文得根水利枢纽上游护坡消浪型式研究.pdf

银佳男，郭建业，杨海滔（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）摘 要初步设计阶段批复的文得根水利枢纽大坝上游护坡型式为浆砌石护坡，考虑到料源、工期、结构性能、管理运维成本等原因，技施阶段变更为钢筋混凝土护坡型式。本文采用数值模拟方法，研究混凝土护坡不同消浪结构形式下波浪爬高，经技术比较确定采用阶梯式混凝土护坡消浪型式，为后续寒冷地区水库上游护坡消浪设计提供了参考和依据。关键词土石坝；混凝土护坡；消浪结构；文得根水利枢纽；引绰济辽工程中图分类号 TV222文献标识码B文章编号 10020624（2023）08000402文得根水利枢纽上游护坡消浪型式研究1 概 述引绰济辽工程文得根水利枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙砂砾石主坝、引水发电系统、岸坡溢洪道、副坝及鱼道等组成。主坝布置在主河床处，坝顶全长1 358.000 m，坝顶高程381.500 m，防浪墙顶高程382.700 m，坝顶宽8.000 m，最大坝高48.000 m。上游围堰与坝体结合，堰型为土工膜防渗砂砾石围堰，沥青混凝土心墙砂砾石坝上游坡在361.180 m高程设12.000 m宽马道，马道以上坝坡为 1 2。工程正常蓄水位 377.000 m，设计洪水位377.700 m，校核洪水位379.800 m。初步设计阶段批复的大坝上游护坡型式为浆砌石护坡，考虑到施工工期、结构性能等原因，技施阶段变更为钢筋混凝土护坡型式。混凝土护坡与其他护坡相比具有节约人力资源、施工难度低、施工工期短、结构性能优越、运行维护成本低、便于管理等优点。引绰济辽工程后期运营在于打造国家级风景旅游区，从工程整体的美观性上选择混凝土护坡也十分必要。而且工程处于高寒地区，混凝土护坡型式抗冰拔能力更优。工程设计过程中，由于混凝土护坡糙率渗透性系数较大，波浪爬高较高，因此，设计的坝顶高程比其他护坡方案高。文得根水利枢纽坝高和坝长均较大，坝顶高程的加大增加了坝体填筑工程量和工程投资，并对坝坡稳定产生不利影响。为了有效降低坝顶高程，采取经济且技术可行的消浪结构形式来减小波浪爬高是必要的。下面通过对不同混凝土护坡结构形式的技术比较，确定文得根水利枢纽上游护坡消浪结构形式。2 设计参数2.1 计算工况及波浪要素大坝上游迎水坡面分别采用光滑混凝土、矩形墩、阶梯式、梯形墩护面护坡消浪型式，通过数值模拟方法计算校核洪水位、设计洪水位、正常蓄水位工况下不同消浪结构的波浪爬高，为大坝上游护坡型式的选择提供依据。文得根水利枢纽多年平均最大风速为19.30 m/s，平均波高 0.98 m，平均波周期为 4.40 s，平均波长30.26 m。2.2 计算软件及数学模型以ANSYS FLUENT数值求解平台为基础，根东北水利水电规划设计2023年第8期 4据拦河大坝及主坝迎水面结构布置，建立波浪爬高精细化局部二维数学模型，通过二维水动力特征分析、波浪场特征研究进行消浪措施比选。数值模型比尺为1 1，计算域左侧为速度入口，根据不同工况给予一定的入射波浪，入射波浪为二阶Stokes波1，计算时间步长为0.01 s，选择基于压力的隐式求解方法PISO算法。为实现自由液面附近网格的局部加密且减小网格数量，将计算域剖分成多个区域，并分别生成结构化网格与非结构化网格。根据波浪理论和相关文献研究2，波能主要集中在自由水面以下 3 倍波高范围内，为减小大坝坡面波浪爬高，拟在大坝坡面自上而下均匀布置一定数量的矩形墩、台阶、梯形墩，以造成波能的急剧衰减，网格划分见图1。（d）梯形墩护面图1 各消浪结构网格划分示意图3 计算方法波浪流动特点：自由表面随时间不断变化；水流紊动性强；波浪传播过程中遇到建筑物波面容易破碎。因此，采用时均型式N-S方程并结合雷诺应力模型作为波浪求解的基本方程，用体积率法（VOF法）追踪波浪自由表面。1）紊流时均N-S方程考虑脉动的影响，目前广泛采用的方法是时间平均法，即把紊流运动看作是时间平均流动和瞬时脉动流动叠加而成。在实际流动中，密度是极其微小变化的，并不会对流动造成明显影响，因此，假定流体密度为常数。2）VOF方法跟踪自由表面的VOF法，用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，是一种简单有效的处理复杂自由表面的方法，适用于两种或多种互不穿透流体间界面的跟踪计算，定义函数w()x，y，z，t和a()x，y，z，t分别代表计算区域内的水和气占计算区域的体积分数。在每个单元中，水和气的体积分数之和为1，即：w+a=1。4 计算成果各工况下波浪爬高计算成果见表 1。由表 1可以看出，3种工况下光滑混凝土护面型式的波浪爬高值均大于其他 3 种消浪方案，故有必要采用合理可靠的工程措施抑制波浪爬高，加大水库安全储备。计算成果表明，设计洪水位工况下，波浪爬坡极限绝对高程最大，为坝顶高程确定的控制性工况；采用直角梯形墩护面消浪结构的波浪爬高大于矩形墩护面结构形式；表 1 中的阶梯式消浪措施消浪效果最优。表1 各工况下波浪爬高计算成果注：阶梯式护面台阶尺寸为0.500 m1.050 m，自坝顶处向下修建17级台阶；直角梯形墩护面上底0.400 m、下底1.240 m、高0.400 m，梯形墩间距为1.000 m阶梯式护面消浪结构设计洪水位工况下波浪爬高示意图见图2。（a）光滑混凝土护面（b）矩形墩护面（c）阶梯式护面计算工况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位光滑护面4.9524.9583.275矩形墩护面（间距1.500 m）3.7463.4381.448阶梯式护面3.6123.4561.987直角梯形墩护面3.2203.8171.843m非结构化网格结构化网格（下转第21页）2023年第8期规划设计东北水利水电 5和马道设计中对圆弧的设计进行优化处理，使模型效果更加直观；采用原始地形曲面和开挖设计曲面粘贴为新的曲面，并提取开挖工程量，对设计工作者帮助很大。