郭立博，何建新，楊海華

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

碾壓式瀝青混凝土心墻施工要求日降雨量或降雪量宜小于5 mm、施工時(shí)風(fēng)力宜小于4級(jí)、大氣環(huán)境溫度宜不低于0℃[1]。位于新疆“百里風(fēng)區(qū)”[2]的大河沿水庫(kù)工程，年平均8級(jí)以上大風(fēng)108 d，給施工帶來(lái)較大困難，質(zhì)量難以控制。瀝青混凝土碾壓過(guò)程中，在大風(fēng)作用下表面溫度損失較快[3]，易出現(xiàn)心墻表層溫度降至130℃以下未能及時(shí)碾壓和終碾后表層溫度低于110℃的現(xiàn)象，影響心墻層間結(jié)合的質(zhì)量[4]。因此，為保證瀝青混凝土心墻的防滲性能，應(yīng)采取必要的防風(fēng)措施，以降低風(fēng)速。近年，防風(fēng)技術(shù)的研究主要針對(duì)鐵路、高速公路等路基防風(fēng)工程，例如：程建軍等[5-6]對(duì)風(fēng)害防治工程措施及功效進(jìn)行了研究；劉鳳華等[7-8]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同形式擋風(fēng)墻的防風(fēng)功效進(jìn)行了探討；楊斌等[9-11]對(duì)擋風(fēng)墻距道路的合理位置和擋風(fēng)墻的合理高度進(jìn)行了研究，并取得了較好的成果。以上研究為防風(fēng)工程的設(shè)計(jì)提供了參考[12-13]，但對(duì)于防風(fēng)問(wèn)題的解決方案均是在保護(hù)工程之外另行修建防風(fēng)建筑物，從而使施工成本額外增加。針對(duì)強(qiáng)風(fēng)區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩施工過(guò)程中填筑防風(fēng)要求，本文提出利用壩體自身填筑高差形成防風(fēng)結(jié)構(gòu)的方法使心墻施工區(qū)風(fēng)力達(dá)到施工規(guī)范要求，并對(duì)防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式以及不同風(fēng)速下的防風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出合理的設(shè)計(jì)方案，以期為強(qiáng)風(fēng)區(qū)心墻瀝青混凝土快速施工提供參考。

1 工程概況

大河沿流域位于吐魯番市北部，北部與吉木薩爾縣，西部與烏魯木齊縣接壤，河流發(fā)源于天山北坡，呈北南走向，流域地理位置為88°50′E～89°10′E，44°40′N～43°40′N。平原區(qū)全年盛行西北風(fēng)，風(fēng)向季節(jié)變化不大，春秋多大風(fēng)，夏季多干風(fēng)，以3～6月最盛行。年平均8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)為108 d，最多達(dá)135 d，最大風(fēng)速為25 m/s，出現(xiàn)在1983年4月27日，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋、N，主導(dǎo)風(fēng)向頻率為7%；次多風(fēng)向?yàn)镾E、W、ENE。風(fēng)災(zāi)是該區(qū)域內(nèi)的主要災(zāi)害之一。氣象要素見(jiàn)表1。

表1 吐魯番氣象站風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

大河沿工程在大風(fēng)環(huán)境下施工時(shí)，通?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)瀝青混合料各施工環(huán)節(jié)采用如下保溫和溫度控制措施：瀝青混合料采用帶電加熱板的保溫罐儲(chǔ)存，采用車斗四周及底板帶保溫板的自卸式運(yùn)輸車，各保溫機(jī)械料斗上架設(shè)保溫篷布；心墻攤鋪后覆蓋防風(fēng)帆布，壓實(shí)后上層再加棉被保溫；各施工環(huán)節(jié)溫度均采用施工規(guī)范規(guī)定的上限值或適當(dāng)提高最低下限值，特別針對(duì)初碾溫度和終碾溫度，采用初碾溫度不宜低于140℃，終碾溫度不宜低于120℃。盡管采用了上述措施，大風(fēng)環(huán)境下瀝青混合料運(yùn)輸和攤鋪過(guò)程中溫度散失過(guò)快、入倉(cāng)后瀝青混合料排氣時(shí)間較短、碾壓后瀝青混合料表面容易形成硬殼層等原因還是會(huì)給施工帶來(lái)困難，不僅增加了能耗，還影響施工質(zhì)量。

