主副堰布局堰坝结构稳定与过流能力研究

郭寅乐

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.浙江水利水电学院 水利与海洋工程研究院，浙江 杭州 310018)

堰坝是水利工程中重要的水利设施，它具备挡水和泄水等功能，并且在防洪、灌溉、排涝等方面都起着重要的作用[1]。在水利工程中，为了满足防洪、灌溉等多方面需求，经常在河道中修建堰坝以抬高上游水位。河道水位上升对堰坝的结构稳定和过流能力的影响，是水利工程所要解决的问题。梅溪铁堰水闸建于二十世纪五六十年代，该水利枢纽位于金华盆地，枢纽建成运行至今，为当地的农田灌溉以及防洪发挥了重要作用。为了能够继续安全运行，后又对该枢纽进行了除险加固。本文对该水利枢纽除险加固后的拦河堰坝进行结构稳定和过流能力分析。

1 工程概况

铁堰水闸位于金华市婺城区苏孟乡的梅溪，该枢纽工程由拦河堰坝、泄洪闸及进水闸等组成，工程等别为Ⅲ等。相应的主要建筑物为3级建筑物，次要建筑物为4级建筑物，设计洪水标准为20年一遇，设计洪水位为54.96 m，校核洪水标准为50年一遇，校核洪水位为55.31 m，设计过流能力104.9 m3/s。主河道拦水堰坝为实用堰，堰顶高程53.04 m，堰底高程50.48 m，堰顶设计洪水位54.96 m，堰顶宽1.2 m，堰长116 m，迎水坡垂直，背水坡1∶2.12，堰趾高程为51.06 m，堰趾平台宽2.5 m，建堰材料表面为条石护面，内部为混凝土堰体，建于卵石层上。主堰维持现状不变，主堰后新建副堰，副堰为宽顶堰，堰顶高程为51.85 m，堰顶宽0.5 m，背水坡1：4.04，堰趾高程50.48 m。堰坝剖面图见图1。

图1 堰坝剖面图

2 结构稳定分析

2.1 应力分析

堰坝的应力分析方法分为理论分析和模拟分析两大类[2]。对堰坝进行应力分析，要确定堰坝在规定的各种工作条件下，堰坝各部位的应力状态能否达到规范强度要求，这是衡量堰坝安全的指标之一[3]。对堰坝的应力分析就是对坝基的应力分析，《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)要求运行期间坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许应力。作用在堰坝上的荷载有坝体自重、水重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力，通过计算基本组合和特殊组合情况下坝趾、坝踵的应力大小来确定应力状态。其中，基本组合为正常水位时的基本荷载，特殊组合为校核洪水位时的特殊荷载。理论分析计算公式为：

(1)

式(1)中：σ—坝趾垂直应力MPa；

∑W—荷载在坝基截面法向力的总和，kN；

∑M—荷载对坝基截面形心轴的总和，kN·m；

A—坝基面的面积，m2；

J—坝基面对形心轴的惯性矩，m4；

x—形心轴到下游面的距离，m。

基本组合应力计算见表1，特殊组合应力计算见表2。

表1 基本组合应力计算表

表2 特殊组合应力计算表

在基本组合和特殊组合情况下分别进行坝趾、坝踵的应力计算分析，可以得到坝趾垂直应力应小于坝基容许应力，坝踵垂直应力无拉应力，堰坝的应力状态满足《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)要求。

2.2 稳定分析

堰坝的稳定分析实际上是抗滑稳定分析。对堰坝进行抗滑稳定分析，是衡量堰坝安全的另一指标。为了满足堰坝的抗滑稳定要求，需要对堰坝的不同截面进行计算，如果某一截面的抗剪能力不足以抵抗该截面以上堰坝所承受的水平荷载时[4]，便可能产生滑动。由于坝体与地基接触面的结合一般较差，加之坝体混凝土收缩和温降收缩经常使接触面产生微小的裂缝，因此滑动往往是沿坝体与坝基的接触面发生[5]，所以对堰坝的抗滑稳定分析就是核算在各个荷载组合情况下坝底面的抗滑稳定性。通过公式，计算基本组合下正常水位堰坝的安全系数以及特殊组合下校核水位堰坝的安全系数，来确定堰坝的抗滑稳定性。

