基于二維水動力模型的水工建筑物設計方案

陳紅兵

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000）

水工建筑物在設計時，考慮到個性突出、工程規模一般較大，風險也大、施工過程中外界影響因素較多及設計問題眾多等特征［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學模型，完成水工建筑物的結構可靠性、抗震性設計，結合安全性校驗實驗，完成了本文的研究。

1 水工建筑物初始設計

1.1 水工建筑物可行性分析

在進行水工建筑物初始設計時，首先要對水工建筑物所在區域的自然地理、地質、水文、氣象、社會經濟及相關規程與規范進行調研，為進行可行性調研奠定基礎。

論證擬在建水工建筑物在技術上的可能性、經濟上的合理性及開發次序上的迫切性。包括：初擬主要水文參數、查清主要地質問題、選定工程地址、估算淹沒補償和對環境的影響、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滿足的各種條件，又使其工程量或工程費用最省的基礎。

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在：抗泄洪的能力、強度和穩定性、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害，同時嚴重影響水工建筑物的經濟效益。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害，同時幾乎不影響水工建筑物的經濟效益，修復性高。

完成水工建筑物初始設計后，依托初始設計結果，建立二維水動力數學模型，對水工建筑物的結構進行設計。

2 基于二維水動力模型的水工建筑物結構設計

2.1 建立二維水動力數學模型

二維水動力模型是為在實驗室中模擬復雜的自然環境中水的動態變化，即水中物質的擴散過程而制作的小規模模型。用以預測當時環境與某種影響時所發生的變化，其水平方向及深度方向的比例不同，按相似規律設計而成［3］。可根據試驗目的確定組合支配各種現象和變化過程的因子并觀察模型中（如設計的河流、湖泊、海灣等模型）污染物擴散規律和情況。

為適用于非恒定流水的水工建筑物，基于明渠和管道連接，設計了二維水動力數學模型，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構設計，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性、動量方程，完成二維水動力數學模型的搭建。通過搭建的數學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構可靠性、抗震性設計。

2.2 水工建筑物結構可靠性設計

任何結構都有失效的可能，即絕對安全的結構不存在，因此設計結構采用相關變量均為隨機變量。

利用二維水動力數學模型模擬準確度，計算結構和地基的受力特點。并利用結構安全等級確定材料抗力、勘測方法的取值規則，選取安全實用的建筑材料［5］。

一般在水工建筑物結構可靠性設計中，應用的壩、泄洪建筑物的高度應高于施工期可能出現的最高水位0.5～0.7m（包括最高浪高），壩、泄洪建筑物的基底應比水工建筑物的基礎的平面寬0.5～1.0m。考慮到排水設施會受到河水流速增大的影響，對水工建筑物壩、泄洪建筑結構和斷面進行設計，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，設置鋼圍堰基礎，在其內部設置水位監測裝置，控制鋼圍堰基礎的穩定性，保證壩、泄洪建筑物基礎受力穩定，減少水工建筑物結構發生滑移的概率。其次利用優選法尋求抗滑安全系數最小值及其對應的滑裂面參數，對土石壩進行可靠性設計，應用最小數學規劃問題對重力壩、拱壩結構進行可靠性設計。

經過可靠性設計，水工建筑物在區域水庫承載能力極限狀態下，如有輕微破壞，經加固維修后仍可正常運行。

2.3 水工建筑物結構抗震性設計

我國地震活動頻繁，水工建筑物的抗震設計和抗震安全性評價，是水工結構學科研究的重要內容。利用建立的二維水動力數學模型，完成抗震計算，并采取相應抗震措施。

水工建筑物所在區域設計烈度為6°時，水工建筑物能夠采取相應抗震措施即可； 當設計烈度高于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計烈度的地震，如有輕微破壞，經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構抗震性設計時需要檢測結構剛度，良好的結構剛度能夠保證水工建筑物具有良好的抗水流沖擊能力。在設計水工建筑物接頭時，嚴格按照水工建筑設計規范進行設計，同時嚴格設計驗收工序，只有設計與檢驗相結合，才能確保水工建筑在地震時的具有優質的防滲漏、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，其結構抗震性設計既涉及水流條件，又涉及本身結構、周圍建筑物及下游的經濟和技術指標。利用二維水動力數學模型模擬在設計烈度下，壩、泄洪建筑物、輸水建筑物分別處于承載能力極限狀態和正常使用狀態下，水流條件及本身結構的形變量。在極限情況下，通過調整材料耐震系統，增加水工建筑物的結構抗震。

依托建立的二維水動力數學模型，完成水工建筑物的結構可靠性、抗震性設計，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計。

3 仿真實驗

為保證設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，結合水工建筑物，建立適用于具有復雜非恒定流水力學系統，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 數據準備

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及運行期內，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，實驗對象包括常規水工建筑物設計方案和基于二維水動力模型的水工建筑物設計方案。實驗周期4個周期，實驗參數如表3。

表3 實驗參數范圍

3.2 實驗過程

（1）實驗過程中，首先建立的二維水動力數學模型，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和正常使用狀態。利用功能函數完成水工建筑結構狀態的確定，功能函數如式（3）。

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

（2）根據對比實驗參數要求，構建仿真試驗環境，模擬兩處500萬m3庫容量標準水庫。載入兩種設計方案，即本文提出方案和傳統設計方案。

（3）分別對常規方案設計下水工建筑，以及基于二維水動力模型方案設計下水工建筑，進行仿真實驗，并對實驗數據進行統計，形成圖表。

3.3 實驗結果

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

圖1 試驗對比結果曲線

根據實驗對比結果，利用算術平均值計算法，求平均值，得出本文提出的水工建筑設計方案下，建筑結構強度安全性為94.32%，常規水工建筑設計方案下，建筑結構強度安全性為42.25%，從而得出基于二維水動力模型的水工建筑物設計方案較常規設計方案的建筑結構安全性提升29.5%。

4 結語

通過對水工建筑物進行初始設計，建立二維水動力數學模型，依托二維水動力數學模型，設計水工建筑物的結構，從而完成本文研究。通過仿真實驗，對水工建筑的結構進行安全性校驗，實驗證明，該水工建筑設計方案具有可行性。