2 壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土心墻壩施工時(shí)利用壩體自身填筑，將上、下游壩殼料超前于心墻與過(guò)渡料的鋪筑，使壩殼料填筑高度高于過(guò)渡料和心墻的填筑高度，從而在心墻施工斷面形成凹槽。壩體與心墻填筑高差產(chǎn)生后，相當(dāng)于在心墻迎風(fēng)側(cè)設(shè)置類似風(fēng)場(chǎng)障礙物的土堤式擋風(fēng)墻(即防風(fēng)結(jié)構(gòu))，可有效消減凹槽內(nèi)心墻施工區(qū)風(fēng)速。壩體兩側(cè)防風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)填筑簡(jiǎn)圖如圖1所示。壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)防風(fēng)效果主要受高差和設(shè)置距離的影響，其中高差為壩殼料與心墻填筑面的垂直高度，設(shè)置距離為防風(fēng)結(jié)構(gòu)背風(fēng)側(cè)坡腳距瀝青混凝土心墻中心的距離。

圖1 壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)填筑簡(jiǎn)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

大河沿水庫(kù)樞紐工程于2018年3月末進(jìn)行了3種壩體防風(fēng)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)防風(fēng)試驗(yàn)，防風(fēng)結(jié)構(gòu)填筑參數(shù)見(jiàn)表2。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在迎風(fēng)側(cè)壩殼料頂面距壩殼料壩肩18.82 m處裝配自動(dòng)氣象站，同時(shí)在心墻上游距心墻中心2.36 m位置布置風(fēng)速儀，對(duì)兩處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)速觀測(cè)。

表2 不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的填筑參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行了3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)累計(jì)3 d不同時(shí)刻的風(fēng)速觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)速比(心墻風(fēng)速/氣象站風(fēng)速)分別為70.3%、56.1%、42.2%，說(shuō)明防風(fēng)結(jié)構(gòu)能有效地降低心墻施工區(qū)的風(fēng)速。3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)的減風(fēng)效果為結(jié)構(gòu)3優(yōu)于結(jié)構(gòu)2，結(jié)構(gòu)2優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。說(shuō)明相同設(shè)置距離條件下，高差越大，防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)減風(fēng)效果越好；對(duì)于相同的高差，設(shè)置距離越小，防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果越好。

表3 不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 m/s

4 數(shù)值計(jì)算模型

4.1 數(shù)值計(jì)算方法

瀝青混凝土心墻是沿壩軸線方向分層鋪筑碾壓的防滲體[14]，當(dāng)計(jì)算順河道流動(dòng)的橫風(fēng)作用下防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果時(shí)，可將其簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題處理。因橫風(fēng)風(fēng)速小于70 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，可按不可壓縮流體處理[15]。選用商用CFD軟件FLUENT提供的工程上應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中不考慮熱量交換?？刂品匠蘙16]包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流模型中的湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程。計(jì)算方法為有限體積法，采用SIMPLE算法對(duì)壓力和速度耦合進(jìn)行處理，一階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)。

4.2 計(jì)算域、邊界條件及網(wǎng)格劃分

建立大河沿水庫(kù)工程壩體數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。計(jì)算區(qū)域的高度、長(zhǎng)度分別為300 m、1 840 m，其中，壩基寬340 m、來(lái)流長(zhǎng)度450 m、尾流長(zhǎng)度1 050 m。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在壩趾處(如圖2所示)，上游壩坡坡比為1∶2.2，其余邊坡坡比均為1∶2，心墻中心坐標(biāo)為(184,10.8)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(單位：m)

邊界條件：入口設(shè)置為速度進(jìn)口，在x方向采用均勻來(lái)流，防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式時(shí)取風(fēng)速vx=20.7 m/s(8級(jí)風(fēng)力風(fēng)速上限)[17]，不同風(fēng)級(jí)時(shí)vx取對(duì)應(yīng)風(fēng)級(jí)最大風(fēng)速，y方向速度為零；出口設(shè)定為壓力出口，靜壓為零；壩體表面及地面均采用無(wú)滑移邊界條件；頂部設(shè)為對(duì)稱邊界，模擬頂部氣體自然流動(dòng)狀態(tài)。

采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高數(shù)值計(jì)算精度，對(duì)防風(fēng)結(jié)構(gòu)和心墻施工區(qū)附近采用小尺寸網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余區(qū)域網(wǎng)格由心墻向兩側(cè)方向按比例稀疏，心墻施工區(qū)網(wǎng)格如圖3所示。以心墻中心1 m高處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化范圍在3%以內(nèi)為依據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果滿足要求，最終各試驗(yàn)?zāi)Ｐ途W(wǎng)格數(shù)均在110萬(wàn)左右。

