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      基于二維水動力模型的水工建筑物設(shè)計方案

      2020-02-28 07:51:04陳紅兵
      水科學(xué)與工程技術(shù) 2020年1期
      關(guān)鍵詞:水工數(shù)學(xué)模型建筑物

      陳紅兵

      (和田鼎晟工程試驗檢測有限公司,新疆 和田 848000)

      水工建筑物在設(shè)計時,考慮到個性突出、工程規(guī)模一般較大,風險也大、施工過程中外界影響因素較多及設(shè)計問題眾多等特征[1]。每個水工建筑都有其自身獨特的特點,同時設(shè)計時需要綜合考慮多種自然與人為因素的影響,因此提出基于二維水動力模型的水工建筑物設(shè)計方案。通過研究水工建筑物可行性、確定水工建筑物的等級,依托建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型,完成水工建筑物的結(jié)構(gòu)可靠性、抗震性設(shè)計,結(jié)合安全性校驗實驗,完成了本文的研究。

      1 水工建筑物初始設(shè)計

      1.1 水工建筑物可行性分析

      在進行水工建筑物初始設(shè)計時,首先要對水工建筑物所在區(qū)域的自然地理、地質(zhì)、水文、氣象、社會經(jīng)濟及相關(guān)規(guī)程與規(guī)范進行調(diào)研,為進行可行性調(diào)研奠定基礎(chǔ)。

      論證擬在建水工建筑物在技術(shù)上的可能性、經(jīng)濟上的合理性及開發(fā)次序上的迫切性。包括:初擬主要水文參數(shù)、查清主要地質(zhì)問題、選定工程地址、估算淹沒補償和對環(huán)境的影響、初定工程等級、建筑物等級、主要建筑物形式、輪廓尺寸和樞紐布置方案、裝機容量和機型、估算主要工程量、初擬施工導(dǎo)流方案、主體工程的施工方法、施工總體布置和總進度、估算工程總投資、進行經(jīng)濟分析和評價、闡明工程效益等,即研究可行性研究報告[2]。研究可行性報告是既滿足水工建筑物所應(yīng)滿足的各種條件,又使其工程量或工程費用最省的基礎(chǔ)。

      1.2 水工建筑物等級確定

      確定水工建筑物的等級,不同等級的水工建筑物的不同要求主要體現(xiàn)在:抗泄洪的能力、強度和穩(wěn)定性、建筑材料及運行可靠性上。水工建筑物又分永久水工建筑物和臨時水工建筑物,二者等級劃分如表1、表2:

      表1 永久水工建筑物的等級劃分

      表2 臨時水工建筑物等級劃分

      主要建筑物是指壩、泄洪建筑物、輸水建筑物及電站廠房等,主要建筑物失事后會對下游造成嚴重的災(zāi)害,同時嚴重影響水工建筑物的經(jīng)濟效益。次要建筑物是指擋土墻、擋流墻、工作橋及護岸等,次要建筑物失事后不會對下游造成嚴重的災(zāi)害,同時幾乎不影響水工建筑物的經(jīng)濟效益,修復(fù)性高。

      完成水工建筑物初始設(shè)計后,依托初始設(shè)計結(jié)果,建立二維水動力數(shù)學(xué)模型,對水工建筑物的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

      2 基于二維水動力模型的水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計

      2.1 建立二維水動力數(shù)學(xué)模型

      二維水動力模型是為在實驗室中模擬復(fù)雜的自然環(huán)境中水的動態(tài)變化,即水中物質(zhì)的擴散過程而制作的小規(guī)模模型。用以預(yù)測當時環(huán)境與某種影響時所發(fā)生的變化,其水平方向及深度方向的比例不同,按相似規(guī)律設(shè)計而成[3]??筛鶕?jù)試驗?zāi)康拇_定組合支配各種現(xiàn)象和變化過程的因子并觀察模型中(如設(shè)計的河流、湖泊、海灣等模型)污染物擴散規(guī)律和情況。

