楊夢薇，管光華

地震作用下渡槽內(nèi)水體響應(yīng)三維數(shù)值模擬與分析

楊夢薇，管光華*

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072）

【】研究輸水渡槽在地震荷載作用下的水體響應(yīng)特性，為渡槽振動條件下的流固耦合分析及滿溢風(fēng)險評估提供指導(dǎo)。采用FLOW-3D三維仿真軟件，從地震荷載作用方式、地震荷載頻率、渡槽內(nèi)水體流量大小3個角度出發(fā)，設(shè)置了3組數(shù)值仿真實驗，并由仿真結(jié)果分析了渡槽水體在典型地震荷載作用下的響應(yīng)特性。渡槽邊壁在靠近自由液面處受到水體的垂直作用力最大，其數(shù)值為底部和中部的10倍以上；施加單一方向地震荷載時，水平方向地震荷載水體波動比豎直方向大2.5%；地震荷載頻率增大，水體運動劇烈程度先增大后減小，在一定區(qū)間內(nèi)存在使得水體響應(yīng)最為劇烈的頻率；流量增大，水體對邊壁的垂直作用力最大值被削弱20%以上，但水體漫頂?shù)娘L(fēng)險也隨之增加。在渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計時應(yīng)考慮自由液面附近的渡槽邊壁強度。此外增大渡槽流量會減小水體對邊壁的作用力，但渡槽漫頂風(fēng)險也隨之增加。

渡槽；地震響應(yīng)；數(shù)值模擬；水位；垂直邊壁加速度

0 引言

【研究意義】渡槽是輸配水渠道系統(tǒng)中一種常見的交叉建筑物，常用于輸送渠水跨越山?jīng)_、谷口、河流、渠道及交通道路等。渡槽作為交叉建筑物，除輸水外還兼顧排洪、排沙、通航、導(dǎo)流多項功用[1]。作為水利工程中重要的輸水建筑物，渡槽的結(jié)構(gòu)安全與輸水工程的穩(wěn)定運行息息相關(guān)。影響渡槽運行安全性的非常規(guī)因素有地震荷載、溫度應(yīng)力[2-3]等。而隨著我國引調(diào)水工程逐步向中西部地區(qū)推進(jìn)，渡槽的抗震分析愈發(fā)引起人們的重視。譬如近年建設(shè)中的滇中引水工程，部分渡槽穿越強地震區(qū)，一旦渡槽在地震作用下發(fā)生破壞，將會導(dǎo)致全線供水中斷，同時事故對工程所在地造成的破壞亦較為強烈[4]，則探索渡槽在地震荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律，并進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)計顯得尤為重要。而關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗震分析，其主要的研究方法為時程分析法，但該方法僅針對結(jié)構(gòu)本身而言[5]。對于渡槽這一特殊水工建筑物，在地震荷載作用下，如果僅僅考慮其結(jié)構(gòu)自身的振動，而忽略了巨大的水體質(zhì)量慣性作用，則結(jié)果與實際情況可能大相徑庭[6-7]。因此分析地震作用下的渡槽結(jié)構(gòu)安全，需要對槽內(nèi)水體動邊界特性有深入的認(rèn)知。

