基于FLOW-3D的黄河坝垛根石稳定性分析

赵正西 （华电云南发电有限公司，云南 昆明 650228）

1 引言

黄河坝垛工程是黄河河道整治工程重要组成部分，该工程主要包含坝、垛以及护岸三个组成部分。护岸的作用是对原岸坡采取加固措施，用以防止水流冲刷淘蚀以及波浪作用下造成岸坡崩塌。坝垛的作用在于保护岸坡和护岸，坝垛身材较短，与水流形成一定夹角，迎托水流，消减水流动能，并且改变水流方向，不使水流直接冲刷堤岸，保护堤岸和护坡安全。

坝垛主要由土坝基和裹护体两个部分组成。其中土坝基是坝垛的主体结构，是一个整体结构，是坝垛稳定的基础结构。裹护体是离散颗粒块体，是土坝基的外层结构，保护土坝基不被水流直接冲刷，维护着土坝基的安全。裹护体分为两个部分，上部分为护坦，下部分为根石，根石是坝垛受水流直接冲刷的部位，是整个坝垛安全稳定的基础。根石的稳定决定着坝垛工程的抗冲能力和稳定程度，根石用料也是坝垛工程用料量最多的地方，所以根石是坝垛工程重点防护对象。

在黄河河道整治工程中，部分险工并非是按照初步设计完成，而是在黄河汛期不断靠抢护而成，险工的稳定性将会大打折扣。在受到黄河洪水冲刷以及淘蚀，坝垛根石将会被水流直接冲刷带到下游，或者因根基受水流漩涡淘刷而崩塌，最终形成根石走失现象。若根石走失严重，以及没有及时发现和抢护，坝垛主体将会受到洪水淘蚀，坝垛稳定将会受到严重威胁，甚至出现坝垛崩塌以及坝岸出险的严重情况。

目前对根石走失的研究主要是实际工程根石探测与相应的物理模型试验法。1959年黄河水利委员会下游整治工程调查组[1]通过调研首先提出黄河根石走失主要原因是坝前水流流速过大，根石的抗冲能力小于水流的作用力，加上坝垛工程布置不合理，根石在水流作用下冲揭走失。李橙林[2-3]根据黄河宁夏段坝垛工程建立物理模型，模拟工程坝垛根石走失和水流流场变化。杨军[4]根据诸多根石走失现象提出根石走失的原因以及根石加固措施。

近年来，数值模型尤其是FLOW-3D软件广泛应用于水利工程[5-7]。本文基于FLOW-3D软件，根据黄河舜帝控导下延工程，应用软件里紊流模型和GMO模型建立坝垛根石走失模型，模拟根石在水流作用下走失情况，为河道整治工程设计和防汛抢险提供数值模拟的依据。

2 工程概况

数值计算模型采用黄河禹门口至潼关河段舜帝控导下延工程，该工程位于山西小北干流永济段，于2013年11月15日开工，于2014年6月19日完工。

图1 坝垛工程示意图

舜帝控导下延工程连坝全长1000m，设计坝顶高程为342.40m～342.10m，平均坝高为3.90m，设计防洪流量为4000m3/s。工程采用坝、垛结合的平面型式，为土石结构，共设13个坝垛，相连两个坝垛之间的平均间距为80m。图1(a)为舜帝控导下延工程布置位置示意图，图1(b)为控导工程坝垛平面图，其中单个坝垛的尺寸基本一致，坝垛迎水面和背水面分别与连坝轴线有30。和60。的夹角。坝头为半径15m的圆弧，分别与迎水面和背水面的直线段相衔接。连坝段土体宽10 m，坝垛采用散抛块石护坡护根。

