山區(qū)風(fēng)場(chǎng)對(duì)大壩施工影響及防治措施模擬研究

黃章飛，安婳娟

（寧波大學(xué)潘天壽建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)山區(qū)大型結(jié)構(gòu)建設(shè)項(xiàng)目日益增多，受地形影響，這些地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性及空間分布都比較復(fù)雜，給工程的設(shè)計(jì)、施工帶來(lái)眾多難題。特別是對(duì)建于峽谷地區(qū)的大型水電站而言，由于設(shè)計(jì)和施工難度大、工期長(zhǎng)，大風(fēng)對(duì)工程建設(shè)的影響成為必須考慮的因素。目前，關(guān)于山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的研究主要包括三個(gè)方面：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬。其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[1-2]和風(fēng)洞試驗(yàn)[3-5]成本高、周期長(zhǎng)、局限性大。在風(fēng)工程研究中，風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬[6-8]技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)的補(bǔ)充手段已經(jīng)得到風(fēng)工程工作者們?cè)絹?lái)越多的重視。早在1977年英國(guó)倫敦大學(xué)的Vaslie Melling[9]就對(duì)二維及三維的立方體結(jié)構(gòu)采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了研究。2000年，Kim H.G 和Patel V.C 等[10]學(xué)者對(duì)某山區(qū)地形條件下的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩種研究方法的結(jié)果較為接近。2005年，李朝等[11]學(xué)者分別用標(biāo)準(zhǔn)k-ε、Realizablek-ε和RNGk-ε三種湍流模型對(duì)某山地地形條件下的風(fēng)場(chǎng)分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明Realizablek-ε湍流模型的計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為相符。另外，西南交通大學(xué)李永樂(lè)等[12-13]以緊鄰高陡山體的大跨度懸索橋?yàn)楣こ瘫尘埃接懥瞬煌瑏?lái)流條件下高陡山體對(duì)主梁平均風(fēng)速、風(fēng)剖面以及風(fēng)攻角的影響，討論了橋址區(qū)的峽谷風(fēng)效應(yīng)。長(zhǎng)安大學(xué)張玥等[14-15]以禹門(mén)口黃河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬兩種方法對(duì)橋位附近風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了峽谷山口處強(qiáng)風(fēng)時(shí)段湍流積分尺度和風(fēng)剖面模型的建議，為內(nèi)陸風(fēng)環(huán)境的研究提供了參考。

目前業(yè)界對(duì)于山區(qū)壩址區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性的研究并不多，本文以某大型梯級(jí)水電站為研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬的方法，利用二維計(jì)算體型建立簡(jiǎn)單、精度高且計(jì)算快等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)大壩施工過(guò)程中壩高580m、640m、680m、720m、760m、800m 時(shí)，下游圍堰上防風(fēng)網(wǎng)擋風(fēng)率為0.3、0.5、0.67和1等不同組合工況下風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 數(shù)值模擬理論與風(fēng)場(chǎng)模型的建立

2.1 湍流控制方程

河谷水電站壩址區(qū)風(fēng)場(chǎng)受地形，水工建筑物，擬設(shè)防風(fēng)措施等的影響，形成含分離，回流，二次流等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜紊流流場(chǎng)。本文采用Relizablek-ε兩方程模型對(duì)壩址區(qū)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，其控制包括的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程、ε方程，可以表示成如下通用形式：

使用哈密頓算子，上式變?yōu)?/p>

式中：ρ為密度；φ為通用變量為速度矢量；Γφ為變量φ的擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為變量φ的源項(xiàng)。對(duì)于不同的控制方程，通用變量及相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)見(jiàn)表1。

表1 k - ε模型的控制方程

2.2 風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)區(qū)域模型建立

本文防風(fēng)措施為在下游圍堰上方設(shè)置20m高防風(fēng)網(wǎng)，為了反映風(fēng)速的變化對(duì)壩址區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的影響，消除風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬的阻塞效應(yīng)，數(shù)值模型的范圍下游1500m，上游1000m，高度從河道（約560m）至1200m高空。計(jì)算區(qū)域采用漸變的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方案，在包含壩體，圍堰，防風(fēng)網(wǎng)的壩址區(qū)網(wǎng)格尺度為3m，按1.15 的漸變率向外逐漸增大網(wǎng)格尺度，最大網(wǎng)格尺度限制為40m，網(wǎng)格總數(shù)約64萬(wàn)。

