局部防風(fēng)措施對大壩施工的防護作用數(shù)值模擬研究

郭利豪，李國棟，李瑩慧

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

1 研究背景

眾所周知，設(shè)計不當(dāng)?shù)慕ㄖ锝Y(jié)構(gòu)在較強的風(fēng)荷載作用下容易發(fā)生損壞，尤其如跨度較大的橋梁、高層建筑物等細(xì)長型結(jié)構(gòu)。但是大風(fēng)環(huán)境往往也會對施工安全及施工質(zhì)量造成影響。在中國西南地區(qū)的高山峽谷中，有的地方在冬、春季往往會出現(xiàn)持續(xù)大風(fēng)天氣，如位于金沙江的白鶴灘水電站壩址處，實測7級以上大風(fēng)天數(shù)占全年總天數(shù)的66%，而在10-次年4月的冬、春季這一占比高達84%。且有研究表明該大壩的修建過程中，大風(fēng)環(huán)境會危及纜機等大型設(shè)備的運行及施工人員的安全[1]。這不僅對工程的建設(shè)進度造成了影響，同時也會降低混凝土的澆筑質(zhì)量(為了保證大壩不同倉面之間的連續(xù)性以及大壩的完整性，在混凝土澆筑時要保持20 h甚至30 h的連續(xù)施工)。因此本文提出局部防風(fēng)措施，并對其進行模擬研究，這對順利、安全、高質(zhì)量、按時完成大壩澆筑施工具有相當(dāng)重要的意義。

目前現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)環(huán)境的研究主要集中在細(xì)長建筑物如橋梁、高層建筑物等受風(fēng)力影響較大的工程項目，且對這兩類項目的研究多集中于風(fēng)對建筑物設(shè)計本身的安全影響，并未涉及到風(fēng)對施工過程影響的研究，但這也是不可忽略的對工程質(zhì)量影響巨大的一面。同時關(guān)于風(fēng)環(huán)境的研究方法主要有現(xiàn)場實測[2-4]、風(fēng)洞試驗[5-7]和數(shù)值模擬[8-9]計算等，由于數(shù)值模擬方法具有強大的靈活性和經(jīng)濟性，近年來被越來越多的學(xué)者用于各類科學(xué)研究，其中包括關(guān)于風(fēng)場的研究。如2018年吳聯(lián)活等[10]利用FIUENT對山地地形風(fēng)場特性進行數(shù)值模擬，得到復(fù)雜山區(qū)地形橋址區(qū)風(fēng)場的空間分布特性；張玥等[11]以晉峽大峽谷地帶禹門口黃河大橋為研究對象，總結(jié)了各項異性復(fù)雜地形下橋峽谷地帶風(fēng)場分布特性；薛亞飛等[12]以擬建的山西臨猗黃河大橋為工程背景，采用FLUENT軟件進行橋位地形風(fēng)場數(shù)值模擬，研究表明風(fēng)從正北方吹時，各監(jiān)測點處平均風(fēng)速隨著高度增加而增大；李正良等[13]對山頂平均風(fēng)加速比在不同山體坡度的情況下進行了數(shù)值模擬研究，并且將模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明通過數(shù)值模擬平均風(fēng)的結(jié)果更為準(zhǔn)確；2020年P(guān)eterson等[14]利用加速度數(shù)據(jù)對哈丹格爾大橋的風(fēng)荷載進行研究估算；2019年Yu等[15]研究了深沖峽谷橋梁、橋面棧道的風(fēng)場特性，確定了局部地形對平均風(fēng)特征的影響，導(dǎo)出了湍流強度和長度沿橋式天橋的變化規(guī)律；李永樂等[16-17]選取橋位處的山區(qū)復(fù)雜地形，對該處的風(fēng)場特性進行數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律不同于常規(guī)的對數(shù)律以及指數(shù)律模型；2019年毛璐璐等[18]基于ANSYS/FLUENT軟件研究超高層建筑抗風(fēng)形體優(yōu)化，認(rèn)為圓形截面負(fù)風(fēng)壓量值較小，且具有良好的抗風(fēng)性能；Aristodemou等[19]運用大渦模擬方法對高層建筑周圍空氣流動對污染擴散的影響進行模擬研究，并輔以風(fēng)洞試驗加以驗證，同時以此來優(yōu)化建筑分布；Elshaer等[20]在大渦模擬和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代模型的基礎(chǔ)上，提出了建筑物轉(zhuǎn)角啟動優(yōu)化程序降低風(fēng)荷載；2000年Kim等[21]采用實測與模擬相結(jié)合的方法，對山區(qū)地形的風(fēng)場特性進行研究，發(fā)現(xiàn)實測與模擬這兩種研究方法的結(jié)果較為接近；郭立博等[22]針對橫風(fēng)作用下壩體與心墻填筑高度差的防風(fēng)結(jié)構(gòu)進行研究，發(fā)現(xiàn)增加防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差和減小設(shè)置距離有利于心墻處近地面風(fēng)速的消減；劉翊竣等[23]以洪澤湖為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法分析了風(fēng)場和吞吐流對流場的影響，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速會改變流場強度而不會改變其結(jié)構(gòu)，同時還會影響該湖泊的出流能力。由以上文獻可以看出，數(shù)值模擬方法在風(fēng)環(huán)境研究中的實用性和準(zhǔn)確性均較強。由于本文所選的實例工程施工范圍大、關(guān)注點較多，三維數(shù)值模擬的方法同樣適用于本研究，所以本文用數(shù)值模擬方法對增設(shè)了局部防風(fēng)措施的白鶴灘水電站施工周期內(nèi)壩頂澆筑到不同高程時，壩體區(qū)域內(nèi)高、低線供料平臺各工作面處的風(fēng)力特性進行了模擬，并對該方案的防風(fēng)效果進行了分析。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

