浪涌對(duì)水利工程的沖擊影響研究

摘 要：為了分析浪涌對(duì)水利工程的沖擊影響，本文構(gòu)建了浪涌固體流體的耦合模型。在此模型的理論基礎(chǔ)上，分析了浪涌過(guò)程中固體、流體的力學(xué)特征、應(yīng)力變化和邊界條件，從而為有限元分析設(shè)定了量化條件。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)高水位和潰壩兩種情況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，給出高水位情況下的浪涌變化規(guī)律和浪頭高度變化，對(duì)比不同潰壩量情況下的浪涌沖擊應(yīng)力變化和浪頭高度變化。

關(guān)鍵詞：水利工程；浪涌沖擊；高水位；潰壩

中圖分類號(hào)：TV 87 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水利工程在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活中都發(fā)揮著非常重要的作用，可以承擔(dān)水上運(yùn)輸、蓄能發(fā)電、防洪泄洪等任務(wù)[1]。因此，在大量的江河水道上都興建了水利工程，以更加充分地利用水運(yùn)和水能。但是，水利工程也面臨著諸多的隱患，必須充分考慮各種風(fēng)險(xiǎn)因素、量化評(píng)估、設(shè)置應(yīng)對(duì)預(yù)案，才能有效地保護(hù)水利工程、保證其平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)[2]。在水利工程的各種影響因素中，浪涌沖擊是最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的一種。在汛期，上游水位持續(xù)暴漲，會(huì)導(dǎo)致河道水位持續(xù)上漲，形成超出正常水平的高水位。在高水位情況下，浪涌會(huì)形成對(duì)壩體的反復(fù)沖擊，從而削弱壩體強(qiáng)度甚至導(dǎo)致壩體破壞[3]。在壩體出現(xiàn)潰壩的情況下，浪涌則會(huì)沖破壩體攔截，向下游釋放更大的沖擊，會(huì)帶來(lái)更大的影響和破壞。因此，量化分析浪涌的影響，可以使水利工程防患于未然，進(jìn)行更有針對(duì)性的預(yù)防工作。本文針對(duì)水利工程面臨的浪涌問(wèn)題構(gòu)建理論模型，并從高水位浪涌和潰壩浪涌?jī)蓚€(gè)維度進(jìn)行試驗(yàn)。

1 浪涌過(guò)程的流體固體耦合理論與模型

河道中水的流動(dòng)有多種形式，但無(wú)論何種形式的水流運(yùn)動(dòng)，都符合牛頓所建立的流體力學(xué)理論。當(dāng)分析水流運(yùn)動(dòng)的各種規(guī)律時(shí)，三大守恒基本定律成為了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，可以從質(zhì)量、動(dòng)量、能量3個(gè)維度構(gòu)建水流運(yùn)動(dòng)的基本方程，從而分析水流場(chǎng)中的速度、壓力、壓強(qiáng)等各種物理量。

從控制的角度構(gòu)建水流模型，也是一種適用的思路?？梢詫⒄麄€(gè)水流流體劃分成更小的微流單元，它具有特定的邊界、體積，并形成彼此連接的獨(dú)立可控單元，這樣可以形成從微觀到中觀，從中觀到微觀的雙向推演法則，從而解釋水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

河道中實(shí)際的水流運(yùn)動(dòng)方式是難以捕捉的，它們呈現(xiàn)的是一種非常復(fù)雜且隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，速度、壓力等指標(biāo)都具有很大的不確定性。尤其是當(dāng)浪涌發(fā)生時(shí)，情況就變得更復(fù)雜。

浪涌從形態(tài)上體現(xiàn)為水浪的形式，具有液體形態(tài)的波動(dòng)性。同時(shí)，從運(yùn)動(dòng)特征上體現(xiàn)為涌，會(huì)帶有一定的沖擊力。在水流流動(dòng)的過(guò)程中，大量的砂石也被卷入其中，形成了固態(tài)和液態(tài)的耦合運(yùn)動(dòng)方式。流體固體耦合的基本方程如公式（1）所示。

ρd=?σ+F " " " " " " " " " " " （1）

式中：ρ為浪涌過(guò)程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的密度；d為浪涌過(guò)程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的位移；σ為浪涌過(guò)程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的柯西應(yīng)力；F為浪涌過(guò)程中固體和流體形成的耦合結(jié)構(gòu)體的力。

