韋 曄

(廣東華禹工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510610)

在原有水利工程基礎(chǔ)上新建水工設(shè)施，勢(shì)必會(huì)改變?cè)兴鳡顟B(tài)，引起局部滲流場(chǎng)變化[1-2]，對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全性帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，因而針對(duì)性研究已有水工結(jié)構(gòu)中的擬建設(shè)施滲流場(chǎng)演化特征很有必要。閘門是水利工程中控制水流重要設(shè)施，其滲流安全性是過(guò)閘水流控制得當(dāng)?shù)谋匾獥l件[3-4]。王蓓[5]、徐超奇等[6]、劉昉等[7]根據(jù)物理模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)原型試驗(yàn)，并配置以相應(yīng)的荷載工況，監(jiān)測(cè)獲得閘門在不同開度或不同流量工況下滲流演化特征，進(jìn)而為工程建設(shè)提供重要參照。另有王海霞[8]、程國(guó)棟[9]利用工程實(shí)地監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)分析聲發(fā)射、微震等細(xì)觀數(shù)據(jù)，判斷工程失穩(wěn)前兆，進(jìn)而為工程的安全運(yùn)營(yíng)及擬建設(shè)施的施工提供佐證。雖模型試驗(yàn)結(jié)果與細(xì)觀監(jiān)測(cè)手段可靠性較好，但不可忽視其試驗(yàn)成本較高、耗時(shí)周期較長(zhǎng)，不利于工程設(shè)計(jì)的時(shí)間有效性，因而劉竹麗等[10]、萬(wàn)宇飛等[11]、梁曉等[12]利用流場(chǎng)仿真計(jì)算平臺(tái)，開發(fā)相應(yīng)的閘門計(jì)算模型，研究在不同外荷載邊界條件下閘門靜、動(dòng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)特征，為工程設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。本文根據(jù)佛山蒲坑水庫(kù)擬增設(shè)水閘設(shè)施設(shè)計(jì)模型，分析在不同開度、來(lái)水流量下閘門滲流場(chǎng)演化特征，為工程實(shí)際設(shè)計(jì)、施工提供重要計(jì)算參考。

1 工程概況

佛山蒲坑水庫(kù)是區(qū)域內(nèi)重要水利樞紐工程，承擔(dān)著地區(qū)農(nóng)田灌溉、防洪蓄水及水產(chǎn)養(yǎng)殖功能，有效灌溉農(nóng)田面積超過(guò)333.33 hm2。由于蒲坑水庫(kù)近年來(lái)防洪蓄水壓力增大，泄流能力要求提高，工程管理部門考慮在水庫(kù)溢洪道增設(shè)一弧型鋼閘門，在不影響溢洪道現(xiàn)狀滲流場(chǎng)前提下，提升蒲坑水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)。為此，設(shè)計(jì)部門對(duì)蒲坑水庫(kù)增設(shè)閘門在運(yùn)營(yíng)中滲流場(chǎng)特征開展仿真分析。

根據(jù)擬設(shè)閘門基本形態(tài)，利用ANSYS-Fluent聯(lián)合仿真計(jì)算平臺(tái)建立有限元模型，所服從的滲流場(chǎng)計(jì)算模型式如式(1)：

Gε+Gb-ρε-YM+Sε

(1)

式中：ρ為滲流場(chǎng)特征參數(shù)，kg/m3；ε為滲流場(chǎng)特征參數(shù)，無(wú)量綱；ui為流速，m/s；xi、xj為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)；μ為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)平均值；μt為某一時(shí)刻黏滯系數(shù)；t為時(shí)間，s；Gε、Gb、YM為水流運(yùn)動(dòng)常數(shù)；σε為角標(biāo)ε對(duì)應(yīng)的Prandtl常數(shù)；Sε為可變常量。

