǔn)的格點(diǎn)數(shù)據(jù).在CFD建模軟件Gambit中基于NURBS(非均勻有理B樣條)的曲面建模方法，將高程格點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合為地形幾何曲面.此方法能保證擬合的曲面經(jīng)過(guò)各個(gè)高程點(diǎn)后變得較光滑，且精度較高.在建立水庫(kù)蓄水后的地形曲面時(shí)，首先將大壩上游所有被淹沒(méi)區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程修正到蓄水后水面高程處，最后重新使用Gambit來(lái)擬合得到大壩蓄水后的地形表面，如圖2所示.

圖2 大壩蓄水后的地形表面Fig.2 Geometric terrain after water storage

計(jì)算區(qū)域底部以山體、河流為界，最低高程為1 660 m，頂部高程為11 260 m.采用專業(yè)流體網(wǎng)格劃分軟件ICEM對(duì)建立的地形表面之上的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的離散采用適應(yīng)性更強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，地表網(wǎng)格分辨率達(dá)到60 m.在分析之前，為進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，以60°來(lái)流風(fēng)向下的原始模型為例進(jìn)行了3種網(wǎng)格尺度的分析.

(1)290萬(wàn)網(wǎng)格:地形底面網(wǎng)格分辨率為100 m.邊界層劃分為3層，總高度為42 m，第1層網(wǎng)格高10 m.

(2)380萬(wàn)網(wǎng)格:地形底面網(wǎng)格分辨率為100 m.邊界層8層，第1層5 m，總高為80 m.

(3)424萬(wàn)網(wǎng)格:地形底面網(wǎng)格分辨率為60 m.邊界層劃分為4層，總高度為35 m，第1層網(wǎng)格高5 m.

主梁各測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如圖3所示.可知這幾種網(wǎng)格尺寸計(jì)算得到的結(jié)果整體趨勢(shì)相同，相差較小.考慮424萬(wàn)網(wǎng)格精度更高，同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)資源基本滿足要求，最終選定424萬(wàn)網(wǎng)格模型.兩個(gè)模型采用相同的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，無(wú)水壩模型網(wǎng)格總數(shù)424萬(wàn)，有水壩模型網(wǎng)格總數(shù)422萬(wàn)，近地層棱柱體網(wǎng)格局部示意如圖4所示.

圖3 原地形不同網(wǎng)格尺度下風(fēng)速計(jì)算結(jié)果(60°)Fig.3 Wind velocity under different meshing scales oft he origin terrain(60°)

圖4 邊界層網(wǎng)格局部示意Fig.4 Local sketch of boundary layer mesh

2 求解參數(shù)及邊界條件設(shè)置

橋位地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬可簡(jiǎn)化為不可壓縮流體.采用有限體積法(finite volumn method，F(xiàn)VM)對(duì)不可壓縮流動(dòng)控制方程進(jìn)行離散，基于商用軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算分析，選用全隱式分離求解器和SST k-ω湍流模型.速度與壓力的耦合為IMPLEC算法，湍動(dòng)耗散率、湍動(dòng)能、動(dòng)量、壓力的離散都采用的是二階迎風(fēng)格式［15］.

文獻(xiàn)［14］中來(lái)流風(fēng)速的設(shè)置方法，采用B類地表(氣象站標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速廓面作為入口來(lái)流風(fēng)速分布.梯度風(fēng)速vT=50 m/s.考慮到橋位屬于高海拔深切峽谷地帶，梯度風(fēng)高程可取3 600 m，而低于高程3 600 m的部分按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行設(shè)置(B類地表指數(shù)律).所選區(qū)域地形最低點(diǎn)高程為1 660 m，則易知該區(qū)域梯度風(fēng)高度為1 940 m.來(lái)流風(fēng)速vH可用式(1)表示，橋面高度入口處風(fēng)速為 38.91 m/s.

式中:H為高程.