白鶴灘水電站樞紐工程位于金沙江峽谷，地處四川省寧南縣和云南省巧家縣交界。攔河大壩為橢圓線型混凝土雙曲拱壩，大壩共分為31個壩段，最大壩高289.0 m，壩頂高程834.0 m。大壩共設(shè)置纜機7臺，采用高、低雙線布置方案。高線3臺，軌道平臺高程905 m，低線4臺，軌道平臺高程890 m，纜機的工作區(qū)域均在壩頂上方10 m。低線纜機供料平臺布置高程768 m，高線供料平臺布置高程834 m。工程建成后的整體效果圖見圖1。

圖1 白鶴灘水電站整體效果圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 氣象數(shù)據(jù)來源 本文對大壩附近的新田自動氣象觀測站2012-2014年的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，7級及其以上大風(fēng)每年平均241 d，其中8級大風(fēng)81 d，9級大風(fēng)58 d，10級大風(fēng)23 d，11級大風(fēng)5 d。可以看出大壩區(qū)域風(fēng)力主要以7、8、9級為主，計算時采用最不利條件，即9級。

2.2.2 模型驗證 數(shù)值模型在應(yīng)用前，均需要進行模型驗證，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠。同時由于本研究項目白鶴灘水電站工程的地形實測數(shù)據(jù)較少，所以采用與本壩址區(qū)域地形相似的風(fēng)洞試驗[24]來進行驗證計算。該風(fēng)洞試驗計算區(qū)域為6.3 m(長)×1.4 m(寬)×1.4 m(高)，山體地形模型在靠近試驗段入口的2.1 m處，模型比例為1∶1000。模型網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為364×104個。入口邊界采用風(fēng)速入流，平均風(fēng)速為15 m/s，出口按大氣壓給定。

數(shù)值模擬采用余弦形山體模型，山體形狀及風(fēng)速測點布置如圖2所示，其輪廓形狀表達式如下：

圖2 數(shù)值模型山體形狀及風(fēng)速測點布置

(1)

式中：H為山體高度，取值為H=150 mm；D為山體底部直徑，D=600 mm。

選取山體順風(fēng)向3個不同斷面的3個測點，即1#、3#、5#測點(圖2)，模擬計算出該3個測點在不同高度處的風(fēng)速與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比，如圖3所示。

圖3 3個不同斷面測點風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比

由圖3可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果非常接近。所選3個斷面測點的相對誤差最大不超過2.46%。因此，該數(shù)值模型可以準(zhǔn)確地模擬峽谷地形的風(fēng)場分布規(guī)律。