2.3 邊界條件設(shè)置

計(jì)算區(qū)域的邊界由下游風(fēng)場(chǎng)入口邊界（X=4000米處）、上游風(fēng)場(chǎng)出口邊界（X=1500 米處）、地表面、兩側(cè)外邊界（三維模型）及上空頂邊界組成。

①上游風(fēng)入口按速度邊界條件給定（velocityinlet），分別采用均勻入流或風(fēng)剖面模型給定。

式中：u0為梯度風(fēng)速，大氣邊界層厚度z0取為350m，本研究從安全的角度考慮取較小值α= 1/7。進(jìn)口風(fēng)速按八級(jí)大風(fēng)給出，平均風(fēng)速約20m/s。

②出口采用壓力出口邊界條件（pressure-outlet）按零壓給定。③地表采用無(wú)滑移壁面邊界條件（wall）。④兩側(cè)也無(wú)滑移壁面邊界條件（wall）。⑤頂面采用對(duì)稱邊界條件（symmetry）。

2.4 計(jì)算工況

為分析在大壩澆筑至不同高程時(shí)壩址區(qū)域內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的變化情況，從大壩建基面開(kāi)始至澆筑到頂總計(jì)6種工況，而下游圍堰上的防風(fēng)網(wǎng)分別選取0.3、0.5、0.67及1的擋風(fēng)率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況說(shuō)明

3 防風(fēng)措施模擬結(jié)果分析

為探究不同壩體高度對(duì)壩址區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分布的影響，以下分別給出各壩高工況下?lián)躏L(fēng)率為0.3、0.5、0.67以及1時(shí)，施工區(qū)的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分布云圖。

以上下游圍堰上設(shè)置不同擋風(fēng)率防風(fēng)網(wǎng)在壩升高至不同高程時(shí)壩址區(qū)的速度分布云圖表明，由于進(jìn)口風(fēng)速按梯度給出，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)在到達(dá)下游圍堰前基本符合梯度分布，而經(jīng)過(guò)下游圍堰上及圍堰上方加設(shè)的20m 防風(fēng)網(wǎng)時(shí)，基坑內(nèi)的風(fēng)速顯著降低。其中在擋風(fēng)率較小時(shí)（如圖1和圖2所示），在壩體較低時(shí)，整個(gè)基坑內(nèi)的出現(xiàn)大范圍的低速區(qū)，主要表現(xiàn)在壩高680m及以下時(shí)，壩頂?shù)惋L(fēng)速區(qū)范圍均在30m以上，這種條件能很好地滿足施工要求。但隨著防風(fēng)網(wǎng)擋風(fēng)率的增加（如圖3和圖4所示），基坑內(nèi)部的回流速度也在增加，在八級(jí)風(fēng)的來(lái)流情況下，基坑內(nèi)部局部出現(xiàn)了九級(jí)風(fēng)。另外，隨著壩體高度的不斷升高，由于過(guò)流斷面被不斷壓縮，壩頂上方的風(fēng)速逐步增強(qiáng)表現(xiàn)為風(fēng)級(jí)普遍增大一級(jí)。

圖1 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率0.3時(shí)風(fēng)場(chǎng)流速等值線云圖

圖2 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率0.5時(shí)風(fēng)場(chǎng)流速等值線云圖

圖3 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率0.67時(shí)風(fēng)場(chǎng)流速等值線云圖

圖4 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率1時(shí)風(fēng)場(chǎng)流速等值線云圖

由以上不同擋風(fēng)率防風(fēng)網(wǎng)下各不同壩高階段風(fēng)場(chǎng)流線圖可知，在來(lái)流風(fēng)級(jí)為8級(jí)時(shí)，基坑內(nèi)部均形成了不穩(wěn)定的回流區(qū)，當(dāng)圍堰上防風(fēng)網(wǎng)擋風(fēng)率為0.3時(shí)（如圖5所示），回流區(qū)范圍小且強(qiáng)度也較弱，此時(shí)基坑流場(chǎng)雖然最為穩(wěn)定，但是防風(fēng)網(wǎng)的降風(fēng)效果也最小，且隨著壩體升高，防風(fēng)網(wǎng)對(duì)壩頂上方的風(fēng)場(chǎng)影響較小，不能形成足夠的施工安全空間。隨著防風(fēng)網(wǎng)擋風(fēng)率的增加（如圖6和圖7所示），基坑內(nèi)的回流強(qiáng)度增加，尤其是在擋風(fēng)率為1（如圖8 所示）時(shí)，基坑內(nèi)的回流區(qū)都出現(xiàn)了8至10級(jí)的大風(fēng)。對(duì)0.3和1擋風(fēng)率的防風(fēng)網(wǎng)方案均有較低大局限性?？傮w來(lái)說(shuō)，在各工況下，對(duì)于壩高680m及以下時(shí)，壩頂施工低風(fēng)速區(qū)范圍均在30m以上，而壩高繼續(xù)升高時(shí)，風(fēng)場(chǎng)受防風(fēng)網(wǎng)影響的效果不是很明顯（如圖9-10 所示），表3給出各不同壩高和擋風(fēng)率組合風(fēng)場(chǎng)特性。

