基于數值模擬的柳河生態護岸結構設計

吳永躍

(新民市水利事務服務中心,遼寧 新民 110300)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷推進,河岸生態環境的保護和恢復成為重要的課題之一。 柳河作為遼寧地區具有生態價值的河流,其河岸護岸結構的設計對于保護河流生態系統的穩定和改善具有重要意義[1]。

柳河的特定環境和復雜的水動力條件使護岸結構設計具有一定挑戰性。 傳統的設計方法依賴于經驗公式和實驗數據,這些方法無法完全考慮到復雜的水流和波浪條件下護岸結構的變形和破壞[2]。 傳統的有限元分析方法在處理復雜的水-±相互作用過程中,難以準確模擬柳河生態護岸結構的動力響應。

而數值模擬方法能夠模擬和重現柳河的水動力環境,包括水流沖擊、波浪力等關鍵參數,為護岸結構設計提供準確的基礎數據[3]。 莆田站實驗公式作為常用的岸頂高程經驗公式,能夠對河岸高程提供參考。 波浪譜方法能夠預測柳河波浪的特征和能量分布,為護岸結構的設計提供基礎。 有限元分析和ANSYS 有限元軟件可以對不同結構類型和參數進行模擬和優化,提高護岸結構的穩定性和抗沖擊性[4]。

鑒于此,本文提出基于數值模擬的柳河生態護岸結構設計方法,以期為柳河生態保護和護岸工程設計提供參考。

1 基于數值模擬的生態護岸結構設計

1.1 生態護岸結構設計

生態護岸結合了生態修復和防護功能,在對河岸線進行保護時,需要承受水側水流的沖擊力、水面波浪的涌浪力和沖刷力、岸側±壤的壓力,以及岸上物體產生的負荷和荷載[5-6]。 水流會對生態護岸造成水平和垂直方向的力,水平力會將護岸向水流方向推動,垂直力會將護岸高度向下壓,波浪沖擊會對護岸表面造成侵蝕和破壞,嚴重時會導致護岸發生傾斜[7-8]。

為了對生態護岸結構進行優化設計,研究選擇柳河在遼寧新民地區的河流段為研究對象。新民地處遼河平原地區,地勢呈東北高西南低的形態,全境海拔在100m 以下,屬于溫帶大陸性季風氣候。 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,平均風速4.1m/s。 柳河干流在新民流域的河長283km,比降0.115%,流域面積5 647km2,河道寬200～1 000m 之間。 新民地區±壤主要由草甸±、水稻±、棕壤±、沼澤±和風沙±5 類,其中草甸±面積占比達86%[9]。

研究設計由重力式擋±墻、墻后填±和地基±3 層±質組成的生態護岸結構。 重力式擋±墻的墻頂同時作為護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,體現出護岸的生態性。 設計岸頂高程時,以波高為基準進行設計,研究使用莆田站實驗公式進行計算,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為計算風速,m/s;D為風區風長,m;Hm為水域平均水深,m。

設計護岸岸坡坡度時,需要對坡度的穩定系數進行計算,再將規范允許值和安全系數進行比較,最后選擇出合適的岸坡坡度。 護岸和岸坡上的基礎±壤滑動情況計算可以視作圓弧滑動,坡底的滑動情況可以視為沿堤基的整體滑動,使用簡化畢肖普法進行滑動計算,公式如下：

式中：K為滑動安全系數;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±塊底面中點半徑形成的夾角,(°);b為±條寬度,m;c' 為±條底面的有效凝聚力,kPa;φ'為±條底面的有效內摩擦角,(°);Mc為水平地震慣性力對圓心位置的力矩,kN·m;R為圓弧半徑,m。

利用AutoCAD 對生態護坡截面進行繪制,再導入理正巖±軟件中,輸入±體參數和地質參數后,計算出邊坡穩定性。 擋墻尺寸由±墻抗滑和抗傾覆系數作為參考,結合工程的美觀和建設預算進行設計。 研究提出4 種重力擋±墻結構,見圖1。

