河道活動(dòng)壩特性研究與應(yīng)用
——以白楊河為例

閆軍林

(新疆云灃水利設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

利用水壩進(jìn)行蓄水,可為灌溉、發(fā)電和養(yǎng)殖提供基礎(chǔ)條件。橡膠壩、滾水壩、翻門(mén)壩等傳統(tǒng)水壩在蓄水防洪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但從實(shí)際應(yīng)用中可以看出,傳統(tǒng)水壩存在的缺點(diǎn)已不滿(mǎn)足目前實(shí)際工程需求[1]。相較于傳統(tǒng)水壩,近年來(lái)剛興起的液壓活動(dòng)壩克服了傳統(tǒng)水壩的缺點(diǎn),保留了傳統(tǒng)水壩的優(yōu)點(diǎn),是水利科技的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新[2]。隨著液壓活動(dòng)壩技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用的范圍也隨之?dāng)U大,不僅應(yīng)用于河道工程,也逐漸應(yīng)用于漁業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)田灌溉及中小水電站蓄水等領(lǐng)域[3],同時(shí)對(duì)液壓活動(dòng)壩的要求也越來(lái)越高。

目前,對(duì)液壓活動(dòng)壩的研究和分析還不夠深入,尤其是活動(dòng)壩在水壓荷載下的安全運(yùn)行,是亟待解決的問(wèn)題。因此,本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市的白楊河為例,結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件和水文氣象條件,對(duì)河道的液壓活動(dòng)壩靜力特性進(jìn)行研究分析,并對(duì)其河道活動(dòng)壩特性應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證,以期為液壓活動(dòng)壩的應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究以白楊河為例,白楊河隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市,又名白水河,發(fā)源于東天山支脈博格達(dá)山南坡,隸屬于兩個(gè)行政區(qū)[4]。白楊河起源于烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)境內(nèi),流經(jīng)吐魯番市托克遜縣,最后與阿拉溝河匯合入托克遜河,全長(zhǎng)150km。該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候,冬寒夏熱,降水稀少,年降水量70mm,年平均溫度10.6℃。植被以溫帶草原和荒漠為主,植被稀疏,河流含沙量較大[5]。

白楊河流域北邊是壯麗的博格達(dá)山,西邊則是雄渾的喀拉烏成山,南邊與覺(jué)羅塔格山緊密相鄰,東邊則逐漸向艾丁湖傾斜,形成一個(gè)三面環(huán)山、東部低平如簸箕的獨(dú)特地形?？傮w地勢(shì)呈現(xiàn)出發(fā)育成熟的西北高、東南低態(tài)勢(shì)。在山區(qū),海拔高程從1 000m一路攀升至5 445m,綠洲則位于海拔-125～200m之間的沖洪積平原上,最低海拔高程為-125m,而0米高程線(xiàn)恰好穿過(guò)托克遜縣城的中心。由于流域地勢(shì)由高到低,自然景觀的垂直變化異常顯著,使得自然環(huán)境和資源豐富多樣。同時(shí),巨大的地勢(shì)差異和特殊的地理形態(tài)又使得氣候變化呈現(xiàn)出多樣化的面貌[6]。

因白楊河流域內(nèi)無(wú)水文測(cè)站,得不到實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)。因此,采用地區(qū)綜合法,由暴雨數(shù)據(jù)直接推算設(shè)計(jì)洪水。設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算如下:

式中:x為降雨量,mm;m為資料項(xiàng)數(shù);n為資料序位;Pn為資料中第n項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)頻率。

根據(jù)公式計(jì)算值,采用理論頻率曲線(xiàn)確定暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù),并采用點(diǎn)面折算系數(shù)法設(shè)計(jì)面雨量。

2 河道活動(dòng)壩特性分析——白楊河流域分析

活動(dòng)壩一般由水壩基礎(chǔ)、液壓泵、液壓缸和面板組成,具備泄水和擋水雙重功能[7-8]。活動(dòng)壩固定在底部轉(zhuǎn)軸,可以依靠轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),活動(dòng)壩由液壓缸作為支撐,使壩面與液壓缸形成穩(wěn)定的三角形。液壓活動(dòng)壩可以依靠液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人工管理的自動(dòng)升壩降壩活動(dòng),液壓活動(dòng)壩正常運(yùn)行時(shí),面板與水面直接接觸,由面板接收水壓力,再將水壓力通過(guò)底梁、頂梁、水平次梁和橫隔板等傳遞到液壓支撐桿。液壓支撐桿固定在基座上,與壩面鉸接相連接,每扇壩體具有兩個(gè)液壓支撐桿,共同支撐水壓和壩面的自重。液壓活動(dòng)壩的受力見(jiàn)圖1。