圖3 心墻附近網(wǎng)格

4.3 模型驗(yàn)證

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，當(dāng)氣象站風(fēng)速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值完全吻合時(shí)，將心墻風(fēng)速的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)心墻風(fēng)速實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖4可見(jiàn)，3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)心墻風(fēng)速的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值最大相對(duì)誤差分別為9.8%、7.5%和9.4%，均小于10%，在容許范圍內(nèi)，表明數(shù)值模型準(zhǔn)確可靠，可進(jìn)一步模擬防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式下的防風(fēng)效果。

4.4 模擬方案

進(jìn)行防風(fēng)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)時(shí)，考慮施工所需的最小設(shè)置距離和最大高差限制因素：防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離不宜太小，需滿足施工區(qū)機(jī)械交叉作業(yè)對(duì)運(yùn)行空間的要求；防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差不宜過(guò)大，較大時(shí)不利于心墻和過(guò)渡料的物料運(yùn)輸，需增設(shè)坡度較緩的下坡臨時(shí)道路。結(jié)合大河沿工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)壩體填筑參數(shù)，設(shè)計(jì)不同形式防風(fēng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方案如下：固定防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差為4.4 m，設(shè)置距離分別為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m；固定防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為9.08 m，高差分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m。模擬不同風(fēng)速情況下的防風(fēng)效果時(shí)，取風(fēng)力4～10級(jí)，入口風(fēng)速按各風(fēng)級(jí)最大風(fēng)速[17]進(jìn)行計(jì)算。

5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

5.1 防風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)心墻施工區(qū)防風(fēng)效果的影響

通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，得到防風(fēng)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)形式下心墻施工區(qū)的風(fēng)速云圖如圖5和圖6所示。

圖5 高差4.4 m時(shí)不同設(shè)置距離的心墻施工區(qū)風(fēng)速云圖

圖6 設(shè)置距離9.08 m時(shí)不同高差的心墻施工區(qū)風(fēng)速云圖

由圖5和圖6可知，當(dāng)入口風(fēng)速一定時(shí)，隨著設(shè)置距離和高差的增大，防風(fēng)結(jié)構(gòu)背風(fēng)側(cè)風(fēng)速衰減區(qū)域面積增大。但對(duì)本次研究關(guān)注的心墻施工區(qū)，防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離和高差對(duì)其風(fēng)場(chǎng)的影響不同。由圖5可知，隨著設(shè)置距離逐漸增大，風(fēng)速云圖中藍(lán)色轉(zhuǎn)淡，各風(fēng)速等值線逐漸接近心墻施工區(qū)地表，表明設(shè)置距離越大，心墻施工區(qū)防風(fēng)效果越差。由圖6可知，隨著高差逐漸增大，風(fēng)速云圖中藍(lán)色加深，各風(fēng)速等值線逐漸向上移，表明高差越高，心墻施工區(qū)防風(fēng)效果越好。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)攤鋪機(jī)出料口位置高度，認(rèn)為瀝青混合料受風(fēng)力影響最大高度不超過(guò)1 m，則以心墻施工面1 m高作為心墻施工區(qū)近地面。由數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)得心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速分布情況如圖7和圖8所示。

圖7 高差4.4 m時(shí)不同設(shè)置距離下心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速分布

圖8 設(shè)置距離9.08 m時(shí)不同高差下心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速分布

由圖7可知，高差為4.4 m時(shí)，設(shè)置距離為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5m、15.0 m的心墻處近地面風(fēng)速分別為8.5 m/s、10.0 m/s、11.6 m/s、13.4 m/s、15.5 m/s?？梢钥闯?，以上防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式下心墻處近地面風(fēng)力均超過(guò)施工規(guī)范建議值(風(fēng)力4級(jí)，最小風(fēng)速為5.5 m/s)。設(shè)置距離為5 m時(shí)心墻處近地面防風(fēng)效果為58.9%，隨著設(shè)置距離的增大，防風(fēng)效果逐漸降低，設(shè)置距離為7.5 m、10.0 m、12.5m、15.0 m時(shí)，防風(fēng)效果分別降為51.7%、44.0%、35.3%、25.1%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于氣流繞過(guò)防風(fēng)結(jié)構(gòu)后過(guò)流斷面增大，氣流開(kāi)始擴(kuò)散。隨設(shè)置距離增大，擴(kuò)散沿流向發(fā)展越充分，對(duì)垂直方向的風(fēng)速梯度分布影響越平緩，防風(fēng)效果越差。