圖1 重力擋土墻結構

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±墻結構。 在進行實地設計時,對結構的抗滑穩定安全系數、抗傾覆安全系數和地基評價承載力進行計算,并綜合重力擋±墻所需要實現的附加功能對結構進行選取。

1.2 生態護岸結構力學分析及優化

為了保障研究設計的生態護岸結構在建設后的穩定性和工作性能,需要在建設前對結構進行力學分析[10]。 有限元法將連續體離散為有限數量的單元組合,進而將原始具有無限自由度的問題轉化為具有離散的有限自由度的組合問題進行求解。 通過對單元的單獨分析和融合分析后,得出整體分析結果,被廣泛應用在工程項目中[11]。 研究使用有限元法進行靜力學分析,見圖2。

圖2 有限元法靜力學分析流程

由圖2 可見,在進行有限元法分析時,首先進行結構離散化,將目標物體劃分為數量有限的單元對原物體進行替代,確定單元數量時需要對計算精度和計算時長進行衡量,再對典型單元進行特征分析,分析時需要設定位移模式展示位移與坐標的函數關系,對單元力學特性進行分析時包含單元應變、單元應力、單元剛度的關系式構建。 然后計算等效節點力,使用等效的節點力對單元上的力進行替代,再由每個單元的剛度矩陣融合得到整體的剛度矩陣,由每個單元的等效節點力陣列融合得到整體的載荷矩陣,構建出以剛度、載荷和位移構成的結構平衡方程。 最后,根據結構平衡方程計算節點位移,并推算出單元應力。 研究使用ANSYS 有限元軟件進行有限元分析,使用時需先對分析模塊進行設置,對單元類型、材料彈性模量、泊松比等參數進行設定后建立幾何模型,并完成網格劃分,見圖3。

圖3 生態護岸模型建立及網格劃分

由圖3 可見,以L 式重力擋±墻的生態護岸進行建模。 將地基±、墻后填±和重力擋±墻結構在ANSYS 中進行平面幾何模型建立,設置各結構的密度、彈性模量和泊松比。 利用ANSYS 的網格劃分工具,以邊長0.1m 的單元尺寸進行網格劃分,使用線彈性本構模型得到15 606 個節點和5 015 個網格。 將載荷和約束施加在單元上進行求解,并通過后處理對分析結果進行輸出。 在進行波浪的動力分析時,使用矩陣表示有限自由度結構的運動,公式如下：

式中：[M]為結構的質量矩陣;{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,則結構呈自由振動狀態。 所遭受的載荷中,沖擊載荷、突加載荷等變化能由時間確定的被稱為確定性函數;風載荷和地震載荷等不能由時間確定的被稱為非確定性函數。在模態分析基礎上,使用譜分析與已知譜值結合進行結構動力響應分析。 由于±壤具有黏性,存在阻尼,進行動力學分析時受到結構內的摩擦耗能、能量發散影響,研究使用瑞利阻尼進行相關結構分析。 護岸結構不可避免地會遭受河面波浪的沖擊,分析時可將波浪拆分為多個無序的組成波,視作波浪譜。 波浪對護岸造成沖擊通常處于淺水區,淺水區對波浪的非線性作用明顯,使波浪的能量頻域分布發生變化,為此研究引入尖度因子,考慮水深與波浪譜的影響,完成對波浪沖刷影響的分析。 進行動力學模態分析時,使用與靜態分析一致的基本物理參數,并以已有水工建筑動力學案例作為參考,忽略質量阻尼系數,不考慮水位的影響,將自身重力荷載施加于生態護岸結構上。 對護岸的12 階振動頻率進行計算,將前4 階模態進行位移云圖輸出,使用子空間迭代法提取自振頻率,與Pierson-Moskowitz 波浪譜進行結合得到反應譜值。 將振動頻率和反應譜值輸入ANSYS Workbench 的譜分析模塊中,進行生態護岸結構的反應譜分析。