【研究進(jìn)展】地震發(fā)生時，渡槽在地震作用下發(fā)生振動，并給渡槽內(nèi)的水以一定的作用力使之紊動，紊動的水體反過來又對渡槽的振動產(chǎn)生影響，這樣的相互作用過程稱為渡槽與水體的耦合作用[8]。此前，關(guān)于渡槽結(jié)構(gòu)分析的方法主要有以下幾種。首先是Westergaard的附加質(zhì)量模型[9]，高兌現(xiàn)等[10]將其用至渡槽結(jié)構(gòu)，將槽內(nèi)的水作為附加質(zhì)量進(jìn)行計算，但該方法忽略了水的壓縮性和紊動作用，只適用于渡槽結(jié)構(gòu)動力學(xué)定性分析。之后Housner提出模擬脈動壓力和對流壓力的等效質(zhì)量-彈簧模型[11]，季日臣等[12]、張多新等[13]以此為基礎(chǔ)建立了渡槽FSI（Fluid Solid Interaction）動力學(xué)模型，但該方法僅適用于剛性槽墩的近似分析，對于柔性槽墩其計算結(jié)果偏危險[14]。希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang transform，HHT）是Norden等[15]在1998年提出的一種分析非線性非平穩(wěn)信號的自適應(yīng)時頻處理新方法，張建偉將其用于提取渡槽結(jié)構(gòu)振動的有效信息[16]，并用其對比FSI系統(tǒng)耦合模型和附加質(zhì)量模型的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前者在模擬階次和精度上均優(yōu)于后者[17]。Hirt等[18]創(chuàng)立了ALE（Abitrary Lagrange-Euler）法，吳軼等[19-20]用該方法建立了U形、矩形渡槽水體大幅紊動的ALE模型，該方法可以有效模擬流體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，但建模及運算都較復(fù)雜。此外，關(guān)于渡槽結(jié)構(gòu)分析的方法還有位移有限元模型[21]、位移-壓力有限元格式[22]、邊界元模型[23]，上述3種方法均未模擬真實流體，而用簡化計算加以代替[24-25]?！厩腥朦c】綜上所述，目前采用的渡槽結(jié)構(gòu)分析方法均未將渡槽內(nèi)流體作為研究對象單獨分析而得出渡槽內(nèi)的流體動態(tài)邊界變化規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以位于某新建灌區(qū)的渡槽為工程背景，選取渡槽內(nèi)水體的水位及垂直邊壁加速度為分析指標(biāo)，對不同地震荷載作用類型、不同地震荷載頻率及不同流量工況下的水體進(jìn)行數(shù)值模擬，研究地震作用下渡槽內(nèi)水體的三維水流特性，為渡槽振動條件下的流固耦合分析及結(jié)構(gòu)破壞機理與特點提供參考，亦可為渡槽的滿溢風(fēng)險評估提供指導(dǎo)。

(3)專業(yè)注重實驗和實訓(xùn)課程，每學(xué)期開設(shè)3-4周課時集中實訓(xùn)，還將部分課程以“理論+實驗”的方式教學(xué)，培育學(xué)生實務(wù)以及應(yīng)用技術(shù)的能力。

1 材料與方法

1.1 研究物理模型

選用某新建灌區(qū)渡槽，采用CAD軟件對渡槽上部結(jié)構(gòu)及槽內(nèi)水體進(jìn)行建模，取渡槽的縱向計算長度為100 m，縱坡=1/1 000，糙率為=0.015。槽內(nèi)初始水深為設(shè)計流量設(shè)=11.5 m3/s對應(yīng)的恒定均勻流水深恒定=1.994 m[26]。渡槽的加大流量為加大=13.8 m3/s。圖1為渡槽橫截面示意圖。

圖1 渡槽橫截面

1.2 參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格剖分

渡槽與流體接觸的所有壁面均采用無滑移固壁條件，并選擇計算精度和可信度較高的RNG（Renormalized group）-紊流模型進(jìn)行仿真計算。對網(wǎng)格的6個面進(jìn)行邊界條件設(shè)定：渡槽入口處（max）設(shè)為流量進(jìn)口邊界，并設(shè)置進(jìn)口流量；出口處（min）設(shè)為固定水位的壓力出流邊界，設(shè)壓力為0，但給定下游水位為恒定=1.994 m，即為設(shè)計流量下對應(yīng)的恒定均勻流水深；min、max以及min邊界都是水流與渡槽的接觸面，故設(shè)邊界為墻邊界；max設(shè)定為壓力邊界，并令壓力及流體體積分?jǐn)?shù)均為0[27-28]。

我國的外語導(dǎo)游主要為入境的外國友人方便在中國的游覽而提供服務(wù)，其主要工作內(nèi)容為來華的外國游客提供語言服務(wù)和旅游向?qū)?，解決游客在行程中的食、宿、行、游、購、娛等方面的各種問題。中國已連續(xù)多年保持全球第四大入境旅游接待國地位，在入境市場的供應(yīng)鏈中，導(dǎo)游人員在其中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。然而，與日益增長的入境游客數(shù)量不相符的情況卻是我國的外語導(dǎo)游總量并不充足，存在需求大、缺口多的問題，在一定程度上影響了我國旅游產(chǎn)業(yè)的新興客源市場的開拓。