由圖8可知，設(shè)置距離為9.08 m時(shí)，高差為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m的心墻處近地面風(fēng)速分別為11.9 m/s、9.6 m/s、6.2 m/s、4.0 m/s和2.4 m/s。其中高差為4 m、6 m、8 m的心墻處近地面風(fēng)速大于5.4 m/s，超出施工規(guī)范建議值；而高差為10 m和12 m時(shí)心墻處近地面風(fēng)速都在5.4 m/s以下，滿足施工防風(fēng)要求。高差為4 m時(shí)心墻處近地面防風(fēng)效果為42.6%，隨著高差的增大，防風(fēng)效果越好，高差為6 m、8 m、10 m、12 m的防風(fēng)效果分別增至53.7%、70.2%、80.7%和88.5%。這是因?yàn)榭諝饨?jīng)過(guò)大壩繞流時(shí)，大壩邊坡具有導(dǎo)流作用。防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差越大，大壩迎風(fēng)面邊坡越長(zhǎng)，導(dǎo)流作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的防風(fēng)效果越好。

5.2 設(shè)置距離與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

取風(fēng)速為20.7 m/s，計(jì)算得到防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m時(shí)，心墻施工區(qū)達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差分別為6.2 m、7.9 m、9.4 m、11.1 m、12.4 m。對(duì)設(shè)置距離與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到擬合曲線及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出, 兩者之間呈線性關(guān)系，擬合方程為y=0.624x+3.16。由此擬合函數(shù)可插值取得設(shè)置距離在5～15 m范圍達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差?？紤]心墻施工區(qū)機(jī)械交叉作業(yè)對(duì)運(yùn)行空間的需要，建議施工時(shí)將防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離控制在10 m，此時(shí)高差控制在9.4 m，即可滿足8級(jí)風(fēng)力下最大風(fēng)速的防風(fēng)需要。

圖9 設(shè)置距離與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

5.3 風(fēng)速與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

取防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為10 m，對(duì)風(fēng)力4～10級(jí)各風(fēng)級(jí)最大風(fēng)速情況進(jìn)行計(jì)算，得到入口風(fēng)速分別為7.9 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s、28.4 m/s時(shí)心墻施工區(qū)達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差，結(jié)果見(jiàn)圖10。 對(duì)風(fēng)速與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,得到擬合曲線及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，兩者之間符合二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合方程為y=-0.016 2x2+1.044 9x-5.091 1。由此函數(shù)可得7.9～28.4 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差在1.9～11.7 m之內(nèi)。

圖10 風(fēng)速與達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差的關(guān)系

6 結(jié) 論

a. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，壩體與心墻填筑高差的施工技術(shù)具有一定的防風(fēng)效果。高差越大，防風(fēng)效果越好；設(shè)置距離越小，防風(fēng)效果越好。

b. 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差的增大和設(shè)置距離的減小有利于心墻施工區(qū)近地面風(fēng)速的消減；來(lái)流8級(jí)風(fēng)(風(fēng)速20.7 m/s)情況下，防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為9.08 m，高差分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m時(shí)，心墻處近地面風(fēng)速分別消減至11.9 m/s、9.6 m/s、6.2 m/s、4.0 m/s和2.4 m /s；防風(fēng)結(jié)構(gòu)高差為4.4 m，設(shè)置距離分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5m、15 m時(shí)，心墻處近地面風(fēng)速分別消減至8.5 m/s、10.0 m/s、11.6 m/s、13.4 m/s、15.5 m/s。

c. 8級(jí)風(fēng)(風(fēng)速20.7 m/s)情況下，防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離和達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間呈線性關(guān)系，兩者擬合方程為y=0.624x+3.16，最小高差隨設(shè)置距離的增大而增大。若防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離控制在10 m，心墻處近地表風(fēng)速滿足施工要求所需高差至少為9.4 m。

d. 防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置距離為10 m時(shí)，風(fēng)速和達(dá)到防風(fēng)要求的最小高差之間的關(guān)系式為y=-0.016 2x2+1.044 9x-5.091 1。由此可得風(fēng)速7.9～28.4 m/s范圍內(nèi)達(dá)到施工規(guī)范防風(fēng)要求的最小高差在1.9～11.7 m之內(nèi)。