本計劃由歐洲區域發展基金共同資助

 

本文由Gwena?l CHEVALLET、Marie-Christine GERMAIN及Sarah LASNE共同撰寫，來自BRL ingenierie。

 

BRL ingenierie擁有超過60年的大型水利基礎設施經驗，是法國及國際水利工程領域的重要參與者。

 

采礦業導致了許多地下設施的的建設，以管理開采區域并促進其經濟與工業發展。這項活動產生了空洞，并伴隨著礦渣堆積及谷底填充，主要使用廢石等材料進行填充。這些填充作業之前，先在水道上方進行砌石工程，以維持谷中的水流暢通。后來，隨著住宅或基礎設施的建設，又產生了材料沉積。

 

礦業發展衰退后，這些工程設施未進行維護。2012年11月，Robiac-Rochessadoule（法國加爾省）發生涵蓋水道坍塌，這表明重新評估并關注這些被忽略地質環境的重要性。

 

圖1 2012年11月法國Robiac-Rochessadoule涵蓋水道坍塌

 

BRL ingenierie參與的EREDOS研究計劃，其目標如下：

• 開發工具和方法，對涵蓋水道及其上的結構物進行詳細勘察，包含監測系統、結構行為與水力行為等。
• 定義風險指標和干預方案。

 

在此研究框架內，BRL工程公司采用3D CFD進行模擬分析，以解決涵蓋水流相關問題。CFD模型以 FLOW-3D 軟件建立，并結合RICHER公司提供的涵蓋水流三維精細掃描數據。目前我們的土木和環境工程客戶已將 FLOW-3D HYDRO 應用于此類建模與分析。

 

隧道3D掃描

Valette溪位于法國阿萊斯北方約20公里處的羅比亞克-羅切薩杜勒鎮。此隧道全長約250m，結構為磚石砌筑。下圖為下游拍攝的3D掃描影像。透過收集高分辨率的幾何數據，我們得以建立精準的3D CAD模型，作為 FLOW-3D HYDRO 的輸入數據。

 

圖2 隧道內部照片

 

圖3 隧道360度照片

 

圖4 3D地形模型詳細信息

 

水力模型

主要任務為建立包括整個地下溪流的3D CFD模型，并進行參數研究。模型使用 FLOW-3D HYDRO 軟件建立，測試的主要參數包括：

 

■上游與下游邊界條件

• 上游：流量或水位施加
• 下游：自由流出或水位施加

■隧道絕對粗糙度

■網格尺寸

■湍流模型（K-epsilon, K-omega, RNG）

■考慮水流曝氣現象（單一流體[水] + 特定空氣模型或雙流體[水+空氣]模型）

■數值選項（一階、二階等）

■壁面定律

總計，進行了40多次的3D CFD模擬。

 

圖5. 上游壓力流 (~ 120 m3/s)

圖6 下游自由水面流 (~ 120 m3/s)

 圖7 流線圖 (~ 120 m3/s)

圖8 空氣率 (~ 120 m3/s)

 

水力分析結果

 

盡管測試中調整了多項參數（即使范圍很大），仿真結果顯示，此隧道最大計算流量依然穩定在100-125m³/s。對于此特定條件與尺度，仿真結果顯示模型對參數空間變化的敏感度并不高。

 

根據模型估計，此隧道的最大實測流量約為100m³/s。所謂最大實測流量，是指當上游水位上升至約8至9米（以模型參考點為基準）時的流量，此水位與上游入口附近的自然地形條件相符。

 

透過上述方法所得出的隧道上游流量曲線帶入分析。在60-120m3/s的流量范圍內，第一條隧道應用流量系數為0.6的涵洞公式所計算出的流量曲線，與使用 FLOW-3D HYDRO 軟件所得到的流量曲線相當吻合。

 

圖9 模擬結果（~ 120 m³/s）

 

圖10 隧道上游流量曲線（~ 120 m3/s）

 

結構的水力應力

 

利用3D CFD模型可以仿真結果中提取許多與結構水力應力評估相關的參數，例如動水壓力、剪應力以及能量耗散等。

 

這些輸出結果有助于診斷現有結構的穩定性，并為可能的加固工程提供設計依據。它們可作為結構分析的輸入數據。

 

在所關注的流況中，壓力流和自由表面流交替出現，需要注意可能會觀察到振蕩現象，導致壁面上出現凹陷，這可能會造成不利影響。

 

下圖顯示水力結構上壓力作用的仿真結果類型。

 

圖11 結構上的壓力

 

圖12 結構上的能量耗散

 

結論

高精準度3D掃描數據作為基礎，利用先進的建模工具如 FLOW-3D HYDRO 可進行復雜流況的3D CFD模擬。研究結果包含流量曲線、詳細的流動狀況，以及周邊基礎設施上的壓力條件。