基于數(shù)值模擬的柳河生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳永躍

(新民市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 新民 110300)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),河岸生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和恢復(fù)成為重要的課題之一。 柳河作為遼寧地區(qū)具有生態(tài)價(jià)值的河流,其河岸護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和改善具有重要意義[1]。

柳河的特定環(huán)境和復(fù)雜的水動(dòng)力條件使護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定挑戰(zhàn)性。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法依賴于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這些方法無(wú)法完全考慮到復(fù)雜的水流和波浪條件下護(hù)岸結(jié)構(gòu)的變形和破壞[2]。 傳統(tǒng)的有限元分析方法在處理復(fù)雜的水-±相互作用過(guò)程中,難以準(zhǔn)確模擬柳河生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

而數(shù)值模擬方法能夠模擬和重現(xiàn)柳河的水動(dòng)力環(huán)境,包括水流沖擊、波浪力等關(guān)鍵參數(shù),為護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。 莆田站實(shí)驗(yàn)公式作為常用的岸頂高程經(jīng)驗(yàn)公式,能夠?qū)影陡叱烫峁﹨⒖肌?波浪譜方法能夠預(yù)測(cè)柳河波浪的特征和能量分布,為護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。 有限元分析和ANSYS 有限元軟件可以對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型和參數(shù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化,提高護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗沖擊性[4]。

鑒于此,本文提出基于數(shù)值模擬的柳河生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,以期為柳河生態(tài)保護(hù)和護(hù)岸工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 基于數(shù)值模擬的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生態(tài)護(hù)岸結(jié)合了生態(tài)修復(fù)和防護(hù)功能,在對(duì)河岸線進(jìn)行保護(hù)時(shí),需要承受水側(cè)水流的沖擊力、水面波浪的涌浪力和沖刷力、岸側(cè)±壤的壓力,以及岸上物體產(chǎn)生的負(fù)荷和荷載[5-6]。 水流會(huì)對(duì)生態(tài)護(hù)岸造成水平和垂直方向的力,水平力會(huì)將護(hù)岸向水流方向推動(dòng),垂直力會(huì)將護(hù)岸高度向下壓,波浪沖擊會(huì)對(duì)護(hù)岸表面造成侵蝕和破壞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致護(hù)岸發(fā)生傾斜[7-8]。

為了對(duì)生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),研究選擇柳河在遼寧新民地區(qū)的河流段為研究對(duì)象。新民地處遼河平原地區(qū),地勢(shì)呈東北高西南低的形態(tài),全境海拔在100m 以下,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。 降雨主要集中在汛期的6-8 月份,暴雨集中,年均降水量417.7mm,平均風(fēng)速4.1m/s。 柳河干流在新民流域的河長(zhǎng)283km,比降0.115%,流域面積5 647km2,河道寬200～1 000m 之間。 新民地區(qū)±壤主要由草甸±、水稻±、棕壤±、沼澤±和風(fēng)沙±5 類,其中草甸±面積占比達(dá)86%[9]。

研究設(shè)計(jì)由重力式擋±墻、墻后填±和地基±3 層±質(zhì)組成的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)。 重力式擋±墻的墻頂同時(shí)作為護(hù)岸上的健康步道使用,將草本植物種植在墻后填±表面硬化后的岸坡上,體現(xiàn)出護(hù)岸的生態(tài)性。 設(shè)計(jì)岸頂高程時(shí),以波高為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),研究使用莆田站實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算,公式如下：

式中：g 為重力加速度,取9.81m/s2;hm為平均波高,m;Tm為平均波周期,s;v0為計(jì)算風(fēng)速,m/s;D為風(fēng)區(qū)風(fēng)長(zhǎng),m;Hm為水域平均水深,m。

設(shè)計(jì)護(hù)岸岸坡坡度時(shí),需要對(duì)坡度的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,再將規(guī)范允許值和安全系數(shù)進(jìn)行比較,最后選擇出合適的岸坡坡度。 護(hù)岸和岸坡上的基礎(chǔ)±壤滑動(dòng)情況計(jì)算可以視作圓弧滑動(dòng),坡底的滑動(dòng)情況可以視為沿堤基的整體滑動(dòng),使用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算,公式如下：

