浮體閘定位施工中的水力特性研究

(1.徐州市銅山區水利機械化施工處，江蘇 徐州 221000；2.徐州市銅山區水利工程處，江蘇 徐州 221000)

隨著中國社會經濟的發展和人們對美好城市環境的渴望，水利工程所發揮的作用越來越明顯。在水利工程中，兼具景觀和生態功能的新型水閘建設，越來越受到青睞。水閘建設不僅能夠實現蓄水、泄洪、通航等基本功能，還能夠起到改善平原地區河道環境，保護城市生態多樣化的作用。傳統水閘在功能性和安全性方