2.3 研究方法

2.3.1 數(shù)值模擬方法 肖儀清等[25]對山區(qū)峽谷的風(fēng)場特性采用不同的湍流模型進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)Realizable 湍流模型對于山區(qū)峽谷這種復(fù)雜地形的模擬效果較好，因此本文采用該湍流模型對峽谷中的白鶴灘水電站壩址區(qū)域進行模擬。有限體積法被用于進行控制方程的離散，SIMPLEC算法被用于流場的求解。計算達到收斂的條件是：所有變量的無量綱殘差迭代至10-3以下穩(wěn)定不變化或者呈現(xiàn)一個穩(wěn)定的相同趨勢的小幅度波動狀態(tài)；監(jiān)測點處流場特性不再出現(xiàn)顯著變化；出、入流邊界流量之差小于10-3。在滿足這些條件的情況下被認(rèn)為此時流場模擬是穩(wěn)定的。

2.3.2 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分 根據(jù)工程概況以及機械施工設(shè)備的布置，數(shù)值模型的長度范圍為大壩上游4 000 m至下游6 000 m，其高度范圍為從河道高程(約560 m)至高程5 000 m，河岸兩側(cè)的模擬寬度范圍為8 000 m。并根據(jù)實際工程布置，在地形模型中加入了高、低線供料平臺、纜機主副塔等局部地形特征。整體模型及局部重點區(qū)域地形特征如圖4、5所示。

圖4 整體幾何模型 圖5 模型局部重點區(qū)域地形特征 圖6 整體模型網(wǎng)格劃分示意圖

考慮到計算區(qū)域地形復(fù)雜且范圍較大，同時又兼顧模擬計算的速度和精度，本文采用漸變的網(wǎng)格劃分方案，以1.2 m的漸變速率向外擴大，最大網(wǎng)格尺寸為100 m，不同工況下，網(wǎng)格總數(shù)在358×104～413×104之間。網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

2.3.3 邊界條件設(shè)置 入口按速度邊界給定，采用均勻風(fēng)速入流，按照最不利情況風(fēng)速取20.8 m/s。出口采用壓力出口邊界條件按大氣壓給定。地表和兩側(cè)按無滑移邊界給定(wall)，頂面采用對稱邊界條件(symmetry)。其他具體邊界條件設(shè)置如圖7所示，模擬風(fēng)向如圖8所示。

從老福家出來還沒走多遠(yuǎn)，羅麗就沖羅瑞發(fā)脾氣：“你真笨，認(rèn)輸了？咱們干嘛來了？給警察提供謀殺案線索嗎？我們這家人指望你真是沒戲！”

圖7 數(shù)值模型邊界條件設(shè)置 圖8 數(shù)值模型模擬風(fēng)向 圖9 壩址區(qū)域的整體防風(fēng)網(wǎng)布置 圖10 左岸局部防風(fēng)網(wǎng)布置

2.3.4 計算工況及局部防風(fēng)措施布置

(1)計算工況。氣象觀測站觀察數(shù)據(jù)顯示，壩區(qū)常年以7～9級風(fēng)為主，風(fēng)向大多數(shù)為沿著河道方向的北風(fēng)或者偏北風(fēng)。為了便于計算同時又保證不會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文僅考慮垂直于入口邊界的正北風(fēng)向(圖8)，模擬入口風(fēng)速取較不利情況的20.8 m/s(即為9級風(fēng))。在分析結(jié)果時，采用風(fēng)力替代風(fēng)速，以滿足實際工程需求。本文在針對施加局部防風(fēng)措施后的大壩進行施工全過程的模擬，選取5個典型壩頂澆筑高程，分別為600、650、700、750和800 m。

(2)局部防風(fēng)措施。由于大壩在施工過程中，壩體和高、低線供料平臺處是受風(fēng)場影響較大的區(qū)域，因此局部防風(fēng)措施的實施也是圍繞該重點區(qū)域。通過對計算模擬在防風(fēng)網(wǎng)高度、防風(fēng)網(wǎng)安裝位置、擋風(fēng)率、組合布置方式4方面進行不斷調(diào)試，最終提出了以下防風(fēng)效果較好的措施：

①下游圍堰上設(shè)置20 m高的擋風(fēng)網(wǎng)，至高程648 m，該處擋風(fēng)網(wǎng)的建立將有利于低壩高時的施工。

②左岸在890 m平臺、854 m平臺、834 m平臺邊緣以及壩肩下游側(cè)設(shè)置20 m高擋風(fēng)網(wǎng)，以對高、低線供料平臺形成防護。

③右岸副塔上、下游設(shè)置20 m高擋風(fēng)網(wǎng)，間隔300 m，可為副塔區(qū)提供防護。

擋風(fēng)網(wǎng)的擋風(fēng)率設(shè)為0.5，按4 m透風(fēng)、4 m不透風(fēng)進行概化處理。具體防風(fēng)網(wǎng)布置如圖9、10所示。