式中：K為滑動(dòng)安全系數(shù);V為垂直地震慣性力,kN;u為±條底面受到的孔隙壓力,kPa;a為±條重力中心線與通過(guò)±塊底面中點(diǎn)半徑形成的夾角,(°);b為±條寬度,m;c' 為±條底面的有效凝聚力,kPa;φ'為±條底面的有效內(nèi)摩擦角,(°);Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心位置的力矩,kN·m;R為圓弧半徑,m。

利用AutoCAD 對(duì)生態(tài)護(hù)坡截面進(jìn)行繪制,再導(dǎo)入理正巖±軟件中,輸入±體參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)后,計(jì)算出邊坡穩(wěn)定性。 擋墻尺寸由±墻抗滑和抗傾覆系數(shù)作為參考,結(jié)合工程的美觀和建設(shè)預(yù)算進(jìn)行設(shè)計(jì)。 研究提出4 種重力擋±墻結(jié)構(gòu),見圖1。

圖1 重力擋土墻結(jié)構(gòu)

由圖1 可見,研究提出俯斜式、仰斜式、直立式和L 式4 種重力擋±墻結(jié)構(gòu)。 在進(jìn)行實(shí)地設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)和地基評(píng)價(jià)承載力進(jìn)行計(jì)算,并綜合重力擋±墻所需要實(shí)現(xiàn)的附加功能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取。

1.2 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及優(yōu)化

為了保障研究設(shè)計(jì)的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)在建設(shè)后的穩(wěn)定性和工作性能,需要在建設(shè)前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析[10]。 有限元法將連續(xù)體離散為有限數(shù)量的單元組合,進(jìn)而將原始具有無(wú)限自由度的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具有離散的有限自由度的組合問(wèn)題進(jìn)行求解。 通過(guò)對(duì)單元的單獨(dú)分析和融合分析后,得出整體分析結(jié)果,被廣泛應(yīng)用在工程項(xiàng)目中[11]。 研究使用有限元法進(jìn)行靜力學(xué)分析,見圖2。

圖2 有限元法靜力學(xué)分析流程

由圖2 可見,在進(jìn)行有限元法分析時(shí),首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化,將目標(biāo)物體劃分為數(shù)量有限的單元對(duì)原物體進(jìn)行替代,確定單元數(shù)量時(shí)需要對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行衡量,再對(duì)典型單元進(jìn)行特征分析,分析時(shí)需要設(shè)定位移模式展示位移與坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系,對(duì)單元力學(xué)特性進(jìn)行分析時(shí)包含單元應(yīng)變、單元應(yīng)力、單元?jiǎng)偠鹊年P(guān)系式構(gòu)建。 然后計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力,使用等效的節(jié)點(diǎn)力對(duì)單元上的力進(jìn)行替代,再由每個(gè)單元的剛度矩陣融合得到整體的剛度矩陣,由每個(gè)單元的等效節(jié)點(diǎn)力陣列融合得到整體的載荷矩陣,構(gòu)建出以剛度、載荷和位移構(gòu)成的結(jié)構(gòu)平衡方程。 最后,根據(jù)結(jié)構(gòu)平衡方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移,并推算出單元應(yīng)力。 研究使用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行有限元分析,使用時(shí)需先對(duì)分析模塊進(jìn)行設(shè)置,對(duì)單元類型、材料彈性模量、泊松比等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后建立幾何模型,并完成網(wǎng)格劃分,見圖3。

圖3 生態(tài)護(hù)岸模型建立及網(wǎng)格劃分

由圖3 可見,以L 式重力擋±墻的生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行建模。 將地基±、墻后填±和重力擋±墻結(jié)構(gòu)在ANSYS 中進(jìn)行平面幾何模型建立,設(shè)置各結(jié)構(gòu)的密度、彈性模量和泊松比。 利用ANSYS 的網(wǎng)格劃分工具,以邊長(zhǎng)0.1m 的單元尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使用線彈性本構(gòu)模型得到15 606 個(gè)節(jié)點(diǎn)和5 015 個(gè)網(wǎng)格。 將載荷和約束施加在單元上進(jìn)行求解,并通過(guò)后處理對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行輸出。 在進(jìn)行波浪的動(dòng)力分析時(shí),使用矩陣表示有限自由度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),公式如下：