目前，堰坝的抗滑稳定计算公式有抗剪强度公式和抗剪断强度公式两种。本堰坝抗滑稳定分析采用抗剪强度公式：

(2)

式中：K—安全系数；

∑W—作用于坝体滑动面以上的总铅直力，kN；

∑P—作用在坝体滑动面以上的总水平力，kN；

f—坝体与坝基接触面的抗剪摩擦系数，取0.45。

基本组合抗滑稳定计算见表3，特殊组合抗滑稳定计算见表4。

表3 基本组合抗滑稳定计算表

表4 特殊组合抗滑稳定计算表

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)，基本组合抗滑稳定安全系数不小于1.05，特殊组合抗滑稳定安全系数不小于1.00。从表3、表4可以得到，在基本组合和特殊组合下堰坝整体抗滑稳定均满足规范要求。

3 过流能力分析

随着计算机有限元模拟软件的不断发展，近年来Flow-3D软件被广泛应用于水利工程中，Flow-3D能够快速地完成从仿真模拟到结果输出的过程，而不需要其他后处理软件[6]。Flow-3D生成网格的技术为自带的划分网格工具，不仅易于生成网格，而且建立的网格与几何图档不存在关联性，因此网格不受几何结构变化的限制。Flow-3D里的Favor技术能够描述复杂的几何外型，从而提高效率并且精准地定义几何外型。对于一般水流现象的数值模拟主要是通过对流体力学的“连续方程”“动量方程”及“能量方程”在计算域内进行离散化，得到在有限计算节点或网格上的代数方程，同时引入适当的紊流模型，最终形成大型代数方程组进行求解[7-9]。

基于Flow-3D软件，对铁堰在不同上游水位时的两种工况进行模拟。一是只有主堰时的过流能力；二是在主堰后修建副堰，即同时存在主堰和副堰的过流能力。在Flow-3D软件中分别导入堰坝的几何模型(见图2)，物理模型选择RNG湍流模型，设置重力加速度方向向下，大小为9.81 m/s2，几何模型网格划分全部采用结构化正交网格(见图3)，网格尺寸为0.05 m3，确定边界条件，上游进水口设置为压力边界，左右两岸以及河道底部设置为固壁边界，下游出水口设置为自由流出。在上游进水口分别设置了4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m、7 m的水位，并在下游出水口设置了流量监测截面。

图2 模型图

图3 网格划分

通过数值模拟计算，得到在不同上游水位时铁堰两种工况下通过流量监测面的流量。上游水位与流量的关系见表5。

表5 上游水位-流量关系表

由表5数据分析可知，当上游水位低于6 m时，随着上游水位的上升，两种工况下的流量增长幅度基本一致；当上游水位高于6 m时，主堰的流量增长幅度大于主副堰。在同一水位处，当上游水位低于5 m时，主堰的过流能力略大于主副堰；当上游水位高于5 m、低于6 m时，主堰的过流能力略小于主副堰；当上游水位高于6 m时，主堰的过流能力大于主副堰。

根据上游水位与流量的关系表，绘制了曲线图(见图3)。

图3 上游水位-流量关系曲线

两种工况下堰坝在不同水位的过流能力对比，观察图3可知，当上游水位低于6 m时，主堰和主副堰的过流能力基本相同，说明副堰的存在对过流能力影响不大；当上游水位高于6 m时，主堰的过流能力开始大于主副堰，副堰的存在对过流能力有一定的影响，且水位越高影响越大。

4 结 论

金华市梅溪铁堰水闸作为金华市历史古迹，应尽量维持铁堰水闸的原貌。对拦河堰坝等水利枢纽除险加固之后，拦河堰坝仍能发挥防洪与灌溉的功能。通过理论计算分析，加固后的堰坝在多种荷载不同的组合情况下其应力状态和抗滑稳定性均满足规范使用要求。结合当地水文情况，设计洪水位20年一遇以及校核洪水位50年一遇均低于5 m，通过Flow-3D软件模拟堰坝在两种工况下不同上游水位时的流量，得出当上游水位低于5 m时，主堰的过流能力略大于主副堰，因此在主堰后修建副堰对铁堰的过流能力基本没有影响，副堰对堰坝的消能防冲作用有待进一步深入研究。