何妙妙，仇辰煥

（1.蘇州市吳中區(qū)水利工程建設(shè)管理所，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州市吳中區(qū)防汛防旱信息中心，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

蘇南地區(qū)水資源豐富，但時空分布不均一直困擾著水利工程師，有效調(diào)度蘇南地區(qū)水資源乃是提升水利安全性的重要舉措。確保水利樞紐設(shè)施安全高效運營離不開閘門結(jié)構(gòu)，作為水利設(shè)施中控制水流的重要水工結(jié)構(gòu)，其設(shè)計體型對靜力穩(wěn)定性[1]、滲流活動[2]及沖淤排沙[3]等均具有重要影響，因而研究閘門結(jié)構(gòu)體型在不同工況荷載下水力特征影響變化具有重要意義。王蓓[4]、張笮娜等[5]、周永昌[6]根據(jù)模型試驗方法，設(shè)置原型復(fù)制比尺參數(shù)，完成溢洪道、閘門及消能池等不同類型的水工結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗，基于模型試驗數(shù)據(jù)探討水工結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，為實際工程建設(shè)提供試驗支撐。模型試驗作為一種精度高、可靠性大、研究成果豐富的研究方法，其所獲得的水工結(jié)構(gòu)水力特征、靜力穩(wěn)定性特征均有借鑒之處。而數(shù)值仿真同樣可以高效解決復(fù)雜工程的靜、動力穩(wěn)定場及域內(nèi)滲流場問題，已有一些學(xué)者引入ANSYS、COMSOL、ABAQUS等有限元仿真手段建立水工結(jié)構(gòu)計算模型，通過對水工模型模擬施加不同荷載計算，探討例如閘門、水工擋墻及閘墩等結(jié)構(gòu)的水力特性或斷面泥沙懸浮變化特征[7-9]，從而作為工程設(shè)計依據(jù)。基于蘇南擬建工程泄洪閘門的壓桿支臂結(jié)構(gòu)體型設(shè)計方案優(yōu)化問題，以面板支臂系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)體型差異點，針對性研究體型設(shè)計對水力特征影響，采用ABAQUS仿真平臺建立計算模型，并利用FLUENT滲流場模擬平臺計算獲得流場內(nèi)水力特征及水沙演變特征，由此探討閘門體型設(shè)計方案對水沙特征及靜力特性影響特性，為擬建閘門的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

2 工程仿真

2.1 工程概況

蘇州河上游地區(qū)擬建一小型水庫樞紐工程，設(shè)計最大庫容量為450萬m3，包括有引水工程、溢洪道、防洪大壩及泄洪閘等水工設(shè)施。

主壩作為防洪重要結(jié)構(gòu)，設(shè)計壩頂高度為35.8m，頂寬度為2.6m，沿軸線長度為525m，采用混凝土重力式大壩與土石壩組合形式，其中混凝土壩體占據(jù)主壩80%；

土石壩采用壤土堆筑料分層壓實，目前監(jiān)測所獲得的土石壩最大沉降不超過20.5mm，土壩迎水面設(shè)計采用混凝土與植物網(wǎng)格護(hù)坡，確保綠色化與防滲效果兼有，而混凝土主壩采用防滲面板與排水結(jié)構(gòu)相結(jié)合方式，減少壩身內(nèi)滲流活動，確保壩體防洪效果。

引水工程乃是水庫發(fā)揮其蓄水調(diào)度、灌溉及排澇等重要作用的前提，采用聯(lián)動式引水泵站作為提水動力系統(tǒng)，設(shè)計枯水期最大可滿足提水量5.6萬m3/d，有效解決枯水季水資源短缺問題。