式中：[M]為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;{x¨}為加速度矩陣;[C]為阻尼矩陣;{x·}為速度矩陣;[K]為剛度矩陣;{x}為位移矩陣;{x¨0}為地面加速度矩陣。

若作用力為0,則結(jié)構(gòu)呈自由振動(dòng)狀態(tài)。 所遭受的載荷中,沖擊載荷、突加載荷等變化能由時(shí)間確定的被稱為確定性函數(shù);風(fēng)載荷和地震載荷等不能由時(shí)間確定的被稱為非確定性函數(shù)。在模態(tài)分析基礎(chǔ)上,使用譜分析與已知譜值結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析。 由于±壤具有黏性,存在阻尼,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)受到結(jié)構(gòu)內(nèi)的摩擦耗能、能量發(fā)散影響,研究使用瑞利阻尼進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)分析。 護(hù)岸結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)遭受河面波浪的沖擊,分析時(shí)可將波浪拆分為多個(gè)無(wú)序的組成波,視作波浪譜。 波浪對(duì)護(hù)岸造成沖擊通常處于淺水區(qū),淺水區(qū)對(duì)波浪的非線性作用明顯,使波浪的能量頻域分布發(fā)生變化,為此研究引入尖度因子,考慮水深與波浪譜的影響,完成對(duì)波浪沖刷影響的分析。 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析時(shí),使用與靜態(tài)分析一致的基本物理參數(shù),并以已有水工建筑動(dòng)力學(xué)案例作為參考,忽略質(zhì)量阻尼系數(shù),不考慮水位的影響,將自身重力荷載施加于生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)上。 對(duì)護(hù)岸的12 階振動(dòng)頻率進(jìn)行計(jì)算,將前4 階模態(tài)進(jìn)行位移云圖輸出,使用子空間迭代法提取自振頻率,與Pierson-Moskowitz 波浪譜進(jìn)行結(jié)合得到反應(yīng)譜值。 將振動(dòng)頻率和反應(yīng)譜值輸入ANSYS Workbench 的譜分析模塊中,進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析。

2 基于數(shù)值模擬的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

為了提升生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量,研究提出基于數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并對(duì)研究提出的設(shè)計(jì)方法有效性進(jìn)行分析。 生態(tài)護(hù)岸的物理參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 生態(tài)護(hù)岸物理參數(shù)

在ANSYS 中施加標(biāo)準(zhǔn)地球重力載荷,對(duì)生態(tài)護(hù)岸的地基±加入固定約束,靜水壓力荷載的自由液面取值5.63m。 生態(tài)護(hù)岸的靜力位移云圖見圖4。

圖4 生態(tài)護(hù)岸靜力位移云圖

由圖4 可見,總位移以正值位移為主,在X方向和Y 方向的位移均以負(fù)值位移為主。 在X方向上,護(hù)岸最底部的位移達(dá)到-0. 006 964 5m以上,位移絕對(duì)值隨所處護(hù)岸位置高度上升而不斷增大,護(hù)岸最頂部位移達(dá)到-0.055 716m 以下。在Y 方向上,護(hù)岸最底部的位移達(dá)到-0.009 224m以上,位移絕對(duì)值隨所處護(hù)岸位置高度上升而不斷增大,護(hù)岸最頂部位移達(dá)到-0.073 792m 以下。 在總位移上,護(hù)岸最底部的位移在0.011 558m 以下,位移隨所處護(hù)岸位置高度上升而不斷增大,護(hù)岸最頂部位移達(dá)到0.092 464m。 護(hù)岸的位移分析結(jié)果與實(shí)際相符,且處于理想范圍內(nèi),表明研究方法提出的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)具有較好的位移穩(wěn)定度。 對(duì)生態(tài)護(hù)岸所受靜態(tài)應(yīng)力和變形值進(jìn)行計(jì)算,見表2。