3 数值模型

3.1 数值模型建立

根据图1，选取两个坝垛段按照1∶1的比例建立数值模型，如图2所示。单排根石均匀的分布在坝垛护坡的边沿，根石尺寸为0.5m×0.5m×0.5m的块体，根石块体平均密度为2700kg/m3，根石摩擦系数为0.4，碰撞系数为0.1。坝垛根据相对位置的不同可分为不同的组成部分，为了区分不同位置根石，应用不同颜色来表示，如图2所示。其中正对水流方向的斜直线段为迎水面，根石颜色为粉红色；坝垛凸向水体坝头部分为坝前头，根石颜色为红色；处于迎水面和坝前头之间的弯曲段为上跨角，根石颜色为黑色；背对水流方向为下跨角，根石颜色为绿色；连接两坝垛的土体护坡为连坝段，根石颜色为橙色；两坝垛之间的水体区域为坝裆间，坝裆间没有根石块体。

图2 数值模型

3.2 模型初始条件和边界条件

3.2.1 初始条件

根据实际工程施工水位为339.98m，设计水位为341.32m，水位变化1.34m，为了模型计算方便，取相对水位高程，设置水位339.48m为0m高程，初始水位为0.5m。

计算时间为360s，时间步长为1s。

模型计算区域采用正规化网格单元划分，网格单元尺寸为0.25m×0.25m×0.25m，网格总数约为1.06×106。

3.2.2 边界条件

入口边界为压力边界(Specified pressure)，入流水位(Fluid elevation)在300s内从0.5m上升到1.84m，随后维持入流水位在1.84m；出流边界为自由出流(Outflow)；左右边界以及底面边界为固壁边界(Wall)；计算区域上方为压力边界(Specified pressure)，压力为一个标准大气压。

4 数值模拟分析

图3为不同时刻流速图，图4为不同时刻根石走失图。在t=50s时，流场水流变化稳定，最大流速接近1m/s，可观察到迎水面有部分根石走动，坝前头处根石有微小位移，下跨角的根石有着不明显的移动，其余区域根石维持着原先状态。在t=150s时，流场流速增大，因为坝垛对河道的束窄作用，坝前头附近流速较大，接近2m/s，坝前头根石以及靠近坝前头的上跨角根石有着明显的位移，根石向下游走动，下跨角处的少许根石由于水流的作用发生轻微移动，部分根石有着向坝裆间移动的趋势，连坝段处的根石发生不明显的移动。在t=250s时，坝前头流速进一步增大，流速接近3m/s，坝前头和上跨角大部分根石在水流作用下已远离原位置，下跨角根石有着明显的移动位移，连坝段处部分根石向上游移动，迎水面流速并无明显增加，所以迎水面的根石与之前并无明显的位移变化。在t=350s时，随着入流水位的上升，流场流速进一步增大，坝前头流速接近3.5m/s，坝前头和上跨角的根石基本已经全部走失，水流冲击下跨角导致下跨角部分根石向下游和坝裆间移动，连坝段和迎水面的流速没有进一步增大，所以两处的根石与之前没有明显的移动位移。

在整个数值模拟计算过程中，坝前头和上跨角的流速相较于其他区域处于较大值，这两处的根石受水流作用力较大，根石走失最为严重，其次是下跨角，迎水面和连坝段处的根石走失程度最轻，走失的根石大部分停留在坝裆间。

5 结论

图3 不同时刻流速图

图4 不同时刻根石运动走失

本文基于FLOW-3D软件，应用软件自带GMO模型和RNG紊流模型，根据舜帝控导下延工程实际工程状况，以1∶1比例建立了黄河坝跺根石走失的数值物理模型，对实际坝垛工程进行数值模拟计算分析，得到以下结论：

①数值模拟结果显示根石位于上跨角和坝前头走失最为严重，迎水面和下跨角以及连坝段处的根石走失情况较轻，所以在实际工程中，更需要关注上跨角和坝前头处根石走失情况；

②计算结果显示设计洪水作用下坝前头与上跨角处根石采用50cm块体时容易走失，实际工程汇中应该采用尺寸更大的块体结合相应的工程措施进行护根。