山区风场对大坝施工影响及防治措施模拟研究

黄章飞，安婳娟

（宁波大学潘天寿建筑与艺术设计学院）

1 引言

近年来，我国山区大型结构建设项目日益增多，受地形影响，这些地区的风场特性及空间分布都比较复杂，给工程的设计、施工带来众多难题。特别是对建于峡谷地区的大型水电站而言，由于设计和施工难度大、工期长，大风对工程建设的影响成为必须考虑的因素。目前，关于山区风场特性的研究主要包括三个方面：现场实测、风洞试验、数值模拟。其中现场实测[1-2]和风洞试验[3-5]成本高、周期长、局限性大。在风工程研究中，风场数值模拟[6-8]技术作为现场实测和风洞试验的补充手段已经得到风工程工作者们越来越多的重视。早在1977年英国伦敦大学的Vaslie Melling[9]就对二维及三维的立方体结构采用数值模拟技术进行了研究。2000年，Kim H.G 和Patel V.C 等[10]学者对某山区地形条件下的风环境进行了模拟分析，通过对比数值模拟结果和现场实测数据，发现两种研究方法的结果较为接近。2005年，李朝等[11]学者分别用标准k-ε、Realizablek-ε和RNGk-ε三种湍流模型对某山地地形条件下的风场分布情况进行了数值模拟研究，结果表明Realizablek-ε湍流模型的计算结果和现场实测数据较为相符。另外，西南交通大学李永乐等[12-13]以紧邻高陡山体的大跨度悬索桥为工程背景，探讨了不同来流条件下高陡山体对主梁平均风速、风剖面以及风攻角的影响，讨论了桥址区的峡谷风效应。长安大学张玥等[14-15]以禹门口黄河大桥为工程背景，结合现场实测和数值模拟两种方法对桥位附近风场特性进行了对比分析，给出了峡谷山口处强风时段湍流积分尺度和风剖面模型的建议，为内陆风环境的研究提供了参考。

目前业界对于山区坝址区域风场特性的研究并不多，本文以某大型梯级水电站为研究对象，采用计算机流体力学（CFD）数值模拟的方法，利用二维计算体型建立简单、精度高且计算快等优点，对大坝施工过程中坝高580m、640m、680m、720m、760m、800m 时，下游围堰上防风网挡风率为0.3、0.5、0.67和1等不同组合工况下风场进行数值模拟研究。

2 数值模拟理论与风场模型的建立

2.1 湍流控制方程

河谷水电站坝址区风场受地形，水工建筑物，拟设防风措施等的影响，形成含分离，回流，二次流等结构的复杂紊流流场。本文采用Relizablek-ε两方程模型对坝址区风场进行模拟，其控制包括的连续性方程、动量方程、k方程、ε方程，可以表示成如下通用形式：

使用哈密顿算子，上式变为

式中：ρ为密度；φ为通用变量为速度矢量；Γφ为变量φ的扩散系数；Sφ为变量φ的源项。对于不同的控制方程，通用变量及相应的扩散系数和源项见表1。

表1 k - ε模型的控制方程

2.2 风场流动区域模型建立

本文防风措施为在下游围堰上方设置20m高防风网，为了反映风速的变化对坝址区域风场的影响，消除风场数值模拟的阻塞效应，数值模型的范围下游1500m，上游1000m，高度从河道（约560m）至1200m高空。计算区域采用渐变的结构网格划分方案，在包含坝体，围堰，防风网的坝址区网格尺度为3m，按1.15 的渐变率向外逐渐增大网格尺度，最大网格尺度限制为40m，网格总数约64万。

2.3 边界条件设置

计算区域的边界由下游风场入口边界（X=4000米处）、上游风场出口边界（X=1500 米处）、地表面、两侧外边界（三维模型）及上空顶边界组成。

①上游风入口按速度边界条件给定（velocityinlet），分别采用均匀入流或风剖面模型给定。

式中：u0为梯度风速，大气边界层厚度z0取为350m，本研究从安全的角度考虑取较小值α= 1/7。进口风速按八级大风给出，平均风速约20m/s。

②出口采用压力出口边界条件（pressure-outlet）按零压给定。③地表采用无滑移壁面边界条件（wall）。④两侧也无滑移壁面边界条件（wall）。⑤顶面采用对称边界条件（symmetry）。

2.4 计算工况

为分析在大坝浇筑至不同高程时坝址区域内风场的变化情况，从大坝建基面开始至浇筑到顶总计6种工况，而下游围堰上的防风网分别选取0.3、0.5、0.67及1的挡风率进行计算，计算工况见表2。