表2 生態(tài)護(hù)岸靜態(tài)應(yīng)力及變形值

由表2 可見,在靜態(tài)中,生態(tài)護(hù)岸在X 方向受到應(yīng)力處于-1.339×105和2.151 7×105Pa 之間,平均值為-13 605Pa;變形量在-3.886 8×10-3和1.890 2×10-2m 之間,平均值為12.724×10-3m。在Y 方向受到應(yīng)力處于-4.758×105和24 646Pa之間,平均值為-59 562Pa;變形量在-5. 698 0×10-2和1.412 0×10-3m 之間,平均值為-7.215 8×10-3m。 受到的最大主應(yīng)力在0 和2.214 1×105Pa之間,平均值為1 580. 5Pa。 最大主變形量在1.685 2×10-9和3.526 0×10-2m 之間,平均值為3.958 4×10-3m。 整體受到的等效應(yīng)力最小值為8.595 8Pa,最大值為5. 752 5×105Pa,平均值為58 287Pa。 整體的等效變形最小為4. 274 3×10-9m,最大為6.590 1×10-2m,平均值為7.661 7×10-3m。 上述結(jié)果表明,研究方法能夠有效在靜態(tài)情況下進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。 對(duì)生態(tài)護(hù)岸的前4階振型位移值進(jìn)行生成,見表3。

表3 生態(tài)護(hù)岸前4 階振型位移值

由表3 可見,生態(tài)護(hù)岸在前4 階振型中的頻率保持在1. 173 1Hz 以上,最大位移值保持在252.74mm 以上,平均位移值保持在83. 817mm以上,相較于靜態(tài)情況下的位移值有明顯提高。生成完整的振動(dòng)周期、振動(dòng)頻率、反應(yīng)譜值,見表4。

表4 生態(tài)護(hù)岸振動(dòng)周期、振動(dòng)頻率、反應(yīng)譜值

由表4 可見,在12 個(gè)振型中,振動(dòng)周期與振動(dòng)頻率呈反比,反應(yīng)譜值隨振動(dòng)頻率上升而增加。 在振動(dòng)頻率為1. 173 1Hz 時(shí),反應(yīng)譜值為1.318 9;振動(dòng)頻率上升至8. 654 8Hz 后,反應(yīng)譜值上升到至4.375 0。 對(duì)生態(tài)護(hù)岸在動(dòng)力分析中的應(yīng)力進(jìn)行分析,見圖5。

圖5 生態(tài)護(hù)岸動(dòng)力分析的應(yīng)力分析

由圖5 可見,生態(tài)護(hù)岸在X 方向上主要受應(yīng)力位置處于不同結(jié)構(gòu)±質(zhì)的交界處,在各結(jié)構(gòu)內(nèi)部趨于最小,最小值為0.9402Pa;在重力式擋±墻、墻后填±、水體的交界線和重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處應(yīng)力快速上升,在重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處達(dá)到最高值96 034Pa。 在Y 方向上主要受應(yīng)力位置處于不同結(jié)構(gòu)±質(zhì)交界處和地基±上,在重力式擋±墻、墻后填±內(nèi)部趨于最小,最小值為2.441 9Pa;在重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處達(dá)到最高值1.815 4×105Pa。 護(hù)岸整體的等效應(yīng)力主要分布在重力式擋±墻和地基±上,在墻后填±內(nèi)部趨于最小,最小值為5.345 6Pa;在重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處達(dá)到最高值2.106 2×105Pa。 上述結(jié)果表明,研究方法能夠?qū)ι鷳B(tài)護(hù)岸進(jìn)行有效的動(dòng)力分析,數(shù)據(jù)能夠?yàn)樽o(hù)岸建設(shè)提供有效參考。

3 結(jié) 論

生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)河流流域的水±保護(hù)具有重要意義。 為此,本文提出了一種基于數(shù)值模擬的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 在數(shù)值模擬中,進(jìn)行靜態(tài)力分析時(shí),護(hù)岸位移隨所處護(hù)岸位置高度上升而不斷增大,最頂部位移達(dá)到0.092 464m;整體的等效變形最大為6.590 1×10-2m;進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí),反應(yīng)譜值在12 個(gè)振型中最高為4.375 0;護(hù)岸整體的等效應(yīng)力主要分布在重力式擋±墻和地基±上,最高值為2. 106 2×105Pa。 結(jié)果表明,研究方法提出的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠在柳河流域進(jìn)行應(yīng)用,且得到的數(shù)據(jù)能夠?yàn)槭┕ぬ峁┯行⒖肌?/p>