2）采用Inventor软件建立单体城门洞模型，放至原空间坐标与泄槽模型相衔接，不同曲面模型拼接效果较好，实现了不同建模软件的相互协同作用，在类似边坡开挖和建模积累了经验，给设计工作者提供了建模参考。参 考 文 献1张启明.Civil 3D在水利工程施工放坡开挖中的应用 J.西北水电，2017（3）：92-94.2龙潜，周宜红，张成.基于Civil 3D与Infraworks的边坡开挖模型的三维设计与展示 J.珠江水运，2017（24）：68-70.3陈瑞华，唐良川.Civil 3D在某工程坝址、坝型比选中的应用 J.云南水力发电，2023，39（1）：102-104.4叶晓文.Civil 3D在多级边坡场地设计中的应用 J.港工技术，2020，57（6）：57-60.5韩旭，张军军，李国宁，郭嘉.BIM在溢洪道工程设计中的简单运用 J.内蒙古水利，2022（1）：57-58.6王倩.运用Civil 3D软件对厂房高边坡施工方案的分析应用 J.吉林水利，2017（12）：57-59.7郝龙，杨莎莎，宋成年，傅少君，贺昌海.基坑开挖控制的BIM+3D GIS融合检测方法及应用 J.武汉大学学报（工学版)，2021，54（S1）：129-134.8周卫.Civil 3D软件在桑干河河道综合治理工程的应用J.山西水利科技，2022（2）：55-58.9郝永志.AutoCAD Civil 3D在新疆某水利工程设计中的应用 J.西北水电，2014（4）：104-106.10雷娜.Inventor三维设计软件在某除险加固工程分水闸闸施工图设计中的应用 J.水利科学与寒区工程，2022，5（8）：130-132.收稿日期 2023-03-01收稿日期 2022-10-31（上接第5页）图2 台阶式消浪结构设计洪水位波浪爬高示意图5 结 语上文通过数值模拟方法，研究多种有效工程措施抑制波浪爬高以降低坝顶高程、节省工程投资。矩形墩和梯形墩消浪护面结构形式均能有效降低坝高，但由于其自身结构形式缺陷，容易在矩形墩、梯形墩背水面堆积异物，整体性、可施工性较差，后期运营维护成本较高，不予推荐。而阶梯式消浪措施，适合人员的后期检修行走，且连续性、整体性、施工条件好，消浪效果优于其他方案，降低了坝顶高程，减少了工程投资。混凝土护坡在严寒地区能有效避免冰拔力、冰推力带来的破坏，阶梯式混凝土护坡在文得根水利枢纽已成功应用，为后续寒冷地区水库上游护坡消浪设计提供参考。参 考 文 献1FentonJD.AFifth-OrderStokesTheoryforSteadyWaves J .Journalof WaterwayPortCoastalandOceanEngineering，1985，111（2）：216-234.2何军.特种板式防波堤消浪及波压力特性研究 D.长沙：长沙理工大学，2009.20241612558504540353025顺河向/m竖向/m图6 泄槽整体开挖模型效果图2023年第8期工程施工东北水利水电 21Design of overpass maintenance channel for multi-pipe paralleldiversion tunnel of hydropower stationZHANG Zhi-pei，WU HaoAbstractBased on the existing maintenance channel scheme of multi-pipe parallel diversion tunnel,an overpass maintenancechannel scheme suitable for multi-pipe parallel diversion tunnel is proposed.In this scheme,the maintenance channel is reconstructedfrom the construction branch tunnel,and crosses the diversion tunnel in the way of three-dimensional intersection.The maintenancechannel of the diversion tunnel is formed together with the manhole and branch pipe.The scheme is simple,economical and convenientfor construction.It can provide good traffic conditions for the maintenance of diversion tunnel,and can provide useful reference forthe design of related projects.Key wordsdiversion tunnel；construction branch tunnel；overpass；maintenance channelStudy on slope protection and wave reduction patternsin upper reaches of Wendegen Water Conservancy ProjectYIN Jia-nan，GUO Jian-ye，YANG Hai-taoAbstractThe upstream slope protection