進(jìn)一步可以推導(dǎo)浪涌過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)邊界條件，如公式（2）所示。

（2）

式中：σf為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體應(yīng)力；σs為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體應(yīng)力；nf為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體應(yīng)力方向；ns為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體應(yīng)力方向；df為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體位移；ds為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體位移；qf為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體熱流量；qs為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體熱流量；Tf為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的固體熱溫度；Ts為浪涌過(guò)程中耦合結(jié)構(gòu)體內(nèi)的流體熱溫度。

在上述模型的支撐下，可以在有限元分析軟件中，量化浪涌過(guò)程的影響，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并加以觀測(cè)。

2 高水位情況下浪涌對(duì)水利工程的沖擊影響及試驗(yàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中，從兩個(gè)角度對(duì)浪涌的沖擊影響進(jìn)行分析，分別是高水位情況下的沖擊和出現(xiàn)潰壩情況下的沖擊。需要觀察在高水位情況下，浪涌的沖擊影響。

試驗(yàn)環(huán)境以Ansysis有限元分析軟件為平臺(tái)，以河道攔截壩體為水利工程研究對(duì)象，將壩體材料的密度設(shè)定為2200kg/m3，壩體材料的彈性模量設(shè)定為2500MPa，壩體材料的剪切模量設(shè)定為1200MPa，壩體高度設(shè)定為100m。河道為具有落差的階梯型（形）河道，上游水位為80m，下游水位為60m，上下游之間存在20m的落差。在高水位的情況下，落差導(dǎo)致浪涌并向下游（左側(cè)）的攔截壩體產(chǎn)生沖擊。

在剛發(fā)生浪涌后，上下游的水位仍然保持相對(duì)穩(wěn)定，上下游落差處以相對(duì)均勻的瀑布流為主。但是因?yàn)樯嫌嗡桓?、水量持續(xù)變大，浪涌沖擊不斷增強(qiáng)，所以在浪涌發(fā)生后的幾秒內(nèi)，落差處的均勻瀑布流就被打破，形態(tài)開(kāi)始出現(xiàn)波浪，并且沖向下游的壩體。當(dāng)浪涌發(fā)生10s后，浪涌形成了連續(xù)的波浪，對(duì)左側(cè)攔截壩體進(jìn)行反復(fù)沖擊和拍打，浪涌發(fā)生30s后，上下游水位間落差急劇減少，下游水位急劇升高，浪涌幅度變小，壩體開(kāi)始承受更大的壓力。整個(gè)浪涌對(duì)壩體的沖擊過(guò)程的仿真結(jié)果如圖1所示。

進(jìn)一步觀察浪涌發(fā)生時(shí)，浪涌的高度變化。當(dāng)浪涌剛開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)橄掠嗡坏停掠魏拥纼?nèi)的整體水量不多，所以浪頭的高度并不大。但是隨著第一波浪涌的發(fā)生，浪頭高度迅速拉升形成局部最高位后又開(kāi)始回落，其后在相對(duì)高位小幅度波動(dòng)。當(dāng)上游水量大量注入下游時(shí)，浪頭的高度會(huì)出現(xiàn)第二次拉升，這一次拉升到整體最高位（基本接近壩體的最大高度）后在高位趨于穩(wěn)定。從理論上講，上游水量繼續(xù)增加，還會(huì)導(dǎo)致浪頭高度的再次拉升，但是再次拉升會(huì)超過(guò)壩體最大高度，形成外泄，就不將其作為浪涌沖擊。這個(gè)過(guò)程的浪涌高度變化曲線如圖2所示。

3 潰壩情況下浪涌對(duì)水利工程的沖擊影響及試驗(yàn)

針對(duì)發(fā)生潰壩的情況下，分析浪涌所帶來(lái)的沖擊影響。在浪涌的反復(fù)沖擊下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)極限情況，即河道攔截大壩出現(xiàn)潰口。這種潰口可能并不會(huì)馬上引起大壩坍塌，但會(huì)使浪涌部分溢出，從而導(dǎo)致浪涌對(duì)壩體的沖擊影響有了新的改變。