該閘門模型直徑為6.0 m，寬度3.5 m，面板弧度40°，閘門支撐系統(tǒng)為壓桿式鋼結(jié)構(gòu)，夾角為45°，共有四支臂系統(tǒng)，本文重點(diǎn)研究該閘門在運(yùn)營(yíng)期間開度為6 cm、8 cm、10 cm時(shí)滲流場(chǎng)特征，并設(shè)定來(lái)水流量為130 m3/h、150 m3/h。為保障計(jì)算結(jié)果可靠性，本模型計(jì)算范圍為閘門上、下游各2 m，采用后傾式底緣體型設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐挚芍?，共獲得微單元33 686個(gè)，節(jié)點(diǎn)20 246個(gè)，設(shè)定滲透糙率參數(shù)為0.008。閘門模型中迎、背水側(cè)分別為動(dòng)力沖擊荷載邊界與靜壓邊界，底板與側(cè)板均為零自由度邊界，頂板設(shè)定有法向約束條件[13-14]?；谏鲜瞿Ｐ驮O(shè)定條件，分析在上游不同來(lái)水流量下，運(yùn)營(yíng)期閘門各工況下的滲流場(chǎng)特征。

2 不同開度下閘門水流流態(tài)特征

2.1 水位變化特征

依據(jù)不同開度工況下閘門計(jì)算模型，基于Fluent計(jì)算獲得在各開度運(yùn)行期間閘門上、下游水位變化特征，圖1為上游流量130 m3/h、150 m3/h 時(shí)各開度工況的水位變化關(guān)系。

圖1 各開度工況的水位變化關(guān)系

從圖1中可知，閘門上、下游水位變化總體均呈“平穩(wěn)-緩升-速降-平穩(wěn)”四階段特征，距閘門上游40～180 cm區(qū)間內(nèi)水位呈現(xiàn)較穩(wěn)定變化特征，此現(xiàn)象在各開度工況中均是如此。以上游來(lái)水流量130 m3/h為例，開度為6 cm時(shí)，上游水位穩(wěn)定在24.7 cm，最大波動(dòng)幅度不超過(guò)1.9%，最低水位出現(xiàn)在距離閘門40 cm處；當(dāng)開度增大至8 cm 后，上游水位下降，最低水位同樣位于閘門40 cm處，各測(cè)點(diǎn)的水位平均值為14.8 cm，相比開度6 cm下降低了40.1%，即開度增大后，閘門上游水位下降，控制過(guò)閘水流效果顯著。當(dāng)開度為10 cm后，上游水位無(wú)顯著平穩(wěn)性，水位最大波動(dòng)幅度超過(guò)6%，平均水位為10.5 cm，相比開度6 cm、8 cm下上游水位降低了57.5%。從整體水位變化可知，當(dāng)開度增大2 cm，該增設(shè)閘門上游水位平均降低29.1%，特別是水位降幅最大出現(xiàn)在開度增大早期，當(dāng)開度由8 cm增大至10 cm后，上游水位的降幅較穩(wěn)定。當(dāng)水流到達(dá)閘門附近后，水位出現(xiàn)緩升態(tài)勢(shì)，特別是開度愈大，則水位緩升幅度愈顯著，開度6 cm下水位僅緩升了1.5%，而在開度8 cm、10 cm下水位緩升幅度分別為2.6%、7.1%，表明開度愈大，閘門對(duì)上游水位限制作用愈弱。當(dāng)水流過(guò)閘門后，水位出現(xiàn)陡降態(tài)勢(shì)，開度6 cm、8 cm、10 cm時(shí)降幅分別為84.6%、66.4%、14.6%，開度愈大，水位陡降幅度愈低。進(jìn)入閘門下游后，水位逐漸趨于平穩(wěn)，最終在距離閘門下游180 cm處，各工況水位達(dá)到一致性，分別為4.5 cm、5.4 cm、9.7 cm。

當(dāng)上游來(lái)水流量增大至150 m3/h后，閘門上、下游水位變化特征與130 m3/h流量工況基本一致，但各開度工況下閘門上游水位顯著增高，三個(gè)開度工況下上游水位平均值增長(zhǎng)了48.6%～79.1%，且過(guò)閘斷面水位降幅亦高于130 m3/h流量工況，但在閘門下游水位平穩(wěn)段無(wú)較大變化。分析表明，上游來(lái)水流量增大后，僅影響閘門上游水位及過(guò)閘斷面水位降幅，對(duì)下游水位平穩(wěn)段變化無(wú)顯著影響。