圖1 液壓活動(dòng)壩受力圖

由圖1可以看出,液壓活動(dòng)壩受到的壓力如下:

式中:L為壩面受到的水平壓力;V為壩面受到的垂直壓力;T為液壓缸的支撐力,液壓缸支撐力隨著參數(shù)β的變化而變化。

液壓活動(dòng)壩主要包括平面液壓活動(dòng)壩、弧形液壓活動(dòng)壩和機(jī)翼形液壓活動(dòng)壩[9-10]。其中,平面液壓活動(dòng)壩具有施工簡(jiǎn)單、狀態(tài)穩(wěn)定以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的液壓活動(dòng)壩的擋水高度為2m,隨著工程要求的提升,對(duì)液壓活動(dòng)壩的擋水高度有了新要求,需要對(duì)新的擋水高度的液壓活動(dòng)壩進(jìn)行靜力特性分析[11]。新的擋水要求按照3m計(jì)算,根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),新的平面液壓活動(dòng)壩的初選面板高度為3.3m,寬度為6m,壩面與水平呈65°夾角。平面液壓活動(dòng)壩的梁格平面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 平面液壓活動(dòng)壩梁格平面結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知,該平面液壓活動(dòng)壩包含1根頂梁(L1)、1根底梁(L6)以及4根水平橫梁(L2-L5),梁與梁中間均以無(wú)縫圓鋼管相連接。同時(shí),還包含8塊加強(qiáng)板(JQB)、2塊側(cè)板(CB)以及5塊橫向隔板(HGB1-HGB5)。其中,面板和側(cè)板的厚度分別為10和16mm,加強(qiáng)板和橫向隔板的厚度分別為16和12mm。

設(shè)計(jì)的平面液壓活動(dòng)壩新的擋水高度為3m且壩面與水平呈65°,當(dāng)上游水位超過(guò)壩頂0.5m時(shí),就會(huì)出現(xiàn)塌壩,因此擋水高度3.5m為該平面液壓活動(dòng)壩的最高水位。液壓活動(dòng)壩受到的負(fù)荷主要來(lái)自于壩體自重、壩頂流水的動(dòng)水荷載以及壩體迎水面的靜水壓力[12]。因動(dòng)水荷載計(jì)算復(fù)雜,根據(jù)以往工程的測(cè)算數(shù)據(jù),現(xiàn)將動(dòng)水荷載設(shè)置為靜水荷載的0.2倍,以?xún)煞N工況對(duì)活動(dòng)壩的靜力特性進(jìn)行研究分析。第一種工況是擋水高度剛好為3m,壩頂沒(méi)有過(guò)水的情況,此時(shí)的荷載需計(jì)算靜水壓力和壩體自重。第二種工況是達(dá)到最高擋水高度3.5m,壩頂過(guò)水高度為0.5m,此時(shí)的荷載需要計(jì)算的是靜水壓力、壩體自重以及壩頂?shù)膭?dòng)水壓力。兩種工況下壩體以及壩體內(nèi)的構(gòu)件所產(chǎn)生的位移和應(yīng)力情況見(jiàn)表1。

表1 兩種工況下壩體構(gòu)件的位移和應(yīng)力值變化

由表1可知,在兩種工況下,活動(dòng)壩主要構(gòu)件的應(yīng)力和位移相差數(shù)據(jù)不大。位移情況出現(xiàn)最為嚴(yán)重的是側(cè)板(CB),在工況1情況下位移8.547mm,在工況2情況下位移13.497mm,可以看出變形主要出現(xiàn)在壩體的兩側(cè)及上半部分。應(yīng)力最大的變化出現(xiàn)在底梁(L6)和橫隔板(HGB),可以看出應(yīng)力的變化主要集中在壩體穩(wěn)定下半部分。工況1和工況2情況下,最大的應(yīng)力值分別為189和223MPa,未超過(guò)活動(dòng)壩的屈服應(yīng)力值,表明壩體的變形情況和最大應(yīng)力值滿(mǎn)足工程安全規(guī)范要求,壩體的結(jié)構(gòu)安全性良好。但從表1可以看出,壩體存在有些構(gòu)件變形值較大的同時(shí)應(yīng)力值小而應(yīng)力值較大的同時(shí)變形值小的情況,表明壩體結(jié)構(gòu)的布置不夠合理。

