基于FLOW-3D的黃河壩垛根石穩(wěn)定性分析

趙正西 （華電云南發(fā)電有限公司，云南 昆明 650228）

1 引言

黃河壩垛工程是黃河河道整治工程重要組成部分，該工程主要包含壩、垛以及護岸三個組成部分。護岸的作用是對原岸坡采取加固措施，用以防止水流沖刷淘蝕以及波浪作用下造成岸坡崩塌。壩垛的作用在于保護岸坡和護岸，壩垛身材較短，與水流形成一定夾角，迎托水流，消減水流動能，并且改變水流方向，不使水流直接沖刷堤岸，保護堤岸和護坡安全。

壩垛主要由土壩基和裹護體兩個部分組成。其中土壩基是壩垛的主體結(jié)構(gòu)，是一個整體結(jié)構(gòu)，是壩垛穩(wěn)定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。裹護體是離散顆粒塊體，是土壩基的外層結(jié)構(gòu)，保護土壩基不被水流直接沖刷，維護著土壩基的安全。裹護體分為兩個部分，上部分為護坦，下部分為根石，根石是壩垛受水流直接沖刷的部位，是整個壩垛安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。根石的穩(wěn)定決定著壩垛工程的抗沖能力和穩(wěn)定程度，根石用料也是壩垛工程用料量最多的地方，所以根石是壩垛工程重點防護對象。

在黃河河道整治工程中，部分險工并非是按照初步設(shè)計完成，而是在黃河汛期不斷靠搶護而成，險工的穩(wěn)定性將會大打折扣。在受到黃河洪水沖刷以及淘蝕，壩垛根石將會被水流直接沖刷帶到下游，或者因根基受水流漩渦淘刷而崩塌，最終形成根石走失現(xiàn)象。若根石走失嚴重，以及沒有及時發(fā)現(xiàn)和搶護，壩垛主體將會受到洪水淘蝕，壩垛穩(wěn)定將會受到嚴重威脅，甚至出現(xiàn)壩垛崩塌以及壩岸出險的嚴重情況。

目前對根石走失的研究主要是實際工程根石探測與相應(yīng)的物理模型試驗法。1959年黃河水利委員會下游整治工程調(diào)查組[1]通過調(diào)研首先提出黃河根石走失主要原因是壩前水流流速過大，根石的抗沖能力小于水流的作用力，加上壩垛工程布置不合理，根石在水流作用下沖揭走失。李橙林[2-3]根據(jù)黃河寧夏段壩垛工程建立物理模型，模擬工程壩垛根石走失和水流流場變化。楊軍[4]根據(jù)諸多根石走失現(xiàn)象提出根石走失的原因以及根石加固措施。

近年來，數(shù)值模型尤其是FLOW-3D軟件廣泛應(yīng)用于水利工程[5-7]。本文基于FLOW-3D軟件，根據(jù)黃河舜帝控導(dǎo)下延工程，應(yīng)用軟件里紊流模型和GMO模型建立壩垛根石走失模型，模擬根石在水流作用下走失情況，為河道整治工程設(shè)計和防汛搶險提供數(shù)值模擬的依據(jù)。

2 工程概況

數(shù)值計算模型采用黃河禹門口至潼關(guān)河段舜帝控導(dǎo)下延工程，該工程位于山西小北干流永濟段，于2013年11月15日開工，于2014年6月19日完工。

圖1 壩垛工程示意圖

舜帝控導(dǎo)下延工程連壩全長1000m，設(shè)計壩頂高程為342.40m～342.10m，平均壩高為3.90m，設(shè)計防洪流量為4000m3/s。工程采用壩、垛結(jié)合的平面型式，為土石結(jié)構(gòu)，共設(shè)13個壩垛，相連兩個壩垛之間的平均間距為80m。圖1(a)為舜帝控導(dǎo)下延工程布置位置示意圖，圖1(b)為控導(dǎo)工程壩垛平面圖，其中單個壩垛的尺寸基本一致，壩垛迎水面和背水面分別與連壩軸線有30。和60。的夾角。壩頭為半徑15m的圓弧，分別與迎水面和背水面的直線段相銜接。連壩段土體寬10 m，壩垛采用散拋塊石護坡護根。