溢洪道乃是水庫工程泄流運營中重要一環(huán)，設(shè)計溢洪道堰頂高度為33.5m，設(shè)計最大泄流量為125m3/s，溢流面設(shè)計有弧形階梯式消能梯，中部斷面共有22級溢流階梯，有效減緩水力沖刷作用。溢洪道與下游擋土墻構(gòu)成了防沖消能設(shè)施，建設(shè)溢洪道堰底寬度為3.5m，可滿足不同水利環(huán)境下泄流運營，特別是減緩上游大流量對泄洪閘、輸水管道等沖刷作用。泄洪閘乃是蘇州河上游擬建水庫的重要水利控制樞紐，其運營穩(wěn)定性關(guān)乎著溢洪道泄流量是否能夠適配下游消能結(jié)構(gòu)，特別是泄洪閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對泄洪閘過閘流量的控制具有舉足輕重的作用。

根據(jù)前期對不同類型泄洪閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)研得知，泄洪閘門應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的抗動水壓力沖擊作用的支臂壓桿系統(tǒng)，增強閘門面板結(jié)構(gòu)抗拉特性，如圖1所示為典型壓桿支臂系統(tǒng)弧形鋼閘門，這也是本工程中泄洪閘主要應(yīng)用對象。另一方面，支臂壓桿系統(tǒng)的設(shè)置是否會影響過閘水流的水力特性、水沙演變，這也是水利工程師應(yīng)考慮的問題。

圖1 壓桿支臂系統(tǒng)弧形鋼閘門

2.2 研究方法——仿真設(shè)計

本文利用ABAQUS建立泄洪閘有限元模型[10]，如圖2所示，經(jīng)劃分網(wǎng)格后獲得網(wǎng)格單元共325 826個，節(jié)點數(shù)268 252個，該模型簡化了與泄洪閘結(jié)構(gòu)無關(guān)的水利設(shè)施，便于結(jié)構(gòu)計算分析。該模型設(shè)定閘底為固定邊界條件，頂部為無法向自由度邊界條件，兩側(cè)壁為光滑接觸條件，全模型設(shè)定有動、靜水壓力荷載及結(jié)構(gòu)自重。

圖2 泄洪閘整體模型

針對泄洪閘門結(jié)構(gòu)，本文設(shè)定有無支臂壓桿系統(tǒng)、雙壓桿支臂系統(tǒng)及四壓桿支臂系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)體型方案，圖3為其中雙壓桿支臂系統(tǒng)閘門整體模型概念圖，該模型共獲得微單元體達(dá)626 384個。三種結(jié)構(gòu)體型方案中閘門底緣均為后傾45°，面板厚度均設(shè)定為0.6m，直徑為2.6m，采用FLUENT進(jìn)行模型邊界與荷載設(shè)定，三種結(jié)構(gòu)體系方案的計算精度確保一致，此設(shè)計參數(shù)均與擬建工程的泄流量設(shè)計相匹配適應(yīng)，本文僅改變壓桿支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究支撐結(jié)構(gòu)體系對水沙效應(yīng)及靜力特征影響。由于模型中閘門主要為泄流功能，因而閘門開度也是影響水沙特征的關(guān)鍵，故本文設(shè)定閘門開度分別為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值的40%、60%、80%、100%，即開度值分別為0.4m、0.6m、0.8m、1m，三種閘門結(jié)構(gòu)體型方案下均設(shè)定上游流量為100m3/s、150m3/s，研究范圍設(shè)計泄洪閘過閘口上、下游分別2.5m區(qū)域內(nèi)。在研究不同開度或流量工況下，壓桿支臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對過閘水流的水力特征、含沙量變化影響，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，評價壓桿支臂體系對閘門結(jié)構(gòu)靜力特征影響。