      為適用于非恒定流水的水工建筑物,基于明渠和管道連接,設(shè)計了二維水動力數(shù)學(xué)模型,通過二維水動力模型解決水工建筑物耦合計算的問題[4]。為了研究基于二維水動力模型的水工建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計,需要分析水工建筑物有壓、無壓管流控制方程。有壓、無壓管流控制方程如式(1):

      式中 H為壓力水頭;t為時間;z為水位;c為波速;V為斷面平均流速;c為波速;g為重力加速度;漬為管道傾角;x為橫坐標。

      有壓、無壓管流控制動量方程如式(2):

      式中 J為摩阻水頭損失。

      分別建立水工建筑物有壓、無壓管流控制的連續(xù)性、動量方程,完成二維水動力數(shù)學(xué)模型的搭建。通過搭建的數(shù)學(xué)模型模擬水工建筑物的非恒定流水,依托模擬的非恒定流水完成水工建筑物的結(jié)構(gòu)可靠性、抗震性設(shè)計。

      2.2 水工建筑物結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計

      任何結(jié)構(gòu)都有失效的可能,即絕對安全的結(jié)構(gòu)不存在,因此設(shè)計結(jié)構(gòu)采用相關(guān)變量均為隨機變量。

      利用二維水動力數(shù)學(xué)模型模擬準確度,計算結(jié)構(gòu)和地基的受力特點。并利用結(jié)構(gòu)安全等級確定材料抗力、勘測方法的取值規(guī)則,選取安全實用的建筑材料[5]。

      一般在水工建筑物結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中,應(yīng)用的壩、泄洪建筑物的高度應(yīng)高于施工期可能出現(xiàn)的最高水位0.5~0.7m(包括最高浪高),壩、泄洪建筑物的基底應(yīng)比水工建筑物的基礎(chǔ)的平面寬0.5~1.0m??紤]到排水設(shè)施會受到河水流速增大的影響,對水工建筑物壩、泄洪建筑結(jié)構(gòu)和斷面進行設(shè)計,來確保水工建筑物的自身性能。針對水工建筑物下沉幅度大的缺點,設(shè)置鋼圍堰基礎(chǔ),在其內(nèi)部設(shè)置水位監(jiān)測裝置,控制鋼圍堰基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,保證壩、泄洪建筑物基礎(chǔ)受力穩(wěn)定,減少水工建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移的概率。其次利用優(yōu)選法尋求抗滑安全系數(shù)最小值及其對應(yīng)的滑裂面參數(shù),對土石壩進行可靠性設(shè)計,應(yīng)用最小數(shù)學(xué)規(guī)劃問題對重力壩、拱壩結(jié)構(gòu)進行可靠性設(shè)計。

      經(jīng)過可靠性設(shè)計,水工建筑物在區(qū)域水庫承載能力極限狀態(tài)下,如有輕微破壞,經(jīng)加固維修后仍可正常運行。

      2.3 水工建筑物結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計

      我國地震活動頻繁,水工建筑物的抗震設(shè)計和抗震安全性評價,是水工結(jié)構(gòu)學(xué)科研究的重要內(nèi)容。利用建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型,完成抗震計算,并采取相應(yīng)抗震措施。

      水工建筑物所在區(qū)域設(shè)計烈度為6°時,水工建筑物能夠采取相應(yīng)抗震措施即可; 當設(shè)計烈度高于9°時,水工建筑物需進行專門的抗震研究,使水工建筑物能抵設(shè)計烈度的地震,如有輕微破壞,經(jīng)加固維修后仍可正常運行[6]。

      為了確保地震時,水工建筑物的防滲漏、防沖擊性能,在進行水工建筑物的結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計時需要檢測結(jié)構(gòu)剛度,良好的結(jié)構(gòu)剛度能夠保證水工建筑物具有良好的抗水流沖擊能力。在設(shè)計水工建筑物接頭時,嚴格按照水工建筑設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計,同時嚴格設(shè)計驗收工序,只有設(shè)計與檢驗相結(jié)合,才能確保水工建筑在地震時的具有優(yōu)質(zhì)的防滲漏、防沖擊性能。

