橫風(fēng)作用下壩體與心墻填筑高差的防風(fēng)結(jié)構(gòu)研究

郭立博，何建新，楊海華

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

碾壓式瀝青混凝土心墻施工要求日降雨量或降雪量宜小于5 mm、施工時(shí)風(fēng)力宜小于4級、大氣環(huán)境溫度宜不低于0℃[1]。位于新疆“百里風(fēng)區(qū)”[2]的大河沿水庫工程，年平均8級以上大風(fēng)108 d，給施工帶來較大困難，質(zhì)量難以控制。瀝青混凝土碾壓過程中，在大風(fēng)作用下表面溫度損失較快[3]，易出現(xiàn)心墻表層溫度降至130℃以下未能及時(shí)碾壓和終碾后表層溫度低于110℃的現(xiàn)象，影響心墻層間結(jié)合的質(zhì)量[4]。因此，為保證瀝青混凝土心墻的防滲性能，應(yīng)采取必要的防風(fēng)措施，以降低風(fēng)速。近年，防風(fēng)技術(shù)的研究主要針對鐵路、高速公路等路基防風(fēng)工程，例如：程建軍等[5-6]對風(fēng)害防治工程措施及功效進(jìn)行了研究；劉鳳華等[7-8]通過數(shù)值模擬對不同形式擋風(fēng)墻的防風(fēng)功效進(jìn)行了探討；楊斌等[9-11]對擋風(fēng)墻距道路的合理位置和擋風(fēng)墻的合理高度進(jìn)行了研究，并取得了較好的成果。以上研究為防風(fēng)工程的設(shè)計(jì)提供了參考[12-13]，但對于防風(fēng)問題的解決方案均是在保護(hù)工程之外另行修建防風(fēng)建筑物，從而使施工成本額外增加。針對強(qiáng)風(fēng)區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩施工過程中填筑防風(fēng)要求，本文提出利用壩體自身填筑高差形成防風(fēng)結(jié)構(gòu)的方法使心墻施工區(qū)風(fēng)力達(dá)到施工規(guī)范要求，并對防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式以及不同風(fēng)速下的防風(fēng)效果進(jìn)行評價(jià)，提出合理的設(shè)計(jì)方案，以期為強(qiáng)風(fēng)區(qū)心墻瀝青混凝土快速施工提供參考。

1 工程概況

大河沿流域位于吐魯番市北部，北部與吉木薩爾縣，西部與烏魯木齊縣接壤，河流發(fā)源于天山北坡，呈北南走向，流域地理位置為88°50′E～89°10′E，44°40′N～43°40′N。平原區(qū)全年盛行西北風(fēng)，風(fēng)向季節(jié)變化不大，春秋多大風(fēng)，夏季多干風(fēng)，以3～6月最盛行。年平均8級以上大風(fēng)日數(shù)為108 d，最多達(dá)135 d，最大風(fēng)速為25 m/s，出現(xiàn)在1983年4月27日，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋、N，主導(dǎo)風(fēng)向頻率為7%；次多風(fēng)向?yàn)镾E、W、ENE。風(fēng)災(zāi)是該區(qū)域內(nèi)的主要災(zāi)害之一。氣象要素見表1。

表1 吐魯番氣象站風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

大河沿工程在大風(fēng)環(huán)境下施工時(shí)，通?，F(xiàn)場對瀝青混合料各施工環(huán)節(jié)采用如下保溫和溫度控制措施：瀝青混合料采用帶電加熱板的保溫罐儲存，采用車斗四周及底板帶保溫板的自卸式運(yùn)輸車，各保溫機(jī)械料斗上架設(shè)保溫篷布；心墻攤鋪后覆蓋防風(fēng)帆布，壓實(shí)后上層再加棉被保溫；各施工環(huán)節(jié)溫度均采用施工規(guī)范規(guī)定的上限值或適當(dāng)提高最低下限值，特別針對初碾溫度和終碾溫度，采用初碾溫度不宜低于140℃，終碾溫度不宜低于120℃。盡管采用了上述措施，大風(fēng)環(huán)境下瀝青混合料運(yùn)輸和攤鋪過程中溫度散失過快、入倉后瀝青混合料排氣時(shí)間較短、碾壓后瀝青混合料表面容易形成硬殼層等原因還是會給施工帶來困難，不僅增加了能耗，還影響施工質(zhì)量。

