不規(guī)則實(shí)體堰壩流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)耦合分析

丁少超，黃 青

(浙江省水利水電技術(shù)咨詢中心，浙江 杭州 310020)

千百年來(lái)堰壩作為一種壅水建筑物，主要用于灌溉，是古代先民治水歷史中的重要智慧結(jié)晶[1-2]。它通過(guò)攔截水流，抬高水位來(lái)滿足引水灌溉的需求，同時(shí)在一定程度上也可對(duì)整個(gè)河道的坡降進(jìn)行調(diào)整，以起到鞏固泥沙的作用；另一方面它還能夠改善和治理區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)質(zhì)量，從而促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展[3]。在全國(guó)中小河流中有著不計(jì)其數(shù)的堰壩，其中多為實(shí)體固定堰。近年來(lái)較多堰壩并未達(dá)到使用年限就發(fā)生局部沖毀甚至整體破壞的現(xiàn)象[4-5]。因此，在設(shè)計(jì)階段完善堰壩流場(chǎng)分析與穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。

目前堰壩穩(wěn)定計(jì)算主要采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法，在堰體穩(wěn)定分析時(shí)常選取堰壩剖面進(jìn)行單寬計(jì)算，而不規(guī)則堰壩各剖面均不同，采用該方法無(wú)法準(zhǔn)確反映堰壩及基礎(chǔ)受力情況[6]。此外，在受力分析時(shí)常將堰體、基礎(chǔ)和水體作為單獨(dú)對(duì)象，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)之間的相互影響以及應(yīng)力、變形的分布情況。

近些年，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件的完善，有限元法在水利工程領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但考慮自由表面外部流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的堰壩穩(wěn)定分析還較為欠缺[7-16]。本文基于ANSYS Workbench仿真平臺(tái)對(duì)不規(guī)則實(shí)體堰進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算。首先，考慮結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，建立堰壩和基礎(chǔ)的材料模型；然后，將模型導(dǎo)入ANSYS CFX中引入氣液兩相流來(lái)模擬堰壩的流場(chǎng)以及水壓力分布；……