type of dam approved at the preliminary design stage of Wendegen Water ConservancyProject is slurry masonry.Considering the material source,construction period,structural performance,management operation andmaintenance costs and other reasons,the application stage is changed to reinforced concrete slope protection type.In this paper,thenumerical simulation method is used to study the wave climbing height under different structural forms of concrete slope protection,and the type of stepped concrete slope protection and wave protection is determined by technical comparison,which provides referenceand basis for the subsequent design of upstream slope protection and wave protection in cold areas.Key wordsearth-rock dam；concrete slope protection；wave protection structure；Wendegen Water Conservancy Project；Projectfrom Chaoerhe river to Liaohe riverApplication of fair-faced concrete in Hongping PumpedStorage Power StationPENG Gui-qiangAbstractFair-faced concrete is a kind of high-quality concrete that can be directly used as the facade of a building,and the finishedfair-faced concrete has higher construction quality requirements.Taking Hongping Pumped Storage Power Station as an example,the selection of raw materials,the design of optimal mix ratio,the manufacture and installation of high-quality Visa formwork,andthe maintenance and protection of concrete are introduced in detail.It provides a successful case support for the popularization andapplication of fair-faced concrete in water conservancy,highway,railway and other large infrastructure projects.Key wordsfair-faced concrete；mix ratio；formwork；curing concreteStudy on influence of polymer material repair agent on crack repairperformance of hydraulic concreteWANG HongAbstractThe crack of concrete structure can significantly affect the quality and durability of hydraulic concrete structure,so it isof great significance to improve the self-healing performance of concrete crack.In this study,the effect of polymer material repairagent on crack repair performance of hydraulic concrete was discussed by means of comparative experiment.The results show thatadding a certain amount of polymer repair agent to hydraulic concrete can effectively improve the self-healing property of concretecracks,and has good engineering application value.Key wordsrepair agent；polymer material；hydraulic concrete；crack repairN0.8 2023（Total No.469）Water Resources&Hydropower of Northeast 71