3 結(jié)果與分析

模擬結(jié)果主要分為4部分：第1部分為大壩澆筑到不同高程處沿河道縱向風(fēng)場分布云圖，旨在展示增設(shè)局部防風(fēng)措施后壩體區(qū)域、消力池內(nèi)的風(fēng)力特性；第2部分為壩頂上方10 m處的風(fēng)速分布，該處的風(fēng)場主要影響的是大壩的連續(xù)澆筑，結(jié)合第1、2部分可對壩體區(qū)域進行立體性的分析；第3部分為高、低線供料平臺處的風(fēng)速分布，對該處的關(guān)注主要原因是高、低線供料平臺擔(dān)負(fù)著為大壩澆筑提供混凝土的重要功能；第4部分為大壩不同澆筑高程時，大壩壩頂左岸、中部和右岸3個位置上方的低風(fēng)速區(qū)范圍變化，是對整體壩址區(qū)域施工安全環(huán)境的再次確認(rèn)。

3.1 大壩澆筑至不同高程處河道縱向風(fēng)場分布

圖11為大壩澆筑至不同高程時沿河道縱剖面(X=2 000 m)的風(fēng)速云圖，各級風(fēng)力所對應(yīng)的風(fēng)速見表1。

表1 各級風(fēng)力所對應(yīng)的風(fēng)速

由圖11可以看出，在壩頂高程為600、650m時，壩頂上方存在較大范圍的低風(fēng)速區(qū)；高程升高至700 m時，壩頂上方低風(fēng)速區(qū)范圍大幅度減小，但仍可以滿足施工要求；隨著壩體繼續(xù)澆筑升高，低風(fēng)速區(qū)范圍進一步減小，已不能滿足安全施工的要求。同時由圖11也可以看出，增設(shè)擋風(fēng)網(wǎng)后，在壩高650 m以下，消力池內(nèi)風(fēng)場分布紊亂，主要原因是大壩高度較低，未能形成有規(guī)律的風(fēng)場回流，但風(fēng)力總體均在6級以下。

3.2 壩頂上方風(fēng)場分布

圖12為增設(shè)局部防風(fēng)措施的條件下，壩頂不同澆筑高程時壩頂上方10 m處的風(fēng)速分布云圖。

注：圖中等值線按風(fēng)力等級劃分，由藍(lán)色至紅色依次為4級以下、4級、5級、6級、7級、8級、9級、10級、10級以上，由于風(fēng)速等值線只能按等間隔劃分，所以與規(guī)范中風(fēng)力所對應(yīng)的風(fēng)速分界值略有差異，但不影響對風(fēng)場的分析，下同。

圖12 壩頂不同澆筑高程時壩頂上方10 m處的風(fēng)速分布云圖

由圖12可以看出，在壩高為600、650 m時，整個施工區(qū)域均為低風(fēng)速區(qū)，是一種較為理想的施工環(huán)境；當(dāng)壩頂高程達到700 m時，區(qū)域內(nèi)流場較亂，呈左岸風(fēng)速大、右岸風(fēng)速小的分布狀況，該種情況下只有部分區(qū)域可滿足施工要求；當(dāng)壩頂高程超過700 m時，風(fēng)場又進入穩(wěn)定分布的狀態(tài)，以壩身為分界線，下游為較大風(fēng)速區(qū)域，上游為較低風(fēng)速區(qū)域，雖然風(fēng)速分布比較理想，但結(jié)合縱剖面圖(圖11)可知，低風(fēng)速區(qū)高度范圍較小，未能滿足壩面澆筑的風(fēng)速條件，造成該種情形的原因是來風(fēng)遇到壩體阻擋而抬升，未貼壩頂通過，形成了很小范圍的低風(fēng)速區(qū)，不能滿足施工要求。

3.3 低、高線供料平臺處風(fēng)場分布

圖13為增設(shè)局部防風(fēng)措施的條件下，壩頂不同澆筑高程時，低、高線供料平臺上方10 m處的風(fēng)速分布云圖。

圖13 壩頂不同澆筑高程時低、高線供料平臺上方10 m處的風(fēng)速分布云圖

由圖13中低線供料平臺處的風(fēng)場分布可以看出，在壩高為600、650、700 m時，整個左岸區(qū)的風(fēng)力分布均較為相似，且處于安全的狀態(tài)；當(dāng)壩高上升至750 m時，大風(fēng)向左岸偏移，低風(fēng)速區(qū)范圍減小；當(dāng)壩高為800 m時，由于壩體較高，同樣對低線供料平臺形成了防護。可見在壩高超過700 m以后，低線供料平臺可達安全要求，但其周圍存在著高風(fēng)帶，需予以重視。