截至2017年底，我國(guó)地源熱泵裝機(jī)容量達(dá)2萬(wàn)兆瓦，位居世界第一，年利用淺層地?zé)崮苷酆?900萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，實(shí)現(xiàn)供暖（制冷）建筑面積超過(guò)5億平方米，主要分布在北京、天津、河北、遼寧、山東、湖北、江蘇、上海等省市的城區(qū)。我國(guó)地?zé)崮苤苯永靡怨┡癁橹?，其次為康養(yǎng)、種養(yǎng)殖等。近10年來(lái)，我國(guó)水熱型地?zé)崮苤苯永靡阅昃?0％的速度增長(zhǎng)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 工況設(shè)置

在模擬之前，首先沿橋面高度主梁軸向方向布置10個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn).監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布從右至左分別為1/4邊跨、1/2邊跨、3/4邊跨、索塔、1/8主跨、1/4主跨、3/8主跨、1/2主跨、5/8主跨、3/4主跨，如圖5所示.為考察橋位風(fēng)速沿高度的變化特性，分別在橋塔位置處和主跨跨中位置沿高度方向布置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn).沿高度方向風(fēng)速梯度總體上變小，由此監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距布置由下到上逐漸增大(圖5).為全面考察不同來(lái)流風(fēng)向下橋位風(fēng)場(chǎng)的分布規(guī)律，按順時(shí)針從正北方向每隔10°作為一個(gè)來(lái)流工況，總計(jì)36個(gè)計(jì)算工況，如圖6所示.

圖5 風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of wind velocity observation points

圖6 來(lái)流風(fēng)向示意Fig.6 Sketch of wind directions involved

分別用u、v、w表示橫橋向風(fēng)速、順橋向風(fēng)速、豎向風(fēng)速分量，計(jì)算結(jié)果中的風(fēng)向角α和風(fēng)攻角β定義分別如式(2)、(3).其中:正攻角表示氣流的上升，負(fù)攻角表示氣流的下降;風(fēng)向角是按照來(lái)流從河谷北岸吹向河谷南岸為正，相反就為負(fù).

3.2 蓄水對(duì)主梁跨向風(fēng)特性的影響

為分析各來(lái)流工況下水庫(kù)蓄水對(duì)主梁跨向風(fēng)特性的影響，以跨向各測(cè)點(diǎn)的橫橋向風(fēng)速增量平均值來(lái)度量蓄水前后各工況下風(fēng)速值的變化，以風(fēng)速相關(guān)系數(shù)(蓄水前后跨向各測(cè)點(diǎn)橫橋向風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)方差)來(lái)分析蓄水前后各工況下風(fēng)速分布規(guī)律的變化，結(jié)果如圖7所示.

圖7 蓄水對(duì)主梁跨向風(fēng)特性的影響Fig.7 Influence of water storage on wind characteristic along bridge deck

由圖7可知:

(1)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速增量均值在大多數(shù)來(lái)流工況下變化較大，這表明沿主梁跨向的各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速分布在多數(shù)工況下對(duì)蓄水的影響比較敏感，大壩蓄水后主梁風(fēng)速分布與無(wú)蓄水時(shí)有不同程度的較大變化.這是由于蓄水導(dǎo)致上游大面積區(qū)域地形形狀發(fā)生巨大改變，而且橋梁主梁比較靠近蓄水位(距離蓄水位50 m)，因此沿跨向各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速對(duì)地形變化更為敏感，典型來(lái)流工況下(90°)的主梁風(fēng)速分布如圖8所示.

圖8 主梁風(fēng)速分布(90°)Fig.8 Wind velocity distribution along bridge deck(90°)

(2)跟其他工況相比，當(dāng)來(lái)流方向位于200°～260°時(shí)，蓄水前后各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)接近于1，表明蓄水前后各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速幾乎線性相關(guān)，即各測(cè)點(diǎn)分布規(guī)律非常相似.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，這幾個(gè)工況下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速增量平均值也較其他工況變化小得多，即蓄水前后風(fēng)速值變化較小.分析認(rèn)為在200°～260°來(lái)流工況下，來(lái)流風(fēng)向位于橋位河道走向與上游主流河道走向附近，使得風(fēng)沿上游較寬闊的河道流動(dòng)，氣流所受阻擋較小.并且來(lái)流風(fēng)是從壩址上游吹向下游，避開(kāi)了反向來(lái)流時(shí)大壩位置處地形突變的阻擋.所以與其他來(lái)流工況相比，水壩蓄水對(duì)主梁風(fēng)速分布規(guī)律影響相對(duì)較小，典型來(lái)流工況下(200°～260°)沿主梁跨向從河谷北岸到南岸各測(cè)點(diǎn)橫橋向風(fēng)速呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，220°來(lái)流下的分布如圖9所示.

