基于流固耦合的水库大坝溢洪道结构可靠性分析_李唯.pdf

河南水利与南水北调 2023年第5期试验与研究基于流固耦合的水库大坝溢洪道结构可靠性分析李唯，苗萌（临沂市水利工程处，山东 临沂 276000）摘要：溢洪道是水库大坝运行的重要结构，从水库沿溢洪道快速排水可能会导致下游洪水，并产生较高的结构应力。利用ANSYS软件对大坝溢洪道的双向流固耦合问题进行了数值模拟。这种流固耦合数值研究能够同时模拟流体流动和结构变形的参数。研究表明，下游的流速最高，而在连接桥段观察到的最大变形为10.70 mm。整体溢洪道结构的一般应力水平（最大30.75MPa）低于相应材料的屈服强度，溢洪道在当前泄洪模式下结构失效概率为零。关键词：水库大坝；流固耦合；可靠性分析；溢洪道中图分类号：TV651.1文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）05-0117-02Structural Reliability Analysis of Reservoir Dam Spillway Based on Fluid Solid CouplingLI Wei,MIAO Meng（Linyi Water Conservancy Engineering Office,Linyi 276000,China）Abstract：The spillway is an important structure for the operation of reservoir dam.Rapid drainage along the spillway from thereservoir may cause downstream flooding and higher structural stress.The bidirectional fluid solid coupling problem of the damspillway is numerically simulated using ANSYS software.This numerical study of fluid-structure coupling can simulate both theparameters of fluid flow and structural deformation parameters.The study shows that the downstream flow velocity is the highest,whilethe maximum deformation observed at the connecting bridge section is 10.70 mm.The general stress level(maximum 30.75 MPa)ofthe overall spillway structure is lower than the yield strength of the corresponding material,and the structural failure probability of thespillway under the current flood discharge mode is zero.Key words：reservoir dam;fluid solid coupling;reliability analysis;spillway作者简介：李唯（1984.10），女，工程师，研究方向：水利工程施工技术。0引言某水库为山区多年调节水利工程，类型为小（1）。工程水平为IV。水库总库容451104m3，死水位1 896.22 m，正常蓄水位1 927.88 m，设计洪水位1 929.02 m，整理洪水位1 930.01 m。梯形溢洪道位于水库右岸，为侧渠溢洪道，选用WES实用堰作为溢流堰。溢洪道初始调水位1 927.88 m，堰顶高程与初始调水位相同。溢洪道的总长度为243 m。由引流段、控制段、泄流段组成。整理洪水位条件下的水流量Qmax=122.30 m3/s。设计洪水位条件下的排水量Qmax=46.27 m3/s。溢洪道工程存在的问题有：溢洪道正常蓄水位工况堰体稳定不满足要求；溢洪道导流墙、堰体、闸墩、泄槽边墙及底板剥蚀严重，局部露筋，浆砌石砂浆风化，强度降低；溢洪道堰体、中边墩基础为浆砌石，不但没有帷幕灌浆，而且整个溢洪道成为漏水结构，泄槽底板未设排水；溢洪道钢闸门为双悬臂式，单孔宽度为5 m的闸槽设了2个双悬臂支墩，混凝土墩之间净距不足3 m，阻碍行洪。针对以上问题提出以下对策：新建浆砌石防浪墙，对上游坝坡和坝基进行抛石压重结合坝壳翻压处理，重建上游护坡；对桩号0+140-0+410段原粘土心墙接高。下游坝脚进行压重加固处理，新建棱体排水和贴坡排水，重植草皮护坡。1可靠性分析结构可靠性分析在混凝土坝的设计和评估中没有得到广泛应用。文章计算了由混凝土和钢结构组成的溢洪道结构的系统可靠性。极限状态函数由混凝土-水接触面滑动、钢结构滑动和裂缝的破坏模式定义。