2 壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土心墻壩施工時(shí)利用壩體自身填筑，將上、下游壩殼料超前于心墻與過渡料的鋪筑，使壩殼料填筑高度高于過渡料和心墻的填筑高度，從而在心墻施工斷面形成凹槽。壩體與心墻填筑高差產(chǎn)生后，相當(dāng)于在心墻迎風(fēng)側(cè)設(shè)置類似風(fēng)場障礙物的土堤式擋風(fēng)墻(即防風(fēng)結(jié)構(gòu))，可有效消減凹槽內(nèi)心墻施工區(qū)風(fēng)速。壩體兩側(cè)防風(fēng)結(jié)構(gòu)對稱布置，壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)填筑簡圖如圖1所示。壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)防風(fēng)效果主要受高差和設(shè)置距離的影響，其中高差為壩殼料與心墻填筑面的垂直高度，設(shè)置距離為防風(fēng)結(jié)構(gòu)背風(fēng)側(cè)坡腳距瀝青混凝土心墻中心的距離。

圖1 壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)填筑簡圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

大河沿水庫樞紐工程于2018年3月末進(jìn)行了3種壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場防風(fēng)試驗(yàn)，防風(fēng)結(jié)構(gòu)填筑參數(shù)見表2?，F(xiàn)場試驗(yàn)中，在迎風(fēng)側(cè)壩殼料頂面距壩殼料壩肩18.82 m處裝配自動氣象站，同時(shí)在心墻上游距心墻中心2.36 m位置布置風(fēng)速儀，對兩處測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)速觀測。

表2 不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的填筑參數(shù)

現(xiàn)場共進(jìn)行了3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)累計(jì)3 d不同時(shí)刻的風(fēng)速觀測，結(jié)果見表3。從表3可以看出，3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)速比(心墻風(fēng)速/氣象站風(fēng)速)分別為70.3%、56.1%、42.2%，說明防風(fēng)結(jié)構(gòu)能有效地降低心墻施工區(qū)的風(fēng)速。3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)的減風(fēng)效果為結(jié)構(gòu)3優(yōu)于結(jié)構(gòu)2，結(jié)構(gòu)2優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。說明相同設(shè)置距離條件下，高差越大，防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)減風(fēng)效果越好；對于相同的高差，設(shè)置距離越小，防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果越好。

表3 不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)風(fēng)速 m/s

4 數(shù)值計(jì)算模型

4.1 數(shù)值計(jì)算方法

瀝青混凝土心墻是沿壩軸線方向分層鋪筑碾壓的防滲體[14]，當(dāng)計(jì)算順河道流動的橫風(fēng)作用下防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果時(shí)，可將其簡化為二維問題處理。因橫風(fēng)風(fēng)速小于70 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，可按不可壓縮流體處理[15]。選用商用CFD軟件FLUENT提供的工程上應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中不考慮熱量交換。控制方程[16]包括：連續(xù)性方程、動量方程、湍流模型中的湍流動能方程和湍流動能耗散率方程。計(jì)算方法為有限體積法，采用SIMPLE算法對壓力和速度耦合進(jìn)行處理，一階迎風(fēng)格式離散對流項(xiàng)。

4.2 計(jì)算域、邊界條件及網(wǎng)格劃分

建立大河沿水庫工程壩體數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。計(jì)算區(qū)域的高度、長度分別為300 m、1 840 m，其中，壩基寬340 m、來流長度450 m、尾流長度1 050 m。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在壩趾處(如圖2所示)，上游壩坡坡比為1∶2.2，其余邊坡坡比均為1∶2，心墻中心坐標(biāo)為(184,10.8)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型簡圖(單位：m)

邊界條件：入口設(shè)置為速度進(jìn)口，在x方向采用均勻來流，防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式時(shí)取風(fēng)速vx=20.7 m/s(8級風(fēng)力風(fēng)速上限)[17]，不同風(fēng)級時(shí)vx取對應(yīng)風(fēng)級最大風(fēng)速，y方向速度為零；出口設(shè)定為壓力出口，靜壓為零；壩體表面及地面均采用無滑移邊界條件；頂部設(shè)為對稱邊界，模擬頂部氣體自然流動狀態(tài)。