為了解決此類(lèi)問(wèn)題,對(duì)該平面液壓活動(dòng)壩的壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力優(yōu)化。從壩體存在有些構(gòu)件變形值較大的同時(shí)應(yīng)力值小而應(yīng)力值較大的同時(shí)變形值小的情況可以看出,構(gòu)件材料的性能未得到充分應(yīng)用,表明壩體結(jié)構(gòu)的整體布置還有優(yōu)化空間。從以上的靜力特性分析可以看出,變形程度最大的是壩體兩側(cè),造成壩體兩側(cè)變形最大的原因有兩種:①壩體兩側(cè)邊緣的梁格區(qū)間大,以及構(gòu)件的剛度不夠;②液壓支撐桿的外伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)[13]。為了使結(jié)構(gòu)布置更加合理,可以在壩體兩側(cè)增加橫梁和橫隔板,以減小梁格的區(qū)間,同時(shí)可以增加支撐桿之間的距離,縮短外伸的長(zhǎng)度。優(yōu)化平面液壓活動(dòng)壩的梁格平面結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化平面液壓活動(dòng)壩梁格平面結(jié)構(gòu)圖

從圖3可以看出,與原結(jié)構(gòu)的平面圖相比,優(yōu)化后的梁格平面圖增加了4塊橫隔板以及增加了支撐桿間的距離。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的壩體與原結(jié)構(gòu)壩體的應(yīng)力和位移值進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)前后壩體構(gòu)件的位移和應(yīng)力值變化

從表2可以看出,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力值最大為131MPa,最大位移值為7.064mm;與優(yōu)化前相比,應(yīng)力值和位移值都明顯減少,表明優(yōu)化后的壩體結(jié)構(gòu)更合理。

3 河道活動(dòng)壩特性應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證河道活動(dòng)壩特性的應(yīng)用效果,對(duì)不同角度下優(yōu)化前后的活動(dòng)壩特性進(jìn)行對(duì)比分析。壩面與水平面的夾角α不超過(guò)75°,測(cè)試驗(yàn)證不同角度下對(duì)壩體特性的影響。不同角度下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力、位移以及液壓缸支撐力的對(duì)比見(jiàn)圖4。由圖4(a)可知,優(yōu)化后的應(yīng)力值明顯減小,其中優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在夾角為60°時(shí)取得最小應(yīng)力值15MPa,相較于優(yōu)化前的最小應(yīng)力值68MPa下降77.9%。由圖4(b)可知,在夾角為15°時(shí)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)都取得最小位移值,其中優(yōu)化后的最小位移為7mm,相較于優(yōu)化前的最小位移值22mm下降68.2%。由圖4(c)可知,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的支撐力隨著角度的增大而增大,最大的支撐力為425kN,而結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的支撐力在夾角為45°時(shí)最大為425kN,表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)支撐力的影響不大,結(jié)構(gòu)的優(yōu)化并未改變支撐力的受力。

圖4 不同角度下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力、位移以及液壓缸支撐力的對(duì)比圖

不同水體長(zhǎng)度、不同工況下對(duì)液壓活動(dòng)壩的自振頻率皆有影響,利用控制變量法,驗(yàn)證在不同水體長(zhǎng)度及不同工況下自振頻率的變化,不同水體長(zhǎng)度和不同工況下的自振頻率見(jiàn)圖5。由圖5(a)可知,自振頻率在水體長(zhǎng)度0～3m區(qū)間出現(xiàn)明顯的下降,在3～6m區(qū)間出現(xiàn)細(xì)微的向上波動(dòng),在6m之后趨于平穩(wěn)。表明水體長(zhǎng)度在3m以?xún)?nèi)時(shí),對(duì)自振頻率有很大影響;在3～6m范圍內(nèi)對(duì)自振頻率產(chǎn)生較小的影響;在6m之后對(duì)自振頻率幾乎沒(méi)有影響。因此,為了避免水體長(zhǎng)度對(duì)液壓活動(dòng)壩造成影響,水體的模擬長(zhǎng)度應(yīng)取6m及以上。由圖5(b)可知,第2階的自振頻率明顯小于其他頻率段,隨著壩面角度增大的同時(shí),自振頻率出現(xiàn)減小趨勢(shì)。其中,第2階頻率在角度為65°取得最小值約14.57Hz;第10階頻率在角度為25°時(shí)取得最大值約62.25Hz。水流的脈動(dòng)頻率區(qū)在10Hz以下,考慮到如果自振頻率與水體發(fā)生共振,會(huì)導(dǎo)致液壓活動(dòng)壩結(jié)構(gòu)遭到破壞的情況,因此為了液壓活動(dòng)壩的安全性應(yīng),避免高能脈動(dòng)頻率區(qū)的同時(shí)選擇最低的頻率。綜上可以看出,在壩面角度為65°時(shí)的第2階自振頻率屬于適合的安全頻率。

