橫風作用下壩體與心墻填筑高差的防風結構研究

郭立博，何建新，楊海華

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

碾壓式瀝青混凝土心墻施工要求日降雨量或降雪量宜小于5 mm、施工時風力宜小于4級、大氣環境溫度宜不低于0℃[1]。位于新疆“百里風區”[2]的大河沿水庫工程，年平均8級以上大風108 d，給施工帶來較大困難，質量難以控制。瀝青混凝土碾壓過程中，在大風作用下表面溫度損失較快[3]，易出現心墻表層溫度降至130℃以下未能及時碾壓和終碾后表層溫度低于110℃的現象，影響心墻層間結合的質量[4]。因此，為保證瀝青混凝土心墻的防滲性能，應采取必要的防風措施，以降低風速。近年，防風技術的研究主要針對鐵路、高速公路等路基防風工程，例如：程建軍等[5-6]對風害防治工程措施及功效進行了研究；劉鳳華等[7-8]通過數值模擬對不同形式擋風墻的防風功效進行了探討；楊斌等[9-11]對擋風墻距道路的合理位置和擋風墻的合理高度進行了研究，并取得了較好的成果。以上研究為防風工程的設計提供了參考[12-13]，但對于防風問題的解決方案均是在保護工程之外另行修建防風建筑物，從而使施工成本額外增加。針對強風區碾壓式瀝青混凝土心墻壩施工過程中填筑防風要求，本文提出利用壩體自身填筑高差形成防風結構的方法使心墻施工區風力達到施工規范要求，并對防風結構不同設計形式以及不同風速下的防風效果進行評價，提出合理的設計方案，以期為強風區心墻瀝青混凝土快速施工提供參考。

1 工程概況

大河沿流域位于吐魯番市北部，北部與吉木薩爾縣，西部與烏魯木齊縣接壤，河流發源于天山北坡，呈北南走向，流域地理位置為88°50′E～89°10′E，44°40′N～43°40′N。平原區全年盛行西北風，風向季節變化不大，春秋多大風，夏季多干風，以3～6月最盛行。年平均8級以上大風日數為108 d，最多達135 d，最大風速為25 m/s，出現在1983年4月27日，主導風向為E、N，主導風向頻率為7%；次多風向為SE、W、ENE。風災是該區域內的主要災害之一。氣象要素見表1。

表1 吐魯番氣象站風速統計

大河沿工程在大風環境下施工時，通常現場對瀝青混合料各施工環節采用如下保溫和溫度控制措施：瀝青混合料采用帶電加熱板的保溫罐儲存，采用車斗四周及底板帶保溫板的自卸式運輸車，各保溫機械料斗上架設保溫篷布；心墻攤鋪后覆蓋防風帆布，壓實后上層再加棉被保溫；各施工環節溫度均采用施工規范規定的上限值或適當提高最低下限值，特別針對初碾溫度和終碾溫度，采用初碾溫度不宜低于140℃，終碾溫度不宜低于120℃。盡管采用了上述措施，大風環境下瀝青混合料運輸和攤鋪過程中溫度散失過快、入倉后瀝青混合料排氣時間較短、碾壓后瀝青混合料表面容易形成硬殼層等原因還是會給施工帶來困難，不僅增加了能耗，還影響施工質量。

2 壩體防風結構

瀝青混凝土心墻壩施工時利用壩體自身填筑，將上、下游壩殼料超前于心墻與過渡料的鋪筑，使壩殼料填筑高度高于過渡料和心墻的填筑高度，從而在心墻施工斷面形成凹槽。壩體與心墻填筑高差產生后，相當于在心墻迎風側設置類似風場障礙物的土堤式擋風墻(即防風結構)，可有效消減凹槽內心墻施工區風速。壩體兩側防風結構對稱布置，壩體防風結構填筑簡圖如圖1所示。壩體防風結構防風效果主要受高差和設置距離的影響，其中高差為壩殼料與心墻填筑面的垂直高度，設置距離為防風結構背風側坡腳距瀝青混凝土心墻中心的距離。

圖1 壩體防風結構填筑簡圖

3 現場試驗

大河沿水庫樞紐工程于2018年3月末進行了3種壩體防風結構的現場防風試驗，防風結構填筑參數見表2。現場試驗中，在迎風側壩殼料頂面距壩殼料壩肩18.82 m處裝配自動氣象站，同時在心墻上游距心墻中心2.36 m位置布置風速儀，對兩處測點進行實時風速觀測。

表2 不同防風結構的填筑參數

現場共進行了3種防風結構累計3 d不同時刻的風速觀測，結果見表3。從表3可以看出，3種防風結構的平均風速比(心墻風速/氣象站風速)分別為70.3%、56.1%、42.2%，說明防風結構能有效地降低心墻施工區的風速。3種防風結構的減風效果為結構3優于結構2，結構2優于結構1。說明相同設置距離條件下，高差越大，防風結構的防風減風效果越好；對于相同的高差，設置距離越小，防風結構的防風效果越好。