圖5 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率0.3時(shí)風(fēng)場(chǎng)流線圖

圖6 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率0.5時(shí)風(fēng)場(chǎng)流線圖

圖7 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率0.67時(shí)風(fēng)場(chǎng)流線圖

圖8 不同壩高工況下?lián)躏L(fēng)率1時(shí)風(fēng)場(chǎng)流線圖

表3 風(fēng)場(chǎng)特性統(tǒng)計(jì)表

圖9 圍堰防風(fēng)網(wǎng)不同擋風(fēng)率時(shí)壩頂?shù)退賲^(qū)隨壩高的變化規(guī)律

由表3可以看出：①加設(shè)防風(fēng)網(wǎng)后，壩頂面上的低風(fēng)速區(qū)顯著抬高擴(kuò)大，而且由于對(duì)風(fēng)的上挑作用，使得高風(fēng)區(qū)上移，減少了對(duì)攬機(jī)等施工器械的影響；②擋風(fēng)率從0.3提高到0.5是低風(fēng)速區(qū)的范圍增加較快，0.5 至0.67 低風(fēng)速區(qū)的范圍增加變緩，0.67 到全擋狀態(tài)增加更緩，且高擋風(fēng)率時(shí)基坑內(nèi)底部回流風(fēng)速增加；③在0.5擋風(fēng)率下，在壩高720m 可以保證壩頂上空15m 上的低風(fēng)區(qū)，可以保證穩(wěn)罐及壩頂作用面的安全；④綜合以上各圖表分析，在下游圍堰上加設(shè)20米防風(fēng)網(wǎng)建議的擋風(fēng)率為0.5～0.67。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Relizablek-ε湍流模型，對(duì)大壩下游圍堰上方采取局部防風(fēng)措施的二維流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果表明：

①在壩區(qū)下游圍堰上設(shè)置20m 高防風(fēng)網(wǎng)后，進(jìn)入基坑內(nèi)的氣流減少，且氣流顯著上挑，壩頂上方的低速風(fēng)區(qū)高度有顯著的增大，壩頂高程680m以下時(shí)壩頂可以保證30m 以上的6 級(jí)以下低風(fēng)區(qū)，有利于施工；

②由于擋風(fēng)作用，基坑底部存在回流，但最大要比來(lái)流小約3 級(jí)以上。另外，低壩時(shí)基坑內(nèi)流動(dòng)不很穩(wěn)定，流場(chǎng)較亂，導(dǎo)致壩頂高程620m 以下時(shí)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在不穩(wěn)定渦流的作用下，壩頂時(shí)而會(huì)有又較大風(fēng)出現(xiàn)，但風(fēng)速在6級(jí)以下；

③在擋風(fēng)率從0.3提高到0.5是低風(fēng)速區(qū)的范圍增加較快，0.5至0.67低風(fēng)速區(qū)的范圍增加變緩，0.67到全擋狀態(tài)增加更緩，且高擋風(fēng)率時(shí)基坑內(nèi)底部回流風(fēng)速增加。在0.5 擋風(fēng)率下，在壩高720m 可以保證壩頂上空15m 上的低風(fēng)區(qū)，可以保證穩(wěn)灌及壩頂作用面的安全。

總體而言，局部防風(fēng)方案在壩升高至680m 前，可以對(duì)各工作面形成較為有效的防護(hù)，但壩高大于680m其效果已不顯著，此時(shí)建議進(jìn)一步加高防風(fēng)網(wǎng)或者在壩面上進(jìn)行局部防風(fēng)設(shè)計(jì)。