選用不同尺寸的均勻網(wǎng)格作網(wǎng)格無關(guān)性分析，計算施加水平豎直地震荷載時，采用不同網(wǎng)格尺寸計算得到的渡槽左右邊壁最高水位，以及渡槽左邊壁代表位置處-方向垂直邊壁加速度最值分別如表1和表2所示，表中的誤差均為相對于最精細(xì)網(wǎng)格的計算結(jié)果。

由表1可知，網(wǎng)格尺寸由0.1 m減小至0.08 m、再減小至0.05 m時，計算出的左右邊壁最高水位差異較小，較粗的網(wǎng)格相對于最精細(xì)網(wǎng)格的計算誤差均小于0.3%。則加密網(wǎng)格對于水位計算結(jié)果影響較微弱。由表2可知，隨著網(wǎng)格的加密，代表位置的加速度最值計算結(jié)果差異顯著。其中0.1 m網(wǎng)格與0.05 m網(wǎng)格計算結(jié)果差異較大，其誤差百分比均超過70%。而0.08 m網(wǎng)格相比0.05 m網(wǎng)格，計算結(jié)果誤差均小于40%。考慮到加密網(wǎng)格帶來的巨大計算時間成本，最終決定選用計算誤差較小的尺寸為0.08 m的網(wǎng)格進(jìn)行仿真計算。本研究數(shù)值模擬區(qū)域為計算長度100 m的渡槽及槽內(nèi)水體，選用單元尺寸為0.08 m的單層網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)達(dá)1 742 500個。

表1 不同網(wǎng)格劃分計算的最高水位

表2 不同網(wǎng)格劃分計算的-x方向垂直邊壁加速度最值

1.3 工況設(shè)置與地震波處理

考慮到垂直渡槽邊壁的加速度是導(dǎo)致渡槽側(cè)壁產(chǎn)生應(yīng)變的主要原因，對渡槽中間截面（中=50 m）左邊壁（左=0.244 m）處選取3個代表位置l=0.386 m、m=1.428 m以及h=2.069 m，分析由垂直邊壁速度v計算得到的相鄰時間點內(nèi)的垂直邊壁平均加速度。其中分析垂直邊壁加速度的代表點位置如圖1（a）所示。

此外，考慮到渡槽的安全性，選取渡槽在設(shè)計流量下受到水平豎直地震荷載時水體對渡槽左邊壁有最大垂直邊壁作用力的時刻作抗傾覆分析。經(jīng)計算，得到抗傾覆力矩為傾覆力矩的96倍，遠(yuǎn)大于傾覆力矩，則渡槽雖然受到水體和慣性力作用，其結(jié)構(gòu)仍安全，此時產(chǎn)生的傾覆力矩可以忽略不計。

論文還對KOYNA地震波進(jìn)行了地震頻譜分析，將縮放后的方向地震加速度在Matlab中作快速傅里葉變換（FFT變換），將原始波形轉(zhuǎn)化為頻譜輸出，然后再選取典型頻率，通過反傅里葉變換（IFFT）得到變換后的對應(yīng)該頻率的地震加速度[31]。由Matlab輸出的頻譜變換過程圖如圖3所示。又根據(jù)奈奎斯特采樣定律，在信號轉(zhuǎn)換過程中，為了完整保留原始信號的信息，采樣頻率應(yīng)大于信號中最高頻率的2倍。而實際應(yīng)用中，采樣頻率一般為信號最高頻率的2.56～4倍[32]。為避免地震波失真，最大采樣頻率取原地震加速度采樣頻率的4倍，即對頻率=0～12.5 Hz范圍內(nèi)對應(yīng)的地震加速度進(jìn)行分析，并以=1.49、4.20、5.78、9.70 Hz的4組頻率對應(yīng)的地震加速度為典型進(jìn)行分析。

籠統(tǒng)的說《摩西五經(jīng)》是宗教書籍是不行的，要細(xì)讀文本。必須感謝的是，馮象翻譯中的解釋和他附加的小標(biāo)題，使《摩西五經(jīng)》不再是信徒念的經(jīng)，而是人文學(xué)者研究的文本。