圖5 不同水體長(zhǎng)度和不同工況下的自振頻率圖

為了驗(yàn)證優(yōu)化液壓活動(dòng)壩的相關(guān)性能,利用零階法,驗(yàn)證迭代次數(shù)與目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量的關(guān)系。迭代次數(shù)與目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)向量的關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6(a)可知,橫坐標(biāo)為迭代次數(shù),縱坐標(biāo)為目標(biāo)函數(shù),即液壓活動(dòng)壩的總體積。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到19次時(shí)收斂停止,此時(shí)目標(biāo)函數(shù)得到最小值0.325m3,相比于初始值的目標(biāo)函數(shù)值0.426m3減小0.101m3。當(dāng)?shù)螖?shù)為8次時(shí),目標(biāo)函數(shù)得到最大值0.55m3,相比于目標(biāo)函數(shù)的最小值增加0.225m3。因此,當(dāng)?shù)螖?shù)為19次時(shí)液壓活動(dòng)壩的體積最小,為最佳狀態(tài)。由圖6(b)可知,橫坐標(biāo)為迭代次數(shù),縱坐標(biāo)為狀態(tài)變量,即正常的工況條件下液壓活動(dòng)壩在第2階頻率下的狀態(tài)變量。當(dāng)?shù)螖?shù)為9次時(shí),狀態(tài)變量取得最大值13.9Hz;當(dāng)?shù)螖?shù)接近5次時(shí),狀態(tài)變量取得最小值9Hz。在液壓活動(dòng)壩為最小體積即迭代次數(shù)為19次時(shí),此時(shí)的狀態(tài)變量值為10.7Hz,相比于初始狀態(tài)變量9.5Hz下降1.2Hz。綜上可以看出,優(yōu)化液壓活動(dòng)壩的頻率降低,提高了動(dòng)力安全性,同時(shí)液壓活動(dòng)壩的體積減小,降低了成本,表明本次液壓動(dòng)力壩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到了優(yōu)化的目的。

圖6 迭代次數(shù)與目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量的關(guān)系圖

為了直觀看到優(yōu)化前后液壓活動(dòng)壩的自振頻率變化情況,將優(yōu)化前后的頻率圖進(jìn)行對(duì)比分析。優(yōu)化前后的液壓活動(dòng)壩的自振頻率變化見(jiàn)圖7。由圖7可知,優(yōu)化后的頻率明顯整體小于優(yōu)化前的頻率,優(yōu)化后的基頻即第一階的頻率約9.5Hz,比優(yōu)化前的頻率約12.5Hz降低31.6%。優(yōu)化后的最大頻率值約61.5Hz,比優(yōu)化前的最大頻率值約64.5Hz降低4.9%。當(dāng)液壓活動(dòng)壩體積為最小即頻率為2階時(shí),優(yōu)化后的頻率值為14Hz,比優(yōu)化前的頻率值15.2Hz降低8.6%。綜上可以看出,結(jié)構(gòu)優(yōu)化在只增加少量構(gòu)件的情況下,不僅減小了液壓活動(dòng)壩體積而且降低了頻率,在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了優(yōu)化的效果。

圖7 優(yōu)化前后的液壓活動(dòng)壩的自振頻率變化圖

4 結(jié) 論

本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市的白楊河為例,在分析液壓河道活動(dòng)壩特性的基礎(chǔ)上,運(yùn)用有限元軟件,對(duì)活動(dòng)壩的結(jié)構(gòu)特性和靜力特性進(jìn)行了分析。同時(shí),為了使活動(dòng)壩的結(jié)構(gòu)布置更加合理,結(jié)合靜力分析結(jié)果,對(duì)活動(dòng)壩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果顯示,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在壩面夾角為60°時(shí)取得最小應(yīng)力值15MPa,比優(yōu)化前的應(yīng)力值下降77.9%。優(yōu)化后壩體產(chǎn)生的最小位移為7mm,比優(yōu)化前降低68.2%。在壩面角度為65°時(shí)的第2階自振頻率取得最小值約14.57Hz,迭代次數(shù)為19次時(shí)的目標(biāo)函數(shù)得到最小值0.325m3,優(yōu)化后的基頻約9.5Hz,比優(yōu)化前降低31.6%?？梢钥闯?液壓活動(dòng)壩具有較高的安全性。