装配式快速堵口临时堤坝的稳定性分析

刘俊谊，焦经纬，谢朝勇，马冬冬，施建明

(1. 陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007；2. 江苏省防汛防旱抢险中心，江苏 南京 211500)

关于如何在堤坝溃决后根据溃口情况，合理地采取相应措施有效封堵溃口这一问题，很多学者进行了大量的研究[1-6]。杨光煦[7]对九江溃口抢险的经验进行了归纳总结，将其堵口抢险关键技术概括为：沉船初堵、截流戗堤、钢木土石结构组合坝、布置后戗台和水下抛土铺盖闭气等几个主要环节。潘恕等[8]提出了一种橡胶坝围堰快速堵口技术，并通过试验验证了其能够适应流速不大于3 m/s，水深不超过5 m 的溃口条件。孙芦忠等[9]提出了一种用箱型结构物封堵堤坝溃口的技术方案，并通过水力学模型试验研究了溃口水流流量、流速、流态的变化规律，以及沉箱顺序和裹头构筑对溃口水力特性的影响[10]。康少诚等[11]基于三维数值模拟软件FLOW-3D 分析了有无堵口组件及堵口组件摆放规则不同时的溃口水流特性。王兵等[12]基于FLOW-3D 对具有实际地形的堤防溃口水流运动进行三维数值模拟。葛忆等[13]提出了一种由6 根等长钢管通过螺栓两两连接形成的三角锥钢架结构作为堵口支撑装置用于堤坝决口的封堵。该钢架结构在小型决口抢险中效果较好，但在大型决口抢险中效果如何还有待进一步验证。另外，该钢架结构不适用于砂性土地基决口抢险。

目前封堵决口的方法主要有：沉船、抛石（钢格石笼、钢筋石笼）戗堤、钢栅拦石结构、钢木结合构架、石袋堆码结构、杩槎结构等。尽管这些技术最终能够达到封堵的目的，但存在技术普适性差、封堵时机较晚、成本较高等问题。为此，陈云鹤等[14]提出了一种由可拆卸结构外框及充填物（遇水快速发泡材料）组成的装配式快速堵口装置，该装置具有便于储备和运输、现场快速装配、便于人力抛投等优点。洪娟等[15]进一步通过模型试验对比分析了不同水流条件及装置质量（不同填充物）等因素对装置水下运动的影响。为了研究该堵口装置的封堵效果和适用条件，首先对装置的基本组成进行简要介绍，然后基于计算流体动力学软件ANSYS-Fluent 建立堵口装置形成坝体后的三维数值模型。在利用相关试验数据对数值计算方法的有效性进行验证之后，结合工程实际问题，计算得到了临时坝体在不同工况下的水流力和倾覆力矩。

1 装配式快速堵口装置简介

1.1 堵口装置结构

装配式快速堵口装置（以下简称“堵口装置”）是一种由可拆卸结构外框及其充填物（遇水快速发泡材料或砂石袋等）组成的四面体结构，其结构设计图和实物图分别如图1 和图2 所示。堵口装置的可拆卸结构外框由三角形网板组成，三角形网板包括三角形框架和钢筋网格，其中三角形框架由钢构件焊接而成；三角形网板之间采用卸扣等构件连接。四面体结构内均匀布置数个平行且带有钢筋网格的三角形搁架，遇水快速发泡包固定在每层的三角形搁架上，也可以根据需要将砂石袋等配重放置在结构内以提高装置在水中的稳定性。

图 1 堵口装置结构设计Fig. 1 Structural design diagram of the closure device

图 2 堵口装置实物Fig. 2 Physical map of the closure device

1.2 堵口装置尺寸

根据结构质量和尺寸的不同，装配式快速堵口装置可分为重型四面体、大型四面体和小型四面体3 种类型。重型四面体和大型四面体的几何尺寸相同，但内部填充物不同，重型四面体结构内部放置砂石袋，而大型四面体结构内部填充遇水快速发泡材料。重型（大型）四面体堵口装置为正四面体结构，边长为2.5 m、高为2.0 m。小型四面体的边长为1.5 m，内部通过遇水快速发泡材料填充，主要用于填塞重型（大型）四面体间的缝隙，形成较完整的坝体。

2 坝体稳定性数值分析

为了研究堵口装置能否形成稳定坝体结构及其适用条件，首先基于SolidWorks 软件建立坝体的三维几何模型，然后将其导入ANSYS-Fluent 进行数值分析。下面首先介绍相关数值计算模型的建立过程；然后通过文献[16]中的相关试验数据验证数值计算方法的正确性和可靠性；最后，基于该模型对相关工况进行计算分析。

2.1 数值计算模型

为了便于数值计算，建模过程中采用如下假定：①不考虑堵口装置间以及堵口装置内部的孔隙，将坝体近似为不透水的刚体；②由于打桩等辅助措施可保证坝体稳定，故近似认为坝体紧贴河床。

基于上述计算假定，首先，利用机械设计软件SolidWorks 建立堵口装置形成坝体的三维几何模型（如图3 所示）；然后，将其导入有限元分析软件ANSYS 中的Workbench，通过Geometry 模块设置计算域、定义边界，建立数值计算的几何模型，利用Mesh 模块划分网格；最后，基于Fluent 求解器设置数值计算的模型（采用多相流模型和RNGk-ε黏流模型）、材料特性、初始条件、边界条件、计算时间步长等参数，并将编写好的用于定义水流流速垂向分布的UDF（User-Defined Function）文件导入Fluent 进行计算。利用UDF（User Defined Functions，用户自定义函数），可以对Fluent 计算过程中的一些模型参数或计算流程进行控制。数值计算的初始状态如图4 所示。