圖9 主梁風(fēng)速分布(220°)Fig.9 Wind velocity distribution along bridge deck(220°)

3.3 蓄水對(duì)主梁橫橋向平均風(fēng)速的影響

取定圖5風(fēng)速區(qū)中跨中位置附近的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為代表，將這5個(gè)點(diǎn)的橫橋向風(fēng)速平均值作為主梁不同工況下的橫橋向平均風(fēng)速，以反映對(duì)主梁影響比較大位置的橫橋向風(fēng)速.有無(wú)蓄水情況下主梁橫橋向平均風(fēng)速的絕對(duì)值在不同工況的分布如圖10所示.由圖10可知:有無(wú)蓄水情況下主梁橫橋向平均風(fēng)速在不同工況下變化復(fù)雜，但二者在各來(lái)流工況下的整體分布規(guī)律基本一致;與無(wú)蓄水結(jié)果相比，除個(gè)別工況外，大壩蓄水后主梁橫橋向平均風(fēng)速在各來(lái)流工況下均有不同程度的降低.原因可能來(lái)自于兩方面:一方面水庫(kù)淹沒(méi)的那部分峽谷對(duì)空氣的壓縮效應(yīng)消失，另一方面水面抬高了零風(fēng)速平面.有無(wú)蓄水情況下主梁橫橋向平均風(fēng)速均在來(lái)流風(fēng)向角為200°～260°范圍內(nèi)達(dá)到最大.表1給出了這幾個(gè)工況下的風(fēng)速放大系數(shù)(放大系數(shù)取為主梁橫橋向平均風(fēng)速與橋面高度處入口風(fēng)速的比值).由表1可知:無(wú)蓄水時(shí)，在220°和230°來(lái)流工況下的最大風(fēng)速放大系數(shù)分別達(dá)到1.14和1.13，有明顯的峽谷風(fēng)效應(yīng);當(dāng)大壩蓄水后，在220°和250°來(lái)流工況下，最大風(fēng)速放大系數(shù)為 1.05和1.06，峽谷風(fēng)效應(yīng)明顯減小.

表1 工況風(fēng)速放大系數(shù)(200°～260°)Tab.1 Wind velocity amplification coefficient(200°～260°)

3.4 蓄水對(duì)主梁平均風(fēng)向角及風(fēng)攻角的影響

選擇與3.3節(jié)相同的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將其風(fēng)向角或風(fēng)攻角結(jié)果取平均值，以此來(lái)確定在各工況下主梁平均風(fēng)向角及風(fēng)攻角的分布特點(diǎn).圖11、12分別為有無(wú)蓄水下的主梁平均風(fēng)向角、主梁平均風(fēng)攻角隨來(lái)流的變化情況.

圖11 各工況下主梁平均風(fēng)向角Fig.11 Averaged wind direction

圖12 各工況下主梁平均風(fēng)攻角Fig.12 Averaged wind attack angle

圖13、14分別為有無(wú)蓄水情況下主梁橫橋向平均風(fēng)速絕對(duì)值和風(fēng)攻角的聯(lián)合分布圖.由圖13、14可知:主梁在有無(wú)蓄水兩種情況下均出現(xiàn)較大的負(fù)攻角效應(yīng);無(wú)蓄水時(shí)出現(xiàn)較明顯的大正攻角，蓄水時(shí)主梁正攻角效應(yīng)明顯減弱，可能是由于水壩蓄水后在橋位下方形成的水平面覆蓋了峽谷內(nèi)原始復(fù)雜地貌，使得低空風(fēng)流動(dòng)過(guò)程中受到的干擾減弱，豎向風(fēng)速分量減小所致.圖13、14中實(shí)線為各工況的包絡(luò)線，可以確定橫橋向風(fēng)速與風(fēng)攻角的對(duì)應(yīng)情況.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)處于包絡(luò)線外的其他大風(fēng)攻角，由于其對(duì)應(yīng)的橫橋向平均風(fēng)速較小，并不能對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能起控制作用.風(fēng)速與風(fēng)攻角包絡(luò)值如表2所示，由表2可知，蓄水時(shí)主梁各攻角對(duì)應(yīng)的橫向平均風(fēng)速均有較明顯的降低.