2.2 滲流場(chǎng)流速特征

根據(jù)各開度工況下滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，兩個(gè)來(lái)水流量工況下閘門典型開度下滲流場(chǎng)流速演變特征，如圖2所示。當(dāng)來(lái)水流量為130 m3/h時(shí)，隨開度增大，閘門上游底部流速逐漸增大，開度6 cm 時(shí)，流速為0.27 m/s，而開度8 cm時(shí)流速相比前者增大了91.5%，并在過(guò)閘斷面后逐漸減小。兩開度工況下水流流速矢量線較平滑，特別是在開度8 cm時(shí)過(guò)閘斷面節(jié)點(diǎn)處流速逐步增大至1.51 m/s，水流在閘門下游亦較為平緩，即該方案有利于控制下游水流紊動(dòng)，不出現(xiàn)局部的渦流等現(xiàn)象。當(dāng)上游來(lái)水流量增大至150 m3/h后，上游水流流速矢量線在過(guò)閘斷面處控制效應(yīng)較佳，通過(guò)水閘流速提升，開度6 cm時(shí)上、下游水位流速變幅為3.6倍，且在高來(lái)水流量工況下，閘門底緣受沖刷效應(yīng)仍然保持較好水平，無(wú)水力沖蝕引起的流速矢量線滑動(dòng)等現(xiàn)象[15-16]。綜上分析表明，增大上游來(lái)水流量?jī)H對(duì)閘門上游流速有較小影響，而在閘門下游流速矢量、流速量值幾乎無(wú)變化；開度變化下引起閘門底緣流速分布演化，對(duì)閘門上、下游流速分布無(wú)影響。

圖2 閘門滲流場(chǎng)流速演變特征

3 不同開度下閘門滲流壓強(qiáng)特征

3.1 閘門壓強(qiáng)特征

為分析過(guò)閘斷面水流壓強(qiáng)變化特征，設(shè)定有8個(gè) 測(cè)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系以測(cè)點(diǎn)至底緣位置距離Z與閘門面板弧形長(zhǎng)度L之比為衡量參數(shù)a，獲得各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化特征，如圖3所示。

圖3 閘門上壓強(qiáng)變化特征

根據(jù)對(duì)各開度工況下不同來(lái)水流量閘門上壓強(qiáng)計(jì)算，獲得閘門上壓強(qiáng)受開度、來(lái)水流量影響特征，如圖4所示。從圖中可看出，在三個(gè)開度工況中均以高來(lái)水流量下的閘門壓強(qiáng)為最大。在開度8 cm工況中，來(lái)水流量為130 m3/h時(shí)，2#測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)為1.6 kPa，而來(lái)水流量為150 m3/h時(shí)同測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)較前者增長(zhǎng)了5.35倍，從各測(cè)點(diǎn)幅度差異來(lái)看，開度8 cm工況中，3#測(cè)點(diǎn)來(lái)水流量130 m3/h與150 m3/h兩者間閘門壓強(qiáng)最大幅度差異為32倍，各測(cè)點(diǎn)間幅度差異分布為2.6～32倍，且6#、7#、8#三個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)一致，為0.028 kPa。而在開度6 cm、10 cm工況中，兩個(gè)來(lái)水流量工況分別有0個(gè)、5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)一致，表明開度增大后，閘門上壓強(qiáng)受來(lái)水流量影響減弱，且在閘門上部壓強(qiáng)逐步一致性分布。開度6 cm 工況中兩個(gè)來(lái)水流量工況下的壓強(qiáng)幅度分布為1.12～130.4倍，低開度工況中受來(lái)水流量影響，閘門面板壓強(qiáng)差異性較大。

圖4 閘門動(dòng)水壓強(qiáng)分布特征(流量130 m3/h與150 m3/h)