图 3 堵口装置形成坝体的三维几何模型Fig. 3 Three dimensional geometric model of the damconstructed by the closure devices

图 4 数值计算初始状态示意Fig. 4 Schematic diagram of the numericalsimulation initial state

2.2 数值计算方法的验证

为了验证数值计算方法的合理性和可靠性，依据文献[16]中的相关模型试验工况开展数值计算并与试验结果进行对比分析。在文献[16]中，模型试验水槽宽1.2 m、深0.4 m、长16.6 m，实心块体为边长6 cm 的立方体。试验时，块体通过细线和预埋弯钩固定于水槽中间段的中轴线位置且底面距离池底1 cm，不同工况下水流对实心块体水平作用力的相关测试结果和数值计算结果见表1。

由表1 可见：本文的数值计算结果与文献[16]（表1 中的试验值均源于文献[16]）的试验结果比较吻合，误差均在-25%～-18%。引起误差的主要原因是数值计算模型与模型试验的相关条件存在一定的差异。数值计算过程中认为实心块体是刚性且完全固定的，但实际的块体有一定弹性和运动。由于两者之间误差的规律性较好，说明本文计算方法是可靠的。

表 1 模型试验和数值计算结果的比较Tab. 1 Comparison between the model test data and the numerical predictions

2.3 临时坝体稳定性计算

研究过程中，需要考虑堵口装置布局以及决口的流速、深度和宽度等因素对堵口装置所构成临时性坝体（以下简称“坝体”）稳定性的影响。其中，堵口装置的布局本身与决口深度、流速等密切相关，实际中可能出现很多种情况，但考虑到需要计算坝体所受的水流力，优选后设置1 层2 排、1 层4 排、2 层2 排和2 层4 排等4 种布置（其中，层是指堵口装置在深度方向上的布置、排是指堵口装置在水平面上的布置）；对于决口流速，设置2.5、3.0、3.5 和4.0 m/s 共4 种工况；决口深度设置2.0 和4.0 m 两种条件；对于决口宽度，考虑到本堵口装置技术主要在抢早抢小的情况下使用，故设置12.5、15.0、17.5 和20.0 m 共4 种工况。

3 结果分析

具体计算工况设置如表2 所示。表2 中的水流力是指水流对坝体的水平作用力；倾覆力矩是指水流作用引起的使坝体发生倾翻的力矩；抗倾覆力矩是指坝体在水中抵抗倾覆的力矩。

结合所建立的数值模型及计算工况，可以算得水流力的时程曲线（见图5）。由图5 可见，数据的变化规律基本类似，水流力先是在较短的时间内产生一定的波动，然后趋于平稳。平稳后的具体数值见表2，水流力平稳后的数值随着决口处流速、决口宽度和深度的增大而增大。

表 2 数值计算工况及结果Tab. 2 Cases and results of numerical calculations

图 5 不同工况下决口宽12.5 m 时坝体所受水流力Fig. 5 Current forces acting on the dam under the condition of various current velocities and closure device layouts with the breach of 12.5 m wide

另外，分析图5（a）和图5（b）（工况1～8）以及图5（c）和（d）（工况9～16）的相关数据可以发现：水流力随着排数的增加也略有增大，且这种影响流速越大越明显。

表2 中给出了不同工况下堵口装置形成坝体后所受的水流力、水流产生的倾覆力矩以及坝体本身的抗倾覆力矩。可以发现，坝体所受倾覆力矩均小于其抗倾覆力矩。在将坝体近似为不透水刚体、假定坝体紧贴河床的条件下，坝体不会发生倾覆。而水流力影响下坝体是否产生滑移则与装置和水底之间的摩擦条件及是否有辅助其水平面稳定的措施有关，事实上只要采取诸如打桩等措施提供一定的水平抗力，就能保证临时坝体在水平面上的稳定。

4 结 语

基于CFD 软件Fluent 建立了装配式快速堵口装置形成坝体后的三维数值模型，并结合工程实际问题，考虑决口流速、宽度和深度以及堵口装置布局方式等影响因素，给出了优选的计算工况，进而计算得到临时坝体在不同工况下的水流力和倾覆力矩。分析相关计算结果可以发现：

（1）临时坝体所受的水流力随决口处流速、决口宽度和深度的增大而增大；水流力随堵口装置布置排数的增加也略有增大，且这种影响随流速的增大而越发明显。

（2）在计算工况下，水流力引起的倾覆力矩均较小，对临时坝体的稳定性影响很小。采取适当辅助措施，堵口装置形成的临时坝体可以在计算工况下满足稳定性要求。

本文的相关结果可为装配式快速堵口装置的工程应用提供参考，但研究过程中存在一些不足。为了便于数值计算，模型忽略了坝体内部的孔隙，并且假定坝体紧贴河床，且其扬压力以坝体浮力近似等效处理。这样的近似处理使计算结果偏于安全。由于装配式堵口装置形成的临时坝体与传统的挡水坝在结构形式上差异较大，其扬压力的计算更为复杂，相关计算模型还有待于进一步研究。