极限状态函数中的随机变量由随机分布定义，变量使用了文献中的相关参数。系统可靠性通过二元正态分布的直接积分近似，求出失效概率。根据对失效概率的描述和溢洪道结构的具体特点，确定了以下极限状态函数。对于溢洪道结构失效的极限状态函数定义为：（1）（2）式（1）（2）中：A表示整个与水接触面的面积，H表示总水平力，R表示有效荷载与总荷载的比值，由于结合接触点的位置尚不清楚，无法正确确定作用于混凝土-水界面上的有效正常荷载的比率，故假设荷载是均匀分布的。主要计算工况分为正常运行工况和洪水工况。117河南水利与南水北调 2023年第5期试验与研究2数值模拟流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，利用其模拟。本文对大坝可靠性进行了数值研究，通过流固耦合数值方法跟踪瞬时流态和结构变形，从而较精确地确定由水库泄洪可能造成的裂缝破坏和结构变形。首先利用REVIT对大坝泄洪道进行建模生成三维模型后导出STL格式进入workbench进行材料参数的赋予和网格划分，其中网格划分使用非结构化的四面体网格，加快计算效率。然后通过FLUENT对大坝溢洪道结构进行了流固耦合数值模拟，主要涉及的模块为流体和瞬态，用于模拟流体流动和结构变形，随后进行耦合并由系统耦合模块进行计算求解。针对此次研究，建立了双向耦合保证从结构到流体，从流体到结构的数据传输准确，以便通过模拟结果真实描述溢洪道水流可能出现的问题。在流体模块设置中，将通过溢洪道的三维水流模拟为不可压缩、湍流和非稳态水流。采用流体多相体积（VOF）模型跟踪水流的瞬时位置。同时，利用k-湍流模型对流动湍流进行建模，以捕获溢洪道的湍流特性。而对于Ansys瞬态结构中的设置，则采用了标准的变形模型。连接桥部分由钢结构组成，而溢洪道的其他部分由混凝土组成。在图1所示的边界条件下，流体与结构之间的所有界面边界均被指定为无滑移壁，并设置为流体/结构相互作用面。上游水大气压设置为0 Pa，初始水位被设定为高出地面3 m。溢洪道结构的底部设置为固定支座，重力加速度为9.81 m/s2。在流体域和结构域上都生成了优化网格尺寸的非结构网格。在系统耦合中，在流体和结构域之间创建数据传输，当前的仿真采用了一阶隐式耦合方程并利用最优时间控制双向FSI仿真。3结果与分析关于溢洪道结构的可靠性分析的FSI仿真结果，模型结果显示，泄槽内水面前部波动较大，中后部波动较小，而后趋于稳定，泄槽前部因处于掺气发展区，流速较不稳定，主流与鼻坎凸角连线形成的分层现象，在设计洪水条件下，堰前水流平缓稳定，水面波动很小，当水流通过堰顶在重力势能的作用下撞上鼻坎形成高速水流，水流波动非常剧烈，随后在泄槽处水流流速达到最大，水流趋于平缓，在溢洪道泄槽末端和鼻坎处流速最大达到6.45 m/s。同时，可以观察到水面的流速大于底部的流速。图2（a）显示了溢洪道结构的应变分布，最大位移出现在堰顶靠近侧壁的交界处，最大位移值为10.70 mm，符合规范要求，对整体结构很小，但仍需注意此处易产生裂缝。图2（b）显示了溢洪道结构的应力分布，闸门处的最大局部应力约为30.70 MPa。同时，溢洪道结构上的平均应力水平1020 MPa。由于溢洪道结构的最大应力低于钢结构370 MPa的屈服应力，因此没有出现结构破坏。溢洪道结构的其他部分的应力水平低于3.42 MPa，远低于混凝土20 MPa的屈服应力。消力池的最大应力和变形值接近上游落水的位置，最小值位于远离落水的消力池的中心。同时，在鼻坎处，最大应力和变形值在鼻坎接收水流动的开始，最小值在与水流动接触较少的末端。在扇闸门，最大应力值位于连接扇闸门和溢洪道混凝土结构的连接处。最大变形值在中心，最小应力和变形值在扇形门的边缘。同时，最大应力值在连接桥的末端，最小应力值在连接桥的中心。最大变形值在中心，最小变形值在桥端。虽然闸门和连接桥不与水直接接触，但它可能会受到从水的压力对溢洪道混凝土部分接收到的振动的影响。所有的应力值均低于抗压强度和抗拉强度，混凝土材料部件的应力和变形值远低于低碳钢材料部件，与低碳钢材料部件相比，混凝土材料部件受到的水压影响较小。物理模型用于计算给定大坝的流动条件和结构分析，现在被用于模拟验证目的。结果表明，物理模型与数值模型在结构分析中具有相当好的一致性。4结论利用ANSYS成功地模拟了大坝溢洪道的流固耦合（FSI）数值可靠性分析。模拟溢洪道结构受到上游水流3 m水位差影响，得出在下游泄槽末端水流流速最快。结构上连接桥段的变形量最高，为10.70 mm且此区域的平均应力最高。由于溢洪道结构中的整体应力水平远低于钢和混凝土的屈服强度，根据可靠性分析的结果，加固后的水库大坝不会发生结构破坏。参考文献：1 包中进，王月华.基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟 J.浙江水利科技，2012（2）.收稿日期：2023-1-16编辑：雍友玉图1溢洪道流体/结构相互作用的边界条件图（a）应变云图（b）应力云图图2溢洪道的应变与应力分布图118