基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)的結(jié)構(gòu)施工圖審核軟件對于連續(xù)梁的識別是根據(jù)連接柱的平面位置來確定的，而基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)施工圖審核技術(shù)是通過結(jié)構(gòu)模型中的梁構(gòu)件屬性直接指定2根相同屬性的梁構(gòu)件屬于1根連續(xù)梁，大大加快了讀取構(gòu)件的速度。

數(shù)據(jù)層采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存取，維護(hù)各種數(shù)據(jù)間的關(guān)系，通過用戶的調(diào)用完成對數(shù)據(jù)的持久化工作，并且保障整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的安全性。另外，數(shù)據(jù)層還包括數(shù)據(jù)實體類與通用類庫，二者均面向全局，前者主要定義了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實體模型，便于規(guī)范業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實體對象。后者主要是封裝程序開發(fā)經(jīng)常用到的方法和操作，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、字符串處理等。

圖2 KOYNA地震x、z方向加速度

圖3 Matlab輸出的地震頻譜分析過程

1.4 模型計算原理

模型計算時采用了離散的N-S方程格式以及紊流模型，其計算原理如下。

地震發(fā)生時，渡槽內(nèi)的水流流動狀態(tài)屬于湍流，而N-S方程（Navier-Stokes方程）是描述黏性不可壓縮流體動量守恒的運動方程，可以很好地求解湍流。FLOW-3D將N-S方程進(jìn)行雷諾平均化，求解的是時均化的N-S方程[33-34]。

按照《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300—2007)對飛灰樣品進(jìn)行毒性浸出。吸取17.25 mL冰醋酸至1 L容量瓶，用水稀釋至刻線，搖勻，作為浸提劑待用。稱取100 g樣品，置于2 L提取瓶中，根據(jù)樣品的含水率，按液固比為201(L/kg)計算所需浸提劑的體積，加入浸提劑，蓋緊瓶蓋后固定在翻轉(zhuǎn)式振蕩器上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為(30±2) r/min，于(23±2) ℃下振蕩(18±2) h。在壓力過濾器上裝上0.6 μm的玻纖濾膜，用稀硝酸清洗濾膜和過濾裝置，打開空壓機并進(jìn)行過濾，所得濾液即為浸出液。

Retailers hated the term but then tried to reinvent it. It was the day their profits went from red to black — so they said.

在地震作用下，渡槽內(nèi)水體劇烈紊動，水面急劇變化，需要采用精細(xì)的紊流模型。RNG-紊流模型通過大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，使小尺度運動系統(tǒng)地從控制方程中去除，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動[35-36]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水位

考慮到水位變化可能會造成渡槽滿溢，選取渡槽中間截面（中=50 m）靠近左、右邊壁處（左=0.244 m和右=3.256 m）的水位進(jìn)行分析。

由圖6可知，靠近自由液面處水體垂直邊壁加速度遠(yuǎn)大于渡槽中部和底部加速度，以“豎直水平”情況為例，靠近自由液面處水體垂直邊壁加速度分別是渡槽中部和底部加速度的13.8倍和11.9倍，說明靠近自由液面處水體受地震作用響應(yīng)更劇烈，則靠近自由液面處渡槽邊壁受到水體垂直作用力最大。

表3 設(shè)計流量3種地震荷載最大水位匯總

對比設(shè)計流量、加大流量2種不同流量工況下的左邊壁處水位變化過程，如圖5所示。由圖5可得，設(shè)計流量與加大流量水位峰值出現(xiàn)時間大致相同，但加大流量工況下水位明顯高于設(shè)計流量工況，前者左邊壁最大水位相比后者抬升了9.4%。因此加大流量工況下水體漫頂?shù)娘L(fēng)險增大。

對比4種代表頻率（=1.49、4.20、5.78、9.70 Hz）對應(yīng)的地震加速度作用下的最大水位如圖4所示。由圖4可知，對于4種頻率，左右邊壁最大水位均存在以下大小關(guān)系：H=4.20Hz>H=5.78Hz>H=1.49Hz>H=9.70Hz。由大小關(guān)系可知，隨著頻率的增加，水體響應(yīng)劇烈程度先增大后減小，說明在=1.49～5.78 Hz區(qū)間，存在對水體運動影響最為顯著的頻率。其中“=4.20 Hz”情況右邊壁最高水位比“=9.70 Hz”情況僅增大了1.08%，則頻率的改變對于最高水位變化影響微弱。