當(dāng)潰壩發(fā)生1s時(shí)，潰口的地方就已經(jīng)有了流速。到第2s時(shí)，潰壩水流流動(dòng)了一段時(shí)間且潰壩首浪也已經(jīng)生成，潰壩首浪的流速是比潰口處的水體流速快的，但是兩者的流速都很快。隨后潰壩水流繼續(xù)下泄，5s時(shí)形成了氣體空腔，并且氣體空腔逐漸變大，潰壩首浪繼續(xù)向前流動(dòng)，越來(lái)越多的地方有了流速分布。當(dāng)10s時(shí)，通過(guò)整個(gè)水面的流速分布云圖可以看出，潰壩首浪靠近兩岸的水體流速快于中間潰壩首浪的流速。隨著潰壩水流的推動(dòng)，當(dāng)15s時(shí)，在下游庫(kù)區(qū)內(nèi)，幾乎每個(gè)地方都有了流速分布。當(dāng)20s時(shí)，庫(kù)區(qū)兩側(cè)的潰壩首浪到達(dá)壩體的上游壩面，由于壩體的阻礙作用，因此達(dá)到壩體壩面的水體開(kāi)始沿著壩體上游壩面和庫(kù)區(qū)兩岸爬高。隨后中間潰壩首浪也到達(dá)壩體上游壩面，并且開(kāi)始沿著壩體上游壩面爬高。由于沒(méi)有后續(xù)水體的跟進(jìn)潰壩，因此首浪開(kāi)始回落，回落的水體和受到重力壩反作用的水體開(kāi)始逆流而上，回流的水體遇上潰壩向下流的潰壩水體，兩者就會(huì)產(chǎn)生相互作用，整個(gè)河道的水面流速值也在變慢。在這種相互作用下，河道的水面慢慢趨于穩(wěn)定，整個(gè)水面的流速分布也慢慢趨于平靜。上述過(guò)程的仿真結(jié)果，如圖3所示。

當(dāng)潰壩發(fā)生時(shí)，浪涌給壩體帶來(lái)了較大的沖擊力。因此，進(jìn)一步利用Ansysis軟件分析浪涌過(guò)程中潰壩壩體所承受的應(yīng)力變化。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，潰口一般發(fā)生在壩體上方位置，在潰口出（處），浪涌同時(shí)起到?jīng)_擊受阻和沖出垂直下落的作用，因此導(dǎo)致沖擊應(yīng)力最大。在沿著潰口向兩側(cè)邊緣的位置上，浪涌對(duì)壩體的沖擊都是比較大的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，浪涌對(duì)壩體的沖擊力，具有層次上的變化。越是靠近上層水位，浪涌的沖擊力越大。因此，沖擊應(yīng)力最大的位置都在最上層水位。中下層水位基本沒(méi)有水體流動(dòng)，不產(chǎn)生流速或者流速很慢，不會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生沖擊。此時(shí)可以得到潰壩時(shí)浪涌對(duì)壩體的沖擊力變化云圖，如圖4所示。

在潰壩發(fā)生后，壩體潰口的潰塌總量是不同的。浪涌的沖擊越嚴(yán)重，潰壩量占?jí)误w總量的占比越高，而在不同潰壩量的情況下，又會(huì)反過(guò)來(lái)影響浪涌的浪頭高度和浪涌的沖擊效果。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，潰壩量占比越大，潰口越大，浪涌的浪頭高度越大，浪涌對(duì)壩體的沖擊越明顯。在試驗(yàn)中，分別對(duì)比了潰壩量占?jí)误w總量20%、潰壩量占?jí)误w總量30%、潰壩量占?jí)误w總量40%這3種情況，得出浪涌的浪頭高度變化對(duì)比曲線，如圖5所示。

4 結(jié)論

目前，我國(guó)在大量的江河水道上興建水利工程，更加充分地利用水運(yùn)和水能。但是，水利工程也面臨著諸多的隱患，必須充分考慮各種風(fēng)險(xiǎn)因素、量化評(píng)估、設(shè)置應(yīng)對(duì)預(yù)案，才能有效地保護(hù)水利工程、促使其平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。在水利工程的各種影響因素中，浪涌沖擊是最常見(jiàn)也最嚴(yán)重的一種。本文提出了浪涌固體流體的耦合模型，從理論層面上分析浪涌對(duì)河道大壩的影響，并從高水位和潰壩兩個(gè)維度上進(jìn)行浪涌沖擊影響的仿真試驗(yàn)，給出了流速場(chǎng)、應(yīng)力變化、浪頭高度等量化結(jié)果。

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