河道生態(tài)修復(fù)低水頭液壓壩工程設(shè)計(jì)探討

程 達(dá)

(江蘇省常熟市辛莊鎮(zhèn)農(nóng)村工作局，江蘇 常熟 215500)

1 概 述

在河流綜合治理中，相較于其他壩體，液壓壩具有泄洪能力強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

近年來，許多學(xué)者針對液壓壩的受力特點(diǎn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究。俞昊捷等[1]以折疊液壓壩為研究對象，利用有限元軟件，研究其應(yīng)力分布情況，分析泥沙堆積高度對其受力情況的影響。梁榮榮等[2]分析不同工況下，液壓壩紊動能的變化情況。王雪巖等[3]基于BIM技術(shù)對某地區(qū)液壓壩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對比液壓壩優(yōu)化前后的相關(guān)力學(xué)指標(biāo)變化情況，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可靠性。任春平等[4]以某地區(qū)液壓壩為研究對象，利用Delft3d軟件，基于數(shù)值模擬分析液壓壩對洪水演進(jìn)的影響。劉磊等[5]以某地區(qū)液壓壩為研究對象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究地質(zhì)條件對液壓壩穩(wěn)定性的影響。

本文基于有限元軟件，對液壓壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究不同支撐高度、不同角度對液壓壩支撐力、最大應(yīng)力、最大位移的影響規(guī)律。

2 有限元模型的建立

研究項(xiàng)目位于某地區(qū)河道，控制流域面積為2 314km2。該地區(qū)為半干旱大陸性氣候，水文地質(zhì)條件良好，夏季降水量較大，為396.7mm，以暴雨為主。該河道長3.6km，壅水壩總蓄水長度3.3km，蓄水量56×104m3。液壓壩壩軸線垂直于河道，壩長為135m，上壩高2.5m，壩后水深為0.5m。

本研究采用有限元軟件對液壓壩面板進(jìn)行數(shù)值模擬分析，液壓壩面板主要材料為鋼，有限元模型相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 有限元相關(guān)參數(shù)

在有限元模型中，考慮不同工況下液壓壩的受力情況，分別設(shè)置液壓壩面板與水平夾角為15°、30°、45°、60°、75°，設(shè)置液壓缸與壩面的接觸位置見圖1。當(dāng)液壓缸與液壓壩面板的接觸位置過高或過低時，都會導(dǎo)致面板產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖1 液壓缸與壩面接觸位置

由于液壓壩面板會受水壓力的影響，為使水面處壓強(qiáng)為0，在建立有限元模型時，對其施加水壓力場，以保證其不受水壓力影響。相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 有限元相關(guān)參數(shù)

3 有限元分析

3.1 液壓缸支撐力分析

液壓壩面板上的液壓缸為對稱分布，所以僅選取一側(cè)的液壓缸進(jìn)行有限元分析，分別對9個支撐位置在不同角度下的液壓缸支撐力進(jìn)行分析。不同接觸位置各角度液壓缸支撐力見圖2。

圖2 液壓缸支撐力

由圖2可知，支撐位置1、2、3的支撐力變化趨勢接近；隨著角度的變化，其變化趨勢較為平穩(wěn)。當(dāng)角度為15°時，有最小液壓缸支撐力；3個位置的最大支撐力位置為支撐位置2，其值為161.72kN；最小支撐力位置為支撐位置1，其值為161.39kN。當(dāng)角度為75°時，有最大液壓缸支撐力；3個位置最大支撐位置為支撐位置2，其值為188.22kN；最小支撐力位置為支撐位置3，其值為182.51kN。

支撐位置7、8、9的支撐力變化差異性較大。支撐位置7的支撐力最小，支撐位置9的支撐力最大。支撐位置7與支撐位置9的支撐力受角度變化的影響較小，隨著角度的增大，其支撐力的變化較為平緩。支撐位置8的支撐力受角度變化的影響較大，隨著角度的增大，其變化趨勢波動較大。當(dāng)角度為60°時，支撐位置7的支撐力有最大值，為1 797.69kN；當(dāng)角度為30°時，支撐位置7的支撐力有最小值，為1 293.65kN。