圖3 壓桿支臂結(jié)構(gòu)閘門模型概化圖

3 閘門結(jié)構(gòu)與水力特性關(guān)系

3.1 水位特征

根據(jù)對不同開度下三種閘門結(jié)構(gòu)體型方案進(jìn)行水力特征計算，獲得不同開度下過閘水流中水位變化特征，如圖4所示。從圖中可知，不論是何種閘門結(jié)構(gòu)體型，全斷面上水位均在上、下游處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在過閘口處出現(xiàn)顯著陡降，此與閘門對過流限制作用有關(guān)。對比三種不同結(jié)構(gòu)體型閘門下水位降幅可知，在相同開度0.4m工況中，過閘口水位降幅最顯著屬四壓桿支臂系統(tǒng)閘門結(jié)構(gòu)，該體型方案下降幅最大可達(dá)86.1%，而無壓桿支臂系統(tǒng)水位降幅最低，僅為21.2%；相比之下，上游穩(wěn)定階段中水位最高為四壓桿支臂閘門，其在開度0.4m工況中上游水位平均值為4.36m，而無壓桿與雙壓桿支臂閘門結(jié)構(gòu)體型下上游水位平均值較之分別減少了6.7%、44.5%；由此可知，四壓桿支臂閘門對水流控制效果最佳，而無壓桿結(jié)構(gòu)體型閘門對水流控制效果不理想，不利于泄洪閘安全有效泄流運行。當(dāng)開度增大至0.8m后，三種閘門結(jié)構(gòu)體型間水位對比差異依然如此，但開度增大后，泄洪閘上、下游水位均有增長，雙壓桿支臂閘門在開度0.8m下水位平均值為7.46m，較之開度0.4m下增大了83.3%，且過閘口水位降幅也增大至78.6%。分析表明，開度增大，上游泄洪閘泄流口進(jìn)水面積增大，而下游口在水位保持較為低水力勢能下，此會導(dǎo)致導(dǎo)致過閘口水流降低更為顯著。從三種閘門結(jié)構(gòu)體型對水流控制效果來看，四壓桿支臂閘門對水流控制效果最佳，但不可忽視該體型閘門的過閘口上、下游穩(wěn)定段水位波幅較大，開度0.4m下四壓桿支臂系統(tǒng)在上游穩(wěn)定段中水位波幅最大可達(dá)4.5%，而開度0.8m工況中下游穩(wěn)定段中最大波幅可達(dá)5.5%；相比之下，雙壓桿支臂閘門對水位控制效果與四壓桿下相差無幾，開度0.4m、0.8m工況中下游穩(wěn)定段中平均水位分別為1.03m、1.61m，較之四壓桿支臂系統(tǒng)平均水位僅有0.35m、0.46m差幅，該結(jié)構(gòu)體系對水位穩(wěn)定性控制更理想，有助于削弱水力沖刷影響[11]。

圖4 各斷面上水位變化特征

3.2 面板壓強特征

面板乃是直接承受水力勢能作用，研究面板壓強特征有助于分析不同閘門結(jié)構(gòu)體型下水力特征影響，圖5為面板上所設(shè)定的8個測點，分別以閘門底板距離至面板上所在高程為控制點，進(jìn)而計算獲得面板各控制點壓強特征。

圖5 計算測點示意圖

圖6為兩個典型開度工況下三種支臂閘門結(jié)構(gòu)體型下面板壓強變化特征。從圖中可知，不論是開度0.4m亦或是開度0.8m，壓強最低均為雙壓桿支臂閘門，在開度0.4m工況中各測點壓強分布為0.23—12kPa，平均壓強為4.55kPa，而無壓桿、四壓桿支臂閘門在該開度下壓強分布較前者分別增大了0.96—10.1倍、0.64—3.41倍，平均壓強分別增長了2.14倍、1.22倍。當(dāng)開度增大后，三種結(jié)構(gòu)體型方案下的壓強水平均降低，四壓桿支臂閘門在開度0.8m下平均壓強為8.92kPa，較開度0.4m下降低了37.6%，而無壓桿支臂閘門面板壓強分布較開度0.4m下減少了45.3%；雙壓桿式支臂閘門面板壓強甚至在第6個測點達(dá)到“零”壓強效應(yīng)；開度增大的同時，三種閘門結(jié)構(gòu)體型方案下的面板壓強差異性減小。分析認(rèn)為，開度增大后，水力勢能快速轉(zhuǎn)換成動能，面板上壓強降低[12]，而雙壓桿支臂結(jié)構(gòu)下對壓強控制效果更佳，水力勢能轉(zhuǎn)換更充分，進(jìn)而出現(xiàn)“零壓強”效果。