表3 不同防風結構的測點風速 m/s

4 數值計算模型

4.1 數值計算方法

瀝青混凝土心墻是沿壩軸線方向分層鋪筑碾壓的防滲體[14]，當計算順河道流動的橫風作用下防風結構的防風效果時，可將其簡化為二維問題處理。因橫風風速小于70 m/s，馬赫數小于0.3，可按不可壓縮流體處理[15]。選用商用CFD軟件FLUENT提供的工程上應用廣泛的標準k-ε模型進行計算，計算中不考慮熱量交換。控制方程[16]包括：連續性方程、動量方程、湍流模型中的湍流動能方程和湍流動能耗散率方程。計算方法為有限體積法，采用SIMPLE算法對壓力和速度耦合進行處理，一階迎風格式離散對流項。

4.2 計算域、邊界條件及網格劃分

建立大河沿水庫工程壩體數值計算模型如圖2所示。計算區域的高度、長度分別為300 m、1 840 m，其中，壩基寬340 m、來流長度450 m、尾流長度1 050 m。坐標原點設在壩趾處(如圖2所示)，上游壩坡坡比為1∶2.2，其余邊坡坡比均為1∶2，心墻中心坐標為(184,10.8)。

圖2 數值計算模型簡圖(單位：m)

邊界條件：入口設置為速度進口，在x方向采用均勻來流，防風結構不同設計形式時取風速vx=20.7 m/s(8級風力風速上限)[17]，不同風級時vx取對應風級最大風速，y方向速度為零；出口設定為壓力出口，靜壓為零；壩體表面及地面均采用無滑移邊界條件；頂部設為對稱邊界，模擬頂部氣體自然流動狀態。

采用四邊形結構化網格對計算模型進行網格劃分。為提高數值計算精度，對防風結構和心墻施工區附近采用小尺寸網格進行劃分，其余區域網格由心墻向兩側方向按比例稀疏，心墻施工區網格如圖3所示。以心墻中心1 m高處測點風速變化范圍在3%以內為依據，進行網格無關性檢驗，結果滿足要求，最終各試驗模型網格數均在110萬左右。

圖3 心墻附近網格

4.3 模型驗證

對現場試驗3種防風結構進行數值計算，當氣象站風速的計算值與實測值完全吻合時，將心墻風速的計算值與現場實測值進行對比，結果見圖4。

圖4 不同防風結構心墻風速實測值與計算值對比

由圖4可見，3種防風結構心墻風速的實測值和計算值最大相對誤差分別為9.8%、7.5%和9.4%，均小于10%，在容許范圍內，表明數值模型準確可靠，可進一步模擬防風結構不同設計形式下的防風效果。

4.4 模擬方案

進行防風結構形式設計時，考慮施工所需的最小設置距離和最大高差限制因素：防風結構設置距離不宜太小，需滿足施工區機械交叉作業對運行空間的要求；防風結構高差不宜過大，較大時不利于心墻和過渡料的物料運輸，需增設坡度較緩的下坡臨時道路。結合大河沿工程現場試驗壩體填筑參數，設計不同形式防風結構的數值計算方案如下：固定防風結構高差為4.4 m，設置距離分別為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m；固定防風結構設置距離為9.08 m，高差分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m。模擬不同風速情況下的防風效果時，取風力4～10級，入口風速按各風級最大風速[17]進行計算。

5 數值模擬結果與分析

5.1 防風結構對心墻施工區防風效果的影響

通過對數值計算結果進行可視化處理，得到防風結構不同設計形式下心墻施工區的風速云圖如圖5和圖6所示。

圖5 高差4.4 m時不同設置距離的心墻施工區風速云圖

圖6 設置距離9.08 m時不同高差的心墻施工區風速云圖

由圖5和圖6可知，當入口風速一定時，隨著設置距離和高差的增大，防風結構背風側風速衰減區域面積增大。但對本次研究關注的心墻施工區，防風結構設置距離和高差對其風場的影響不同。由圖5可知，隨著設置距離逐漸增大，風速云圖中藍色轉淡，各風速等值線逐漸接近心墻施工區地表，表明設置距離越大，心墻施工區防風效果越差。由圖6可知，隨著高差逐漸增大，風速云圖中藍色加深，各風速等值線逐漸向上移，表明高差越高，心墻施工區防風效果越好。

結合現場攤鋪機出料口位置高度，認為瀝青混合料受風力影響最大高度不超過1 m，則以心墻施工面1 m高作為心墻施工區近地面。由數值計算數據得心墻施工區近地面風速分布情況如圖7和圖8所示。