支撐位置為1、2、3時，支撐高度為4.5m；支撐位置為4、5、6時，支撐高度為3.75m；支撐位置為7、8、9時，支撐高度為3m。由圖2可知，當(dāng)支撐高度較大時，角度變化對于支撐力的影響較小；當(dāng)支撐高度較小時，角度變化對于支撐力的影響較大。這是由于支撐力主要受支撐力和力臂影響，在液壓壩面板所受阻力不變的情況下，當(dāng)支撐高度較大時，其力臂較大，所受支撐力較??；反之，所受支撐力較大。

3.2 壩面最大應(yīng)力分析

為分析壩體的強(qiáng)度特性，通過有限元計(jì)算其最大應(yīng)力，見圖3。

圖3 壩面最大應(yīng)力

由圖3可知，當(dāng)角度為75°、支撐位置為9時，有最大應(yīng)力為213.88MPa；當(dāng)角度為15°、支撐位置為3時，有最小應(yīng)力為23.28MPa。當(dāng)支撐高度為4.5m時，支撐位置1、2、3的最大應(yīng)力差距較小，其間的最大應(yīng)力為角度為75°、支撐位置為3時，其值為44.91MPa。隨著支撐高度的減小，同一支撐高度的最大應(yīng)力曲線的差異性逐漸增大。當(dāng)支撐高度為3m時，最大應(yīng)力為213.88MPa，最小應(yīng)力為173.7MPa，差值為40.18MPa。當(dāng)支撐高度為3.75m時，最大應(yīng)力為89.86MPa，最小應(yīng)力為66.78MPa，差值為23.08MPa。當(dāng)支撐高度為4.5m時，最大應(yīng)力為44.91MPa，最小應(yīng)力為23.28MPa，差值為21.63MPa。隨著支撐高度的增大，最大應(yīng)力逐漸減小。隨角度的增大，各支撐位置的最大應(yīng)力變化無明顯規(guī)律，大多數(shù)支撐位置的最大應(yīng)力變化趨勢較為平緩。這是由于液壓壩在與水面接觸時，僅受水的壓力作用，而沒有與水面接觸的面不受其他力的作用，除了液壓缸之外，其他部分均為自由受力狀態(tài)。且液壓壩所用建筑材料為Q235，其在水的壓力作用下變形較小，持續(xù)處于彈性階段，未發(fā)生破壞。隨著支撐高度的減小，液壓壩受力狀態(tài)發(fā)生改變，使其最大應(yīng)力逐漸增大。

3.3 壩面最大位移分析

液壓壩的變形主要集中于壩頂兩側(cè)、中間及中下位置，所以本研究針對上述位置進(jìn)行研究，分析不同支撐位置及支撐高度最大位移隨角度的變化情況。液壓壩壩頂兩側(cè)位移見圖4。

圖4 壩頂兩側(cè)位移

由圖4可知，當(dāng)支撐高度為4.5和3.75m時，各支撐位置的壩面兩側(cè)位移相對較為集中。但總體而言，其支撐高度為3.75m的壩面兩側(cè)位移大于支撐高度為4.5m時的壩面位移。其中，當(dāng)支撐位置為6、角度為75°時，有最大壩面兩側(cè)位移，其值為57.34mm；當(dāng)支撐位置為4、角度為15°時，有最小壩面兩側(cè)位移，為21.4mm。支撐位置為1、2、3、6的壩面兩側(cè)位移均與角度呈相關(guān)關(guān)系，隨著角度的增大，其壩面兩側(cè)位移逐漸增大。支撐位置為4、5的壩面兩側(cè)位移，隨角度的增大呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)支撐高度為3m時，壩面兩側(cè)的位移呈現(xiàn)顯著的差異性，且其壩面兩側(cè)位移變化隨角度變化無明顯的變化趨勢。當(dāng)支撐高度為3m、支撐位置為8時，有壩面兩側(cè)最大平均位移，其值為122.25mm。當(dāng)支撐位置為7時，有壩面兩側(cè)最小平均位移，其值為97.03mm。當(dāng)支撐位置為8時，有最大壩面兩側(cè)位移，其值為122.5mm。此時，最大位移已超過壩體所能承受的最大值，壩體發(fā)生變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