圖13 蓄水時(shí)平均風(fēng)速隨攻角的變化Fig.13 Variation of averaged wind velocity with wind attack angle without water storage

圖14 無(wú)蓄水時(shí)平均風(fēng)速隨攻角的變化Fig.14 Variation of averaged wind velocity with wind attack anglewith water storage

表2 風(fēng)速與風(fēng)攻角包絡(luò)值Tab.2 Envelop value of wind velocity and attack angles

3.5 風(fēng)特性沿高度的分布

以250°來(lái)流工況下主跨跨中和索塔處風(fēng)速結(jié)果為例來(lái)說(shuō)明風(fēng)特性沿高度的分布規(guī)律.圖15、16分別為250°來(lái)流工況下主跨跨中和索塔處風(fēng)速豎向剖面圖.當(dāng)高程很高時(shí)(如5 500 m左右)，風(fēng)速隨高度增加不再變化，地表情況不再產(chǎn)生影響，氣流也得以充分發(fā)展，表明設(shè)置的計(jì)算域的高度是合理的，邊界頂部沒(méi)有對(duì)計(jì)算域流場(chǎng)造成干擾.由于橋位處地貌的復(fù)雜多變性，風(fēng)速剖面的變化規(guī)律遠(yuǎn)不同于常規(guī)地形條件下的指數(shù)律或?qū)?shù)律.由于橋址區(qū)巨大的地形海拔落差，同時(shí)由于大壩蓄水造成的對(duì)區(qū)域地形的巨大變化，各工況下風(fēng)速的豎向分布規(guī)律在較大的高程范圍內(nèi)均產(chǎn)生了變化.由圖15、16可知，在 200°～260°典型工況范圍內(nèi)有無(wú)蓄水條形的風(fēng)速剖面整體規(guī)律相似，但在較低海拔(約3 000～3 500 m)范圍內(nèi)時(shí)風(fēng)速剖面差別較大，隨著海拔高度的繼續(xù)增加，風(fēng)速分布逐漸趨于相同.

圖15 主跨跨中豎向風(fēng)剖面Fig.15 V ertical wind profile in the mid-span

圖16 索塔處豎向風(fēng)剖面Fig.16 Vertical wind profile at bridge tower

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比山區(qū)有無(wú)水庫(kù)蓄水兩種情況下橋址區(qū)風(fēng)特性，可得出如下結(jié)論:

(1)當(dāng)來(lái)流方向位于200°～260°范圍內(nèi)時(shí)，兩個(gè)模型主梁跨向各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速分布規(guī)律相近，遠(yuǎn)比其他工況下的差異要小.由于橋梁北岸山脊作用，這幾個(gè)工況下主梁跨向各測(cè)點(diǎn)的橫橋向風(fēng)速?gòu)暮庸缺卑断蚰习毒尸F(xiàn)出遞減規(guī)律.

(2)兩個(gè)模型的主梁橫橋向平均風(fēng)速在各工況下的整體變化規(guī)律基本一致.與無(wú)水壩結(jié)果相比，除個(gè)別工況外，大壩蓄水后主梁橫橋向平均風(fēng)速在各來(lái)流工況下均有不同程度的降低.

(3)兩個(gè)模型的主梁橫橋向平均風(fēng)速均在來(lái)流工況為200°～260°內(nèi)時(shí)達(dá)到最大.無(wú)水壩時(shí)風(fēng)速放大系數(shù)最大值為1.14，有明顯的峽谷風(fēng)效應(yīng);大壩蓄水后，最大風(fēng)速放大系數(shù)為1.06，峽谷風(fēng)效應(yīng)明顯減小.

(4)除個(gè)別工況外，兩個(gè)模型主梁平均風(fēng)向角及風(fēng)攻角隨來(lái)流風(fēng)向的變化規(guī)律比較相近.兩種情況下主梁均有較大負(fù)攻角效應(yīng)，無(wú)水壩時(shí)還有較明顯的大正攻角效應(yīng)，而有水壩時(shí)主梁正攻角效應(yīng)明顯減弱.

(5)兩種模型風(fēng)速剖面整體規(guī)律相似，但在低海拔(約3 000～3 500 m)范圍內(nèi)，風(fēng)速分布有較大差別，隨著海拔高度的繼續(xù)增加，二者逐漸趨于相同.

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