對(duì)比相同來(lái)水流量不同開度工況下閘門壓強(qiáng)特征可知，高開度工況下閘門壓強(qiáng)弱于低開度工況，在來(lái)水流量130 m3/h中開度6 cm時(shí)3#測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)為6.93 kPa，而相同流量與測(cè)點(diǎn)下開度8 cm、10 cm的壓強(qiáng)較前者分別減少了95.9%、99.8%，在該來(lái)水流量方案中，各測(cè)點(diǎn)在開度8 cm、10 cm的壓強(qiáng)相比開度6 cm下降幅分別為70.2%～96.0%、99.5%～99.8%。從閘門底部至頂部壓強(qiáng)變化可知，隨開度增大，閘門面板上壓強(qiáng)差異性逐步減小，來(lái)水流量130 m3/h時(shí)，在開度6 cm工況中1#～8#測(cè)點(diǎn)間壓強(qiáng)幅度差異為8.3%～94.0%，而在同一流量開度10 cm工況中各測(cè)點(diǎn)間最大幅度差異僅為6.7%～57.0%，表明開度增大，閘門面板上各測(cè)點(diǎn)間壓強(qiáng)逐步趨于一致性。

3.2 動(dòng)水壓強(qiáng)分布特征

依據(jù)滲流場(chǎng)特征參數(shù)計(jì)算，獲得各開度工況下閘門動(dòng)水壓強(qiáng)分布特征，如圖7所示。從圖中可知，開度6 cm時(shí)動(dòng)水壓強(qiáng)分布顯著高于開度8 cm、10 cm，在開度8 cm、10 cm 工況中零壓強(qiáng)分布區(qū)域顯著增大，閘門受動(dòng)水壓強(qiáng)影響顯著減小。來(lái)水流量增大至150 m3/h后，僅改變了閘門底部與中部壓強(qiáng)分布，對(duì)閘門上部的零壓強(qiáng)分布無(wú)影響，仍隨開度增大，零壓強(qiáng)分布區(qū)域擴(kuò)大。分析表明，開度增大，有助于擴(kuò)大閘門上零壓強(qiáng)分布，減弱閘門受動(dòng)水壓力沖擊影響，而上游來(lái)水流量增大，僅對(duì)閘門下部動(dòng)水壓強(qiáng)區(qū)域有所影響，提升了壓強(qiáng)分布量值。

4 結(jié) 論

(1)過(guò)閘水流在斷面上水位呈“平穩(wěn)-緩升-速降-平穩(wěn)”四階段特征，開度增大，閘門斷面處水位陡降幅度愈低，來(lái)水流量130 m3/h下開度6 cm、10 cm的降幅分別為84.6%、14.6%，而開度增大，可導(dǎo)致上游水位下降，開度增大2 cm，上游水位平均降低29.1%；上游來(lái)水流量增大，上游水位平均值增大，但下游水位差幅較小。

(2)開度增大，閘門上游底部流速逐漸增大，開度8 cm相比開度6 cm下上游底部流速增大了91.5%，閘門上游流速較穩(wěn)定；來(lái)水流量增大后，僅對(duì)閘門上游流速有影響，而對(duì)下游流速矢量與量值并無(wú)影響。

(3)高來(lái)水流量下的閘門壓強(qiáng)為最大，但開度增大后，閘門上壓強(qiáng)受來(lái)水流量影響減弱，開度6 cm、8 cm工況中，來(lái)水流量130 m3/h與150 m3/h間閘門各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)幅度分布為1.12～130.40倍、2.60～32.00倍；高開度工況下閘門壓強(qiáng)弱于低開度，且開度增大導(dǎo)致閘門面板上壓強(qiáng)差異性減小，逐步趨于一致性。

(4)開度愈大，動(dòng)水壓強(qiáng)愈低，且零壓強(qiáng)分布區(qū)域擴(kuò)大；上游來(lái)水流量增大，僅影響閘門下部動(dòng)水壓強(qiáng)量值。