      壩、泄洪建筑物、輸水建筑物往往是水工建筑物的一部分,其結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計既涉及水流條件,又涉及本身結(jié)構(gòu)、周圍建筑物及下游的經(jīng)濟和技術(shù)指標。利用二維水動力數(shù)學(xué)模型模擬在設(shè)計烈度下,壩、泄洪建筑物、輸水建筑物分別處于承載能力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下,水流條件及本身結(jié)構(gòu)的形變量。在極限情況下,通過調(diào)整材料耐震系統(tǒng),增加水工建筑物的結(jié)構(gòu)抗震。

      依托建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型,完成水工建筑物的結(jié)構(gòu)可靠性、抗震性設(shè)計,通過安全性校驗實驗,完成基于二維水動力模型的水工建筑物方案設(shè)計。

      3 仿真實驗

      為保證設(shè)計的二維水動力模型水工建筑方案的有效性,進行仿真實驗,仿真實驗過程中,利用二維水動力模型模擬交替非恒定水流,結(jié)合水工建筑物,建立適用于具有復(fù)雜非恒定流水力學(xué)系統(tǒng),通過對不同流量下非恒定水流計算模擬,驗證基于二維水動力模型的水工建筑物的安全性。

      3.1 數(shù)據(jù)準備

      水工建筑失事中有一半是集中在施工期和適用初期,因此對基于二維水動力模型的水工建筑物的安全性校驗,即驗證水工建筑在施工期內(nèi)及運行期內(nèi),強度安全性。

      本次試驗采用仿真實驗的方式進行驗證,實驗類型為對比實驗,實驗對象包括常規(guī)水工建筑物設(shè)計方案和基于二維水動力模型的水工建筑物設(shè)計方案。實驗周期4個周期,實驗參數(shù)如表3。

      表3 實驗參數(shù)范圍

      3.2 實驗過程

      (1)實驗過程中,首先建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型,模擬非恒定水流,使得水工建筑分別處于承載能力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)。利用功能函數(shù)完成水工建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)的確定,功能函數(shù)如式(3)。

      其中,X(1,2…n)為水工建筑中不同建筑物的可靠度。當功能函數(shù)為0時,水工建筑結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài);當功能函數(shù)為正數(shù)時,水工建筑結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài);當功能函數(shù)為負數(shù)時,水工建筑結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

      (2)根據(jù)對比實驗參數(shù)要求,構(gòu)建仿真試驗環(huán)境,模擬兩處500萬m3庫容量標準水庫。載入兩種設(shè)計方案,即本文提出方案和傳統(tǒng)設(shè)計方案。

      (3)分別對常規(guī)方案設(shè)計下水工建筑,以及基于二維水動力模型方案設(shè)計下水工建筑,進行仿真實驗,并對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,形成圖表。

      3.3 實驗結(jié)果

      依托仿真軟件,得出水工建筑在施工期內(nèi)及運行期內(nèi),強度安全性對比結(jié)果曲線,如圖1。

      圖1 試驗對比結(jié)果曲線

      根據(jù)實驗對比結(jié)果,利用算術(shù)平均值計算法,求平均值,得出本文提出的水工建筑設(shè)計方案下,建筑結(jié)構(gòu)強度安全性為94.32%,常規(guī)水工建筑設(shè)計方案下,建筑結(jié)構(gòu)強度安全性為42.25%,從而得出基于二維水動力模型的水工建筑物設(shè)計方案較常規(guī)設(shè)計方案的建筑結(jié)構(gòu)安全性提升29.5%。

      4 結(jié)語

      通過對水工建筑物進行初始設(shè)計,建立二維水動力數(shù)學(xué)模型,依托二維水動力數(shù)學(xué)模型,設(shè)計水工建筑物的結(jié)構(gòu),從而完成本文研究。通過仿真實驗,對水工建筑的結(jié)構(gòu)進行安全性校驗,實驗證明,該水工建筑設(shè)計方案具有可行性。

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