為研究液壓壩中點(diǎn)位移情況，計(jì)算分析壩頂中點(diǎn)位移，其不同支撐位置、不同支撐高度隨角度變化的壩頂中點(diǎn)位移圖見圖5。

圖5 壩頂中點(diǎn)位移

由圖5可知，當(dāng)支撐位置為8時，壩頂?shù)闹悬c(diǎn)位移較為突出，為所有支撐位置中的最大值，平均中點(diǎn)位移為122.08mm。此時發(fā)生的位移已超過規(guī)范所規(guī)定的最小值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。當(dāng)支撐位置為7時，壩頂?shù)闹悬c(diǎn)位移最小，平均中點(diǎn)位移為24.6mm。當(dāng)支撐高度為4.5m時，壩頂?shù)闹悬c(diǎn)位移平均值為40.09mm；當(dāng)支撐高度為3.75m時，壩頂?shù)钠骄悬c(diǎn)位移為43.46mm；當(dāng)支撐高度為3m時，支撐位置7、9的平均中點(diǎn)位移為40.75mm?？梢?，除支撐位置8之外，支撐高度對于中點(diǎn)位移的影響較小，不同支撐高度下，壩頂?shù)闹悬c(diǎn)位移平均值差距較?。恢胃叨鹊淖兓瘜τ趬雾斨悬c(diǎn)位移的影響較小。在同一支撐位置下，角度與壩頂中點(diǎn)位移呈正相關(guān)關(guān)系，隨著角度的增大，壩頂中點(diǎn)位移逐漸增大。

3.4 壩面中心最大位移

為研究液壓壩中心最大位移情況，計(jì)算分析其壩面中心位移，其不同支撐位置、不同支撐高度隨角度變化的壩面中心位移見表3。

由表3可知，當(dāng)角度為75°、支撐位置為2時，有最大壩面中心位移，其值為47.02mm；當(dāng)角度為15°、支撐位置為4時，有最小壩面中心位移，其值為22.57mm。當(dāng)支撐位置為8時，壩面中心平均最大位移最小，其值為26.26mm；當(dāng)支撐位置為9時，有壩面中心平均最大位移最大值，為43.26mm，不同支撐位置的中心最大位移差異性較大。這是由于支撐位置9靠近壩面的外側(cè)，支撐位置4靠近壩面的中間位置，在受到外力時，靠近壩面外側(cè)的位置會產(chǎn)生外翻現(xiàn)象，導(dǎo)致其變形嚴(yán)重，所以支撐位置9的壩面中心變形最大。

表3 不同角度下壩面中心位移 /mm

4 結(jié) 論

本文基于有限元軟件，對液壓壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析不同支撐高度、不同角度對液壓壩支撐力、最大應(yīng)力、最大位移的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

當(dāng)支撐高度較大時，角度變化對于支撐力的影響較?。划?dāng)支撐高度較小時，角度變化對于支撐力的影響較大。這是由于支撐力主要受支撐高度和力臂影響，在液壓壩面板所受阻力不變的情況下，當(dāng)支撐高度較大時，其力臂較大，所受支撐力較?。环粗?，所受支撐力較大。

隨著支撐高度的增大，最大應(yīng)力逐漸減小。隨著角度的增大，各支撐位置的最大應(yīng)力變化無明顯規(guī)律，大多數(shù)支撐位置的最大應(yīng)力變化趨勢較為平緩。這是由于液壓壩在與水面接觸時，僅受水的壓力作用，而沒有與水面接觸的面不受其他力的作用，除了液壓缸之外，其他部分均為自由受力狀態(tài)。且液壓壩所用建筑材料為Q235，其在水的壓力作用下變形較小，持續(xù)處于彈性階段，未發(fā)生破壞。隨著支撐高度的減小，液壓壩受力狀態(tài)發(fā)生改變，使其最大應(yīng)力逐漸增大。

當(dāng)支撐高度為3m、支撐位置為8時，有壩面兩側(cè)最大平均位移，其值為122.25mm；當(dāng)支撐位置為7時，有壩面兩側(cè)最小平均位移，其值為97.03mm；當(dāng)支撐位置為8時，有最大壩面兩側(cè)位移，其值為122.5mm。此時，最大位移已超過壩體所能承受的最大值，壩體發(fā)生變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

除支撐位置8之外，支撐高度對于中點(diǎn)位移的影響較小，不同支撐高度下，壩頂?shù)闹悬c(diǎn)位移平均值差距較??；支撐高度的變化對于壩頂中點(diǎn)位移的影響較小。在同一支撐位置下，角度與壩頂中點(diǎn)位移呈正相關(guān)關(guān)系，隨著角度的增大，壩頂中點(diǎn)位移逐漸增大。