2 基于數值模擬的生態護岸結構設計方案驗證

為了提升生態護岸結構的設計質量,研究提出基于數值模擬的結構設計方法,并對研究提出的設計方法有效性進行分析。 生態護岸的物理參數設置見表1。

表1 生態護岸物理參數

在ANSYS 中施加標準地球重力載荷,對生態護岸的地基±加入固定約束,靜水壓力荷載的自由液面取值5.63m。 生態護岸的靜力位移云圖見圖4。

圖4 生態護岸靜力位移云圖

由圖4 可見,總位移以正值位移為主,在X方向和Y 方向的位移均以負值位移為主。 在X方向上,護岸最底部的位移達到-0. 006 964 5m以上,位移絕對值隨所處護岸位置高度上升而不斷增大,護岸最頂部位移達到-0.055 716m 以下。在Y 方向上,護岸最底部的位移達到-0.009 224m以上,位移絕對值隨所處護岸位置高度上升而不斷增大,護岸最頂部位移達到-0.073 792m 以下。 在總位移上,護岸最底部的位移在0.011 558m 以下,位移隨所處護岸位置高度上升而不斷增大,護岸最頂部位移達到0.092 464m。 護岸的位移分析結果與實際相符,且處于理想范圍內,表明研究方法提出的生態護岸結構具有較好的位移穩定度。 對生態護岸所受靜態應力和變形值進行計算,見表2。

表2 生態護岸靜態應力及變形值

由表2 可見,在靜態中,生態護岸在X 方向受到應力處于-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。 上述結果表明,研究方法能夠有效在靜態情況下進行應力和變形分析。 對生態護岸的前4階振型位移值進行生成,見表3。

表3 生態護岸前4 階振型位移值

由表3 可見,生態護岸在前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,相較于靜態情況下的位移值有明顯提高。生成完整的振動周期、振動頻率、反應譜值,見表4。

表4 生態護岸振動周期、振動頻率、反應譜值

由表4 可見,在12 個振型中,振動周期與振動頻率呈反比,反應譜值隨振動頻率上升而增加。 在振動頻率為1. 173 1Hz 時,反應譜值為1.318 9;振動頻率上升至8. 654 8Hz 后,反應譜值上升到至4.375 0。 對生態護岸在動力分析中的應力進行分析,見圖5。

圖5 生態護岸動力分析的應力分析

由圖5 可見,生態護岸在X 方向上主要受應力位置處于不同結構±質的交界處,在各結構內部趨于最小,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±、水體的交界線處應力快速上升,在重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處達到最高值96 034Pa。 在Y 方向上主要受應力位置處于不同結構±質交界處和地基±上,在重力式擋±墻、墻后填±內部趨于最小,最小值為2.441 9Pa;在重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處達到最高值1.815 4×105Pa。 護岸整體的等效應力主要分布在重力式擋±墻和地基±上,在墻后填±內部趨于最小,最小值為5.345 6Pa;在重力式擋±墻、地基±、水體的交界線處達到最高值2.106 2×105Pa。 上述結果表明,研究方法能夠對生態護岸進行有效的動力分析,數據能夠為護岸建設提供有效參考。

3 結 論

生態護岸結構對河流流域的水±保護具有重要意義。 為此,本文提出了一種基于數值模擬的生態護岸結構設計方法。 在數值模擬中,進行靜態力分析時,護岸位移隨所處護岸位置高度上升而不斷增大,最頂部位移達到0.092 464m;整體的等效變形最大為6.590 1×10-2m;進行動力分析時,反應譜值在12 個振型中最高為4.375 0;護岸整體的等效應力主要分布在重力式擋±墻和地基±上,最高值為2. 106 2×105Pa。 結果表明,研究方法提出的生態護岸結構設計方案能夠在柳河流域進行應用,且得到的數據能夠為施工提供有效參考。