采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高數(shù)值計(jì)算精度，對防風(fēng)結(jié)構(gòu)和心墻施工區(qū)附近采用小尺寸網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余區(qū)域網(wǎng)格由心墻向兩側(cè)方向按比例稀疏，心墻施工區(qū)網(wǎng)格如圖3所示。以心墻中心1 m高處測點(diǎn)風(fēng)速變化范圍在3%以內(nèi)為依據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果滿足要求，最終各試驗(yàn)?zāi)Ｐ途W(wǎng)格數(shù)均在110萬左右。

圖3 心墻附近網(wǎng)格

4.3 模型驗(yàn)證

對現(xiàn)場試驗(yàn)3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，當(dāng)氣象站風(fēng)速的計(jì)算值與實(shí)測值完全吻合時(shí)，將心墻風(fēng)速的計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4。

圖4 不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)心墻風(fēng)速實(shí)測值與計(jì)算值對比

由圖4可見，3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)心墻風(fēng)速的實(shí)測值和計(jì)算值最大相對誤差分別為9.8%、7.5%和9.4%，均小于10%，在容許范圍內(nèi)，表明數(shù)值模型準(zhǔn)確可靠，可進(jìn)一步模擬防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式下的防風(fēng)效果。

4.4 模擬方案

進(jìn)行防風(fēng)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)時(shí)，考慮施工所需的最小設(shè)置距離和最大高差限制因素：防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離不宜太小，需滿足施工區(qū)機(jī)械交叉作業(yè)對運(yùn)行空間的要求；防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差不宜過大，較大時(shí)不利于心墻和過渡料的物料運(yùn)輸，需增設(shè)坡度較緩的下坡臨時(shí)道路。結(jié)合大河沿工程現(xiàn)場試驗(yàn)壩體填筑參數(shù)，設(shè)計(jì)不同形式防風(fēng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方案如下：固定防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差為4.4 m，設(shè)置距離分別為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m；固定防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為9.08 m，高差分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m。模擬不同風(fēng)速情況下的防風(fēng)效果時(shí)，取風(fēng)力4～10級，入口風(fēng)速按各風(fēng)級最大風(fēng)速[17]進(jìn)行計(jì)算。

5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

5.1 防風(fēng)結(jié)構(gòu)對心墻施工區(qū)防風(fēng)效果的影響

通過對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，得到防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式下心墻施工區(qū)的風(fēng)速云圖如圖5和圖6所示。

圖5 高差4.4 m時(shí)不同設(shè)置距離的心墻施工區(qū)風(fēng)速云圖

圖6 設(shè)置距離9.08 m時(shí)不同高差的心墻施工區(qū)風(fēng)速云圖

由圖5和圖6可知，當(dāng)入口風(fēng)速一定時(shí)，隨著設(shè)置距離和高差的增大，防風(fēng)結(jié)構(gòu)背風(fēng)側(cè)風(fēng)速衰減區(qū)域面積增大。但對本次研究關(guān)注的心墻施工區(qū)，防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離和高差對其風(fēng)場的影響不同。由圖5可知，隨著設(shè)置距離逐漸增大，風(fēng)速云圖中藍(lán)色轉(zhuǎn)淡，各風(fēng)速等值線逐漸接近心墻施工區(qū)地表，表明設(shè)置距離越大，心墻施工區(qū)防風(fēng)效果越差。由圖6可知，隨著高差逐漸增大，風(fēng)速云圖中藍(lán)色加深，各風(fēng)速等值線逐漸向上移，表明高差越高，心墻施工區(qū)防風(fēng)效果越好。

結(jié)合現(xiàn)場攤鋪機(jī)出料口位置高度，認(rèn)為瀝青混合料受風(fēng)力影響最大高度不超過1 m，則以心墻施工面1 m高作為心墻施工區(qū)近地面。由數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)得心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速分布情況如圖7和圖8所示。

圖7 高差4.4 m時(shí)不同設(shè)置距離下心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速分布

圖8 設(shè)置距離9.08 m時(shí)不同高差下心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速分布

由圖7可知，高差為4.4 m時(shí)，設(shè)置距離為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5m、15.0 m的心墻處近地面風(fēng)速分別為8.5 m/s、10.0 m/s、11.6 m/s、13.4 m/s、15.5 m/s?？梢钥闯?，以上防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式下心墻處近地面風(fēng)力均超過施工規(guī)范建議值(風(fēng)力4級，最小風(fēng)速為5.5 m/s)。設(shè)置距離為5 m時(shí)心墻處近地面防風(fēng)效果為58.9%，隨著設(shè)置距離的增大，防風(fēng)效果逐漸降低，設(shè)置距離為7.5 m、10.0 m、12.5m、15.0 m時(shí)，防風(fēng)效果分別降為51.7%、44.0%、35.3%、25.1%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于氣流繞過防風(fēng)結(jié)構(gòu)后過流斷面增大，氣流開始擴(kuò)散。隨設(shè)置距離增大，擴(kuò)散沿流向發(fā)展越充分，對垂直方向的風(fēng)速梯度分布影響越平緩，防風(fēng)效果越差。