圖4 典型頻率地震荷載作用下左右邊壁最大水位變化

圖5 不同流量工況下左邊壁水位變化過程

2.2 加速度

由于KOYNA地震波[29-30]關(guān)于水平方向和豎直方向的加速度資料較完整，可以較好地應(yīng)用于仿真模擬，論文將其作為典型地震荷載，分別在設(shè)計流量工況、加大流量工況下對渡槽施加地震荷載。關(guān)于地震荷載的施加，分別從地震荷載作用方式、地震荷載頻率、渡槽內(nèi)水體流量大小3個角度出發(fā)，設(shè)立了3類對照組，通過分析對比仿真計算中的水位和垂直邊壁加速度結(jié)果，得到對渡槽施加不同方向的地震荷載、不同頻率的地震荷載、以及同一地震荷載作用下不同流量工況渡槽內(nèi)水體的響應(yīng)特性。

對比4種代表頻率（=1.49 Hz，4.20 Hz，5.78 Hz，9.70 Hz）對應(yīng)的地震加速度作用下渡槽左邊壁各代表點處與左邊壁法線方向相反（-方向）的最大垂直邊壁加速度如圖7所示。由圖7可知，對于4種頻率，左邊壁均存在大小關(guān)系為：a=4.20 Hz>a=5.78 Hz>a=9.70 Hz且a=4.20 Hz>a=1.49 Hz>a=9.70 Hz，與最大水位隨頻率的變化存在類似的規(guī)律，再次說明在=1.49～5.78 Hz區(qū)間,存在對水體運動影響最為顯著的頻率。隨著水位的抬升，各代表位置處“=4.20 Hz”情況左邊壁-方向最大垂直邊壁加速度分別為“=9.70 Hz”情況的2.6、2.7倍以及3.5倍，則頻率的改變對于垂直邊壁最大加速度的變化影響顯著。

對比設(shè)計流量工況下單獨施加豎直地震荷載、單獨施加水平地震荷載、同時施加豎直水平地震荷載3種情況渡槽代表位置處的水位分布，統(tǒng)計不同情況下的最大水位如表3所示。由表3可知，只施加豎直方向地震加速度時，左右邊壁最大水位相較另外兩種情況水位抬升幅度較小。其中“水平方向”情況左右邊壁最高水位均比“豎直方向”情況增大了2.5%，而“豎直水平”情況左邊壁最高水位相比“水平方向”情況僅增加0.1%，其右邊壁最高水位不增反降，說明豎直方向加速度的加入相較水平方向加速度對水體影響較為微弱。

圖6 3種地震荷載作用下代表位置處垂直邊壁加速度變化

表4 3種荷載作用下-x方向垂直邊壁加速度最值對比

而對比表4，在渡槽底部、中部和靠近自由液面處，“水平方向”情況水體在左邊壁的-方向加速度最值分別是“豎直方向”情況的10.5、95.0倍和40.9倍，說明水體在水平方向地震荷載作用下運動更劇烈。另外，隨著水位的抬升，3個代表位置處“同時豎直水平”情況垂直邊壁加速度最值較“水平方向”情況增大了5.07%、4.80%和10.83%，說明2個方向地震荷載同時作用產(chǎn)生的水體響應(yīng)較某一方向單獨作用時的水體響應(yīng)更大。

由于KOYNA地震震中烈度為Ⅷ-Ⅸ度，而選用的渡槽模型則位于設(shè)防烈度為Ⅵ度的地震區(qū)，為了適應(yīng)渡槽的工程背景，論文按照烈度比例對地震進(jìn)行線性縮放。另外，同時考慮水平方向和豎直方向地震作用時，地震作用總效應(yīng)等效于豎直地震作用乘以0.5的遇合系數(shù)后與水平地震作用的疊加[1]。原始KOYNA地震方向（渡槽橫截面水平方向）和方向（渡槽橫截面豎直方向）加速度圖以及縮放后的方向與縮放且0.5倍折減的方向地震加速度如圖2所示。