3 數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)圖1，選取兩個壩垛段按照1∶1的比例建立數(shù)值模型，如圖2所示。單排根石均勻的分布在壩垛護坡的邊沿，根石尺寸為0.5m×0.5m×0.5m的塊體，根石塊體平均密度為2700kg/m3，根石摩擦系數(shù)為0.4，碰撞系數(shù)為0.1。壩垛根據(jù)相對位置的不同可分為不同的組成部分，為了區(qū)分不同位置根石，應(yīng)用不同顏色來表示，如圖2所示。其中正對水流方向的斜直線段為迎水面，根石顏色為粉紅色；壩垛凸向水體壩頭部分為壩前頭，根石顏色為紅色；處于迎水面和壩前頭之間的彎曲段為上跨角，根石顏色為黑色；背對水流方向為下跨角，根石顏色為綠色；連接兩壩垛的土體護坡為連壩段，根石顏色為橙色；兩壩垛之間的水體區(qū)域為壩襠間，壩襠間沒有根石塊體。

圖2 數(shù)值模型

3.2 模型初始條件和邊界條件

3.2.1 初始條件

根據(jù)實際工程施工水位為339.98m，設(shè)計水位為341.32m，水位變化1.34m，為了模型計算方便，取相對水位高程，設(shè)置水位339.48m為0m高程，初始水位為0.5m。

計算時間為360s，時間步長為1s。

模型計算區(qū)域采用正規(guī)化網(wǎng)格單元劃分，網(wǎng)格單元尺寸為0.25m×0.25m×0.25m，網(wǎng)格總數(shù)約為1.06×106。

3.2.2 邊界條件

入口邊界為壓力邊界(Specified pressure)，入流水位(Fluid elevation)在300s內(nèi)從0.5m上升到1.84m，隨后維持入流水位在1.84m；出流邊界為自由出流(Outflow)；左右邊界以及底面邊界為固壁邊界(Wall)；計算區(qū)域上方為壓力邊界(Specified pressure)，壓力為一個標準大氣壓。

4 數(shù)值模擬分析

圖3為不同時刻流速圖，圖4為不同時刻根石走失圖。在t=50s時，流場水流變化穩(wěn)定，最大流速接近1m/s，可觀察到迎水面有部分根石走動，壩前頭處根石有微小位移，下跨角的根石有著不明顯的移動，其余區(qū)域根石維持著原先狀態(tài)。在t=150s時，流場流速增大，因為壩垛對河道的束窄作用，壩前頭附近流速較大，接近2m/s，壩前頭根石以及靠近壩前頭的上跨角根石有著明顯的位移，根石向下游走動，下跨角處的少許根石由于水流的作用發(fā)生輕微移動，部分根石有著向壩襠間移動的趨勢，連壩段處的根石發(fā)生不明顯的移動。在t=250s時，壩前頭流速進一步增大，流速接近3m/s，壩前頭和上跨角大部分根石在水流作用下已遠離原位置，下跨角根石有著明顯的移動位移，連壩段處部分根石向上游移動，迎水面流速并無明顯增加，所以迎水面的根石與之前并無明顯的位移變化。在t=350s時，隨著入流水位的上升，流場流速進一步增大，壩前頭流速接近3.5m/s，壩前頭和上跨角的根石基本已經(jīng)全部走失，水流沖擊下跨角導(dǎo)致下跨角部分根石向下游和壩襠間移動，連壩段和迎水面的流速沒有進一步增大，所以兩處的根石與之前沒有明顯的移動位移。

在整個數(shù)值模擬計算過程中，壩前頭和上跨角的流速相較于其他區(qū)域處于較大值，這兩處的根石受水流作用力較大，根石走失最為嚴重，其次是下跨角，迎水面和連壩段處的根石走失程度最輕，走失的根石大部分停留在壩襠間。

5 結(jié)論

圖3 不同時刻流速圖

圖4 不同時刻根石運動走失

本文基于FLOW-3D軟件，應(yīng)用軟件自帶GMO模型和RNG紊流模型，根據(jù)舜帝控導(dǎo)下延工程實際工程狀況，以1∶1比例建立了黃河壩跺根石走失的數(shù)值物理模型，對實際壩垛工程進行數(shù)值模擬計算分析，得到以下結(jié)論：

①數(shù)值模擬結(jié)果顯示根石位于上跨角和壩前頭走失最為嚴重，迎水面和下跨角以及連壩段處的根石走失情況較輕，所以在實際工程中，更需要關(guān)注上跨角和壩前頭處根石走失情況；

②計算結(jié)果顯示設(shè)計洪水作用下壩前頭與上跨角處根石采用50cm塊體時容易走失，實際工程匯中應(yīng)該采用尺寸更大的塊體結(jié)合相應(yīng)的工程措施進行護根。