由圖13中高線供料平臺處的風(fēng)場分布可以看出，風(fēng)場分布較為均勻、規(guī)則，且隨著壩體澆筑高度的增加呈現(xiàn)出低風(fēng)速區(qū)逐漸減少、高風(fēng)速區(qū)逐漸向內(nèi)擠壓的趨勢。壩高不超過700 m時，高線供料平臺處于低風(fēng)速區(qū)內(nèi)；壩高超過700 m時，該平臺逐漸暴露于高風(fēng)速區(qū)。該區(qū)域風(fēng)場分布較為規(guī)律的原因是平臺高程較高且受地形和工程設(shè)備的干擾較小。可少見壩頂澆筑高程超過700 m時，高線供料平臺的運行安全受到威脅。

3.4 壩頂不同位置低風(fēng)速區(qū)高度

圖14為不同壩頂澆筑高程時壩頂左岸、大壩中部和右岸的低風(fēng)速區(qū)高度。

圖14 不同壩頂澆筑高程時壩頂左岸、大壩中部和右岸的低風(fēng)速區(qū)高度

由圖14可知，當(dāng)壩頂高程為600、650 m時，整個壩體上方的低風(fēng)速區(qū)高度由左岸到右岸均較高，大壩中部的低風(fēng)速區(qū)高度甚至可達130 m，可為施工提供足夠的安全保障。大壩左岸、中部和右岸的低風(fēng)速區(qū)高度整體呈現(xiàn)隨著壩頂高程增加而減少的趨勢，但壩頂高程為750 m時，左岸低風(fēng)速區(qū)高度出現(xiàn)了增大現(xiàn)象，出現(xiàn)該種情況是因為左岸山體的防護。當(dāng)壩頂高程超過750 m時，大壩中部和右岸低風(fēng)速區(qū)高度大幅度下降，這對工程的施工是不利的。

4 討 論

由于局部防風(fēng)措施的設(shè)置，使風(fēng)場分布情況整體上較自然條件有很大改觀，這種形勢在壩頂高程低于700 m時表現(xiàn)較為明顯，主要是因為局部防風(fēng)措施所布設(shè)的防風(fēng)網(wǎng)高度有限，使其僅僅在高程較低的條件下能很好地發(fā)揮效果，在更高的施工環(huán)境下則保護作用減弱。為了解決這一問題，在后續(xù)的研究中應(yīng)嘗試增加防風(fēng)網(wǎng)高度，改變其布設(shè)方式來提高對工程的防護效果。

5 結(jié) 論

本文探討了為大壩安全施工而增加局部防風(fēng)措施后的施工區(qū)風(fēng)場特性，主要研究了白鶴灘水電站壩址區(qū)域和高、低線供料平臺處的風(fēng)場分布，得到主要結(jié)論如下：

(1)由于下游圍堰頂部設(shè)置20 m高的擋風(fēng)網(wǎng)，其擋風(fēng)作用使得進入基坑內(nèi)的風(fēng)速減小，同時由于擋風(fēng)網(wǎng)的存在，風(fēng)向會發(fā)生改變而呈現(xiàn)上挑趨勢，使得在壩頂高程較低情況下的壩頂上方低風(fēng)速區(qū)高度顯著增大，達到30 m以上。

(2)低線供料平臺處的風(fēng)力與原風(fēng)力相比減小3級以上；高線供料平臺處的風(fēng)場分布較不規(guī)則，在近大壩側(cè)風(fēng)力較小，遠(yuǎn)側(cè)則較大。當(dāng)壩體低于700 m時，高、低線供料平臺處于非常安全的狀態(tài)；壩體超過700 m時，高線供料平臺的運行安全受到威脅。

總而言之，局部防風(fēng)措施在大壩的安全建設(shè)施工中有著較大的意義，在大壩較低時起到了很好的防護作用。但是當(dāng)壩頂澆筑高程超過700 m時，各施工點位均會受到不同程度的威脅，同時本方案經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化已達到了較優(yōu)的防風(fēng)效果，若要對高壩施工進行更好的防護，則可以考慮全斷面防風(fēng)等其他措施。