基于二維水動力模型的水工建筑物設(shè)計方案

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。