由圖8可知，設(shè)置距離為9.08 m時(shí)，高差為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m的心墻處近地面風(fēng)速分別為11.9 m/s、9.6 m/s、6.2 m/s、4.0 m/s和2.4 m/s。其中高差為4 m、6 m、8 m的心墻處近地面風(fēng)速大于5.4 m/s，超出施工規(guī)范建議值；而高差為10 m和12 m時(shí)心墻處近地面風(fēng)速都在5.4 m/s以下，滿足施工防風(fēng)要求。高差為4 m時(shí)心墻處近地面防風(fēng)效果為42.6%，隨著高差的增大，防風(fēng)效果越好，高差為6 m、8 m、10 m、12 m的防風(fēng)效果分別增至53.7%、70.2%、80.7%和88.5%。這是因?yàn)榭諝饨?jīng)過大壩繞流時(shí)，大壩邊坡具有導(dǎo)流作用。防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差越大，大壩迎風(fēng)面邊坡越長，導(dǎo)流作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的防風(fēng)效果越好。

5.2 設(shè)置距離與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

取風(fēng)速為20.7 m/s，計(jì)算得到防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m時(shí)，心墻施工區(qū)達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差分別為6.2 m、7.9 m、9.4 m、11.1 m、12.4 m。對設(shè)置距離與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到擬合曲線及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出, 兩者之間呈線性關(guān)系，擬合方程為y=0.624x+3.16。由此擬合函數(shù)可插值取得設(shè)置距離在5～15 m范圍達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差?？紤]心墻施工區(qū)機(jī)械交叉作業(yè)對運(yùn)行空間的需要，建議施工時(shí)將防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離控制在10 m，此時(shí)高差控制在9.4 m，即可滿足8級風(fēng)力下最大風(fēng)速的防風(fēng)需要。

圖9 設(shè)置距離與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

5.3 風(fēng)速與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

取防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為10 m，對風(fēng)力4～10級各風(fēng)級最大風(fēng)速情況進(jìn)行計(jì)算，得到入口風(fēng)速分別為7.9 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s、28.4 m/s時(shí)心墻施工區(qū)達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差，結(jié)果見圖10。 對風(fēng)速與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,得到擬合曲線及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，兩者之間符合二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合方程為y=-0.016 2x2+1.044 9x-5.091 1。由此函數(shù)可得7.9～28.4 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差在1.9～11.7 m之內(nèi)。

圖10 風(fēng)速與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

6 結(jié) 論

a. 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，壩體與心墻填筑高差的施工技術(shù)具有一定的防風(fēng)效果。高差越大，防風(fēng)效果越好；設(shè)置距離越小，防風(fēng)效果越好。

b. 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差的增大和設(shè)置距離的減小有利于心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速的消減；來流8級風(fēng)(風(fēng)速20.7 m/s)情況下，防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為9.08 m，高差分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m時(shí)，心墻處近地面風(fēng)速分別消減至11.9 m/s、9.6 m/s、6.2 m/s、4.0 m/s和2.4 m /s；防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差為4.4 m，設(shè)置距離分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5m、15 m時(shí)，心墻處近地面風(fēng)速分別消減至8.5 m/s、10.0 m/s、11.6 m/s、13.4 m/s、15.5 m/s。

c. 8級風(fēng)(風(fēng)速20.7 m/s)情況下，防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離和達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間呈線性關(guān)系，兩者擬合方程為y=0.624x+3.16，最小高差隨設(shè)置距離的增大而增大。若防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離控制在10 m，心墻處近地表風(fēng)速滿足施工要求所需高差至少為9.4 m。

d. 防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為10 m時(shí)，風(fēng)速和達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間的關(guān)系式為y=-0.016 2x2+1.044 9x-5.091 1。由此可得風(fēng)速7.9～28.4 m/s范圍內(nèi)達(dá)到施工規(guī)范防風(fēng)要求的最小高差在1.9～11.7 m之內(nèi)。