對比設(shè)計流量工況下單獨施加豎直地震荷載、單獨施加水平地震荷載、同時施加豎直水平地震荷載3種情況渡槽代表位置處的垂直邊壁加速度分布，得到3種地震荷載作用下垂直邊壁加速度變化如圖6所示。另外統(tǒng)計不同荷載作用下、與渡槽左邊壁內(nèi)側(cè)法線方向相反（-方向）的最大垂直邊壁加速度，匯總得到表4，表4中加速度下標(biāo)1、2、3分別對應(yīng)單獨施加豎直地震荷載、單獨施加水平地震荷載、同時施加豎直水平地震荷載3種情況的計算結(jié)果。

對比設(shè)計流量工況和加大流量工況渡槽水體垂直邊壁加速度結(jié)果，保證渡槽尾端水深不變，在“同時豎直水平”地震波組合作用下，統(tǒng)計渡槽左邊壁各代表點處與左邊壁法線方向相反（-方向）的最大垂直邊壁加速度，匯總得到表5。由表5可知，隨著水位抬升，各代表點處加大流量工況下-方向加速度最大值分別為設(shè)計流量工況的0.8、0.7倍和0.2倍，說明流量增大會削減加速度峰值，減小水體對渡槽邊壁的作用力。

(一)社會熱點事件。由于某一事件成為人們關(guān)注的社會熱點，因而人們制造出許多與之相關(guān)的詞語并在網(wǎng)絡(luò)交流中廣泛運用。如：

圖7 典型頻率地震荷載作用下左邊壁-x方向最大垂直邊壁加速度變化

表5 不同工況水體垂直邊壁加速度-x方向最大值

3 討論

此前分析渡槽結(jié)構(gòu)的方法主要有Westergaard[9]的附加質(zhì)量模型，Housner[11]的等效質(zhì)量-彈簧模型，Hirt等[18]創(chuàng)立的ALE法等。上述方法或忽略水體的壓縮性與紊動作用，或存在使用的局限性且對部分渡槽計算結(jié)果偏危險，或建模過程煩冗計算成本消耗過巨。且以上方法均未模擬真實流體，而采用簡化建模近似代替槽內(nèi)水體。但地震作用下渡槽與槽內(nèi)水體的耦合過程中槽內(nèi)水體為動態(tài)邊界，若要了解其動態(tài)變化規(guī)律，則需對渡槽內(nèi)水體建模以更直觀地得出該動態(tài)邊界的變化特性。

本研究根據(jù)某新建灌區(qū)渡槽尺寸設(shè)計了模型，并基于FLOW-3D軟件對典型地震荷載作用下的渡槽水體進(jìn)行仿真，以分析其水力特性。相比前人對渡槽-水耦合模型進(jìn)行簡化的近似處理[9-25]，本研究則直接對地震工況下的渡槽水體進(jìn)行建模分析，進(jìn)而得出渡槽內(nèi)的流體動態(tài)邊界變化規(guī)律，建模過程相對簡單，計算成本不高，更易推廣，且可以為渡槽振動條件下的流固耦合分析提供重要依據(jù)。由仿真結(jié)果得出，地震作用下，渡槽內(nèi)水體的運動與地震荷載的方向、地震荷載的頻率以及流量大小有關(guān)。靠近自由液面處，水體對渡槽邊壁的作用力最大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮自由液面附近的渡槽邊壁強度。對于現(xiàn)有的水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范關(guān)于渡槽的抗震措施，本研究建議在八級以上的水平方向地震計算時考慮附加水壓力荷載，以保證渡槽設(shè)計的安全性。另外，渡槽流量增大雖然會減小水體對邊壁的作用力，但其導(dǎo)致的渡槽漫頂風(fēng)險仍不容忽視。

本研究仍然存在一些待改進(jìn)的地方：論文在渡槽建模時對渡槽模型進(jìn)行了簡化處理，沒有考慮包括排架在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)在地震作用時對上部結(jié)構(gòu)的影響，在之后的研究中需要對渡槽模型進(jìn)一步優(yōu)化，對渡槽的下部結(jié)構(gòu)合理建模，使得計算結(jié)果更貼合實際值；論文在設(shè)置地震工況時對地震荷載的施加過程進(jìn)行了簡化處理，將水平、豎直方向地震加速度直接作用在渡槽上，而忽略了不同方向地震波傳播的滯后性，在后續(xù)的研究中需要對地震荷載施加過程逐步細(xì)化，使結(jié)果在實際工程中更具應(yīng)用性；論文在設(shè)置流量工況時未考慮流量小于設(shè)計流量的情況，這是因為研究地震荷載時，當(dāng)流量低于設(shè)計流量，渡槽與水體間的耦合作用相對較弱，且水體不會出現(xiàn)滿溢的風(fēng)險，在后續(xù)的研究將考慮渡槽施加風(fēng)荷載的情況，則需要對渡槽在設(shè)計流量的75%、50%、25%工況的水力特性進(jìn)一步分析說明。