圖7 高差4.4 m時不同設置距離下心墻施工區近地面風速分布

圖8 設置距離9.08 m時不同高差下心墻施工區近地面風速分布

由圖7可知，高差為4.4 m時，設置距離為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5m、15.0 m的心墻處近地面風速分別為8.5 m/s、10.0 m/s、11.6 m/s、13.4 m/s、15.5 m/s。可以看出，以上防風結構設計形式下心墻處近地面風力均超過施工規范建議值(風力4級，最小風速為5.5 m/s)。設置距離為5 m時心墻處近地面防風效果為58.9%，隨著設置距離的增大，防風效果逐漸降低，設置距離為7.5 m、10.0 m、12.5m、15.0 m時，防風效果分別降為51.7%、44.0%、35.3%、25.1%。出現這種現象是由于氣流繞過防風結構后過流斷面增大，氣流開始擴散。隨設置距離增大，擴散沿流向發展越充分，對垂直方向的風速梯度分布影響越平緩，防風效果越差。

由圖8可知，設置距離為9.08 m時，高差為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m的心墻處近地面風速分別為11.9 m/s、9.6 m/s、6.2 m/s、4.0 m/s和2.4 m/s。其中高差為4 m、6 m、8 m的心墻處近地面風速大于5.4 m/s，超出施工規范建議值；而高差為10 m和12 m時心墻處近地面風速都在5.4 m/s以下，滿足施工防風要求。高差為4 m時心墻處近地面防風效果為42.6%，隨著高差的增大，防風效果越好，高差為6 m、8 m、10 m、12 m的防風效果分別增至53.7%、70.2%、80.7%和88.5%。這是因為空氣經過大壩繞流時，大壩邊坡具有導流作用。防風結構高差越大，大壩迎風面邊坡越長，導流作用越強，產生的防風效果越好。

5.2 設置距離與達到防風要求的最小高差的關系

取風速為20.7 m/s，計算得到防風結構設置距離為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m時，心墻施工區達到防風要求的最小高差分別為6.2 m、7.9 m、9.4 m、11.1 m、12.4 m。對設置距離與達到防風要求的最小高差之間的關系進行擬合，得到擬合曲線及相應的函數關系如圖9所示。從圖9可以看出, 兩者之間呈線性關系，擬合方程為y=0.624x+3.16。由此擬合函數可插值取得設置距離在5～15 m范圍達到防風要求的最小高差。考慮心墻施工區機械交叉作業對運行空間的需要，建議施工時將防風結構設置距離控制在10 m，此時高差控制在9.4 m，即可滿足8級風力下最大風速的防風需要。

圖9 設置距離與達到防風要求的最小高差的關系

5.3 風速與達到防風要求的最小高差的關系

取防風結構設置距離為10 m，對風力4～10級各風級最大風速情況進行計算，得到入口風速分別為7.9 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s、28.4 m/s時心墻施工區達到防風要求的最小高差，結果見圖10。 對風速與達到防風要求的最小高差之間的關系進行擬合,得到擬合曲線及相應的函數關系如圖10所示。由圖10可知，兩者之間符合二次多項式關系，擬合方程為y=-0.016 2x2+1.044 9x-5.091 1。由此函數可得7.9～28.4 m/s風速范圍內達到防風要求的最小高差在1.9～11.7 m之內。

圖10 風速與達到防風要求的最小高差的關系

6 結 論

a. 現場試驗結果表明，壩體與心墻填筑高差的施工技術具有一定的防風效果。高差越大，防風效果越好；設置距離越小，防風效果越好。

b. 數值模擬結果顯示，防風結構高差的增大和設置距離的減小有利于心墻施工區近地面風速的消減；來流8級風(風速20.7 m/s)情況下，防風結構設置距離為9.08 m，高差分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m時，心墻處近地面風速分別消減至11.9 m/s、9.6 m/s、6.2 m/s、4.0 m/s和2.4 m /s；防風結構高差為4.4 m，設置距離分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5m、15 m時，心墻處近地面風速分別消減至8.5 m/s、10.0 m/s、11.6 m/s、13.4 m/s、15.5 m/s。

c. 8級風(風速20.7 m/s)情況下，防風結構設置距離和達到防風要求的最小高差之間呈線性關系，兩者擬合方程為y=0.624x+3.16，最小高差隨設置距離的增大而增大。若防風結構設置距離控制在10 m，心墻處近地表風速滿足施工要求所需高差至少為9.4 m。

d. 防風結構設置距離為10 m時，風速和達到防風要求的最小高差之間的關系式為y=-0.016 2x2+1.044 9x-5.091 1。由此可得風速7.9～28.4 m/s范圍內達到施工規范防風要求的最小高差在1.9～11.7 m之內。