圖6 閘門上壓強變化特征

4 運營年限內(nèi)含沙量特征

泄流口含沙量變化特征反映了閘門結(jié)構(gòu)體型對水沙演變影響，圖7為三種壓桿支臂結(jié)構(gòu)體型下過閘口上、下游斷面上含沙量變化特征。

圖7 泄流口過閘斷面上含沙量特征

從圖7可以觀察到，泄洪閘運營年限愈長，則過閘口斷面上含沙量愈高。以無壓桿支臂閘門為例，其在運營年限100d時全斷面上含沙量平均值為0.96kg/m3，而運營年限300d、500d時斷面平均含沙量較之分別增長了51%、131.3%，從整體運營年限增幅可知，運營年限每累積100d，則斷面含沙量平均增長23.3%。與此同時，雙壓桿支臂閘門、四壓桿支臂閘門隨運營年限增長，其斷面含沙量平均增幅分別為16.7%、19.2%，表明閘門結(jié)構(gòu)增設(shè)壓桿支臂系統(tǒng)后，過閘口水流中含沙量有所增長，特別是四壓桿支臂系統(tǒng)，在相同運營200d年限中，其斷面含沙量分布為1.59—3.97kg/m3，較之無壓桿、雙壓桿支臂系統(tǒng)分別增長了0.87—1.28倍、0.70—2.13倍。從泄洪閘門的運營活動可知，當(dāng)泄流口閘門下游增設(shè)壓桿支臂系統(tǒng)后，可限制水流的流向及滲流活動，但對泥沙的懸浮沉降、沖淤排沙效應(yīng)均有負(fù)面影響[13，14]，如果將壓桿支臂系統(tǒng)的負(fù)面效應(yīng)控制合理，乃是對閘門的沖淤排沙、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均是正向作用。

從三種閘門結(jié)構(gòu)體型對比可知，雙壓桿支臂閘門含沙量相比無壓桿式增長減小，且在各運營年限內(nèi)斷面上含沙量無顯著突變，變幅穩(wěn)定。運營年限300d下，無壓桿式閘門泄流口含沙量在斷面距離0—100cm區(qū)段內(nèi)含沙量處于緩增態(tài)勢，平均每20cm含沙量增長8.5%，而斷面距離100—200cm區(qū)段內(nèi)含沙量隨斷面距離的平均增幅為15.6%。四壓桿支臂閘門在該運營年限內(nèi)同樣在斷面距離100cm前、后分別具有含沙量的不同增幅，但雙壓桿支臂閘門全斷面上無顯著變化節(jié)點，運營年限300d內(nèi)含沙量隨斷面距離20cm平均增長5.3%。綜合討論認(rèn)為，雙壓桿支臂閘門在水沙演變活動中，對含沙量影響適中，在泄流控制與水沙活動中乃是最適宜體型方案。

5 結(jié)論

（1）泄流口斷面水位呈“上、下游穩(wěn)定，過閘口陡降”的態(tài)勢，四壓桿支臂結(jié)構(gòu)過閘口水位降幅最顯著，開度增大，泄流口水位增長，開度0.8m與0.4m間雙壓桿支臂體型閘門水位增大了83.3%；四壓桿支臂結(jié)構(gòu)體型在上、下游穩(wěn)定段中水位波幅最大，雙壓桿支臂結(jié)構(gòu)體型對水位控制穩(wěn)定性較佳。

（2）面板壓強最低為雙壓桿支臂體型閘門，開度0.4m工況下無壓桿、四壓桿支臂閘門的平均壓強較前者分別增長了2.14倍、1.22倍；開度增大，面板壓強降低，雙壓桿支臂體型閘門具有“零”壓強效應(yīng)。

（3）運營年限愈長，則斷面含沙量愈高，運營年限每累積100d，無壓桿、雙壓桿、四壓桿支臂閘門斷面含沙量平均增長23.3%、16.7%、19.2%，四壓桿支臂閘門含沙量水平及增長效應(yīng)均為最大；無壓桿、四壓桿式支臂閘門斷面含沙量均在軸線斷面上具有增幅變化節(jié)點，而雙壓桿支臂閘門增幅穩(wěn)定，隨斷面距離20cm平均增長5.3%。