4 結(jié)論

1）針對本文仿真的各種工況，均存在靠近自由液面處渡槽邊壁受到水體垂直作用力最大的情況。其中靠近自由液面處水體垂直邊壁加速度均為渡槽中部和底部垂直邊壁加速度的10倍以上。

2）施加單一方向地震荷載時，水平方向地震荷載比豎直方向?qū)λw作用更顯著。其中前者水面波動比后者增大了2.58%。

3）同時施加2個方向地震荷載時，水體響應(yīng)較某一方向單獨作用時更大。相比單一方向地震荷載作用，同時施加兩個方向地震荷載時相同位置處的垂直邊壁作用力增大了5%～10%。

4）改變地震荷載頻率，隨著頻率的增大，水體紊動劇烈程度先增加后減小，并在一定區(qū)間內(nèi)存在使得水體運動最為劇烈的頻率。論文選取了=0～12.5 Hz的頻率區(qū)間中4個代表頻率對應(yīng)的地震加速度進(jìn)行仿真，在渡槽底部、中部和靠近水面處，“=4.20 Hz”情況左邊壁-方向最大垂直邊壁加速度為“=9.70 Hz”情況的2.5～3.5倍。

5）改變水體流量，流量的增大會削弱水體對邊壁的垂直作用力，但此時因水位更高，水體漫頂?shù)娘L(fēng)險增加。在渡槽底部和中部加大流量工況加速度最大值比設(shè)計流量工況減小了20%以上，而在靠近水面處前者僅為后者的0.2倍。

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Numerical Simulation of Earthquake-induced Water Dynamic in Aqueduct

YANG Mengwei,GUAN Guanghua*

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

【】Aqueduct is a watercourse to carry away water from its source to distributing points, and its operation and safety are affected by many factors. The purpose of this paper is to analyze the response of water dynamics in the aqueduct to seismic load in an attempt to help aqueduct design under different scenarios.【】The analysis was based on numerical simulations. The seismic load was characterized by loading mode and loading frequency. The three-dimensional free-surface water flow in the aqueduct under different flow rate as affected by different combinations of loading characteristic factors was simulated using the FLOW-3D software, from which we calculated the force imposed by the flowing water to the aqueduct. 【】The maximum vertical force induced by the seismic load was at the edge wall of the aqueduct proximal to the free water surface, which was more than ten-fold that at the bottom and in the midst of the aqueduct. When the seismic load was imposed in a single direction, the force induced by it to the aqueduct was 2.5%higher in the horizontal direction than in the vertical direction. With the frequency of seismic load increasing, the intensity of water body movement increased first and then declined when the frequency exceeded a threshold value. 【】Designing aqueducts potentially subject to seismic load should consider the strength of the side wall near the free water surface. While an increase in water flow rate reduces the force imposed by the water body to the side-walls under seismic load, it could risk overflow.

aqueduct; seismic load; numerical simulation; free water surface; acceleration of vertical sidewall

TV135.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020510

1672 - 3317（2021）07 - 0089 - 08

楊夢薇, 管光華. 地震作用下渡槽內(nèi)水體響應(yīng)三維數(shù)值模擬與分析[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(7): 89-96.

YANG Mengwei, GUAN Guanghua. Numerical Simulation of Earthquake-induced Water Dynamic in Aqueduct[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 89-96.

2020-09-11

國家自然科學(xué)基金項目（51979202，51009108）；“十三五”國家重點研發(fā)項目（2016YFC0401810）

楊夢薇（1997-），女。碩士研究生，主要從事灌排自動化和水力除藻研究。E-mail:yangmengwei@whu.edu.cn

管光華（1979-），男，江蘇人。碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事渠道系統(tǒng)自動化運行調(diào)度理論與技術(shù)、量水理論與方法、排工程新結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail: GGH@whu.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