表2 计算工况说明

3 防风措施模拟结果分析

为探究不同坝体高度对坝址区域风场分布的影响，以下分别给出各坝高工况下挡风率为0.3、0.5、0.67以及1时，施工区的风场风速分布云图。

以上下游围堰上设置不同挡风率防风网在坝升高至不同高程时坝址区的速度分布云图表明，由于进口风速按梯度给出，整个风场在到达下游围堰前基本符合梯度分布，而经过下游围堰上及围堰上方加设的20m 防风网时，基坑内的风速显著降低。其中在挡风率较小时（如图1和图2所示），在坝体较低时，整个基坑内的出现大范围的低速区，主要表现在坝高680m及以下时，坝顶低风速区范围均在30m以上，这种条件能很好地满足施工要求。但随着防风网挡风率的增加（如图3和图4所示），基坑内部的回流速度也在增加，在八级风的来流情况下，基坑内部局部出现了九级风。另外，随着坝体高度的不断升高，由于过流断面被不断压缩，坝顶上方的风速逐步增强表现为风级普遍增大一级。

图1 不同坝高工况下挡风率0.3时风场流速等值线云图

图2 不同坝高工况下挡风率0.5时风场流速等值线云图

图3 不同坝高工况下挡风率0.67时风场流速等值线云图

图4 不同坝高工况下挡风率1时风场流速等值线云图

由以上不同挡风率防风网下各不同坝高阶段风场流线图可知，在来流风级为8级时，基坑内部均形成了不稳定的回流区，当围堰上防风网挡风率为0.3时（如图5所示），回流区范围小且强度也较弱，此时基坑流场虽然最为稳定，但是防风网的降风效果也最小，且随着坝体升高，防风网对坝顶上方的风场影响较小，不能形成足够的施工安全空间。随着防风网挡风率的增加（如图6和图7所示），基坑内的回流强度增加，尤其是在挡风率为1（如图8 所示）时，基坑内的回流区都出现了8至10级的大风。对0.3和1挡风率的防风网方案均有较低大局限性。总体来说，在各工况下，对于坝高680m及以下时，坝顶施工低风速区范围均在30m以上，而坝高继续升高时，风场受防风网影响的效果不是很明显（如图9-10 所示），表3给出各不同坝高和挡风率组合风场特性。

图5 不同坝高工况下挡风率0.3时风场流线图

图6 不同坝高工况下挡风率0.5时风场流线图

图7 不同坝高工况下挡风率0.67时风场流线图

图8 不同坝高工况下挡风率1时风场流线图

表3 风场特性统计表

图9 围堰防风网不同挡风率时坝顶低速区随坝高的变化规律

由表3可以看出：①加设防风网后，坝顶面上的低风速区显著抬高扩大，而且由于对风的上挑作用，使得高风区上移，减少了对揽机等施工器械的影响；②挡风率从0.3提高到0.5是低风速区的范围增加较快，0.5 至0.67 低风速区的范围增加变缓，0.67 到全挡状态增加更缓，且高挡风率时基坑内底部回流风速增加；③在0.5挡风率下，在坝高720m 可以保证坝顶上空15m 上的低风区，可以保证稳罐及坝顶作用面的安全；④综合以上各图表分析，在下游围堰上加设20米防风网建议的挡风率为0.5～0.67。

4 结语

本文采用Relizablek-ε湍流模型，对大坝下游围堰上方采取局部防风措施的二维流场进行了模拟分析，模拟结果表明：

①在坝区下游围堰上设置20m 高防风网后，进入基坑内的气流减少，且气流显著上挑，坝顶上方的低速风区高度有显著的增大，坝顶高程680m以下时坝顶可以保证30m 以上的6 级以下低风区，有利于施工；

②由于挡风作用，基坑底部存在回流，但最大要比来流小约3 级以上。另外，低坝时基坑内流动不很稳定，流场较乱，导致坝顶高程620m 以下时的风场结构较复杂，在不稳定涡流的作用下，坝顶时而会有又较大风出现，但风速在6级以下；

③在挡风率从0.3提高到0.5是低风速区的范围增加较快，0.5至0.67低风速区的范围增加变缓，0.67到全挡状态增加更缓，且高挡风率时基坑内底部回流风速增加。在0.5 挡风率下，在坝高720m 可以保证坝顶上空15m 上的低风区，可以保证稳灌及坝顶作用面的安全。

总体而言，局部防风方案在坝升高至680m 前，可以对各工作面形成较为有效的防护，但坝高大于680m其效果已不显著，此时建议进一步加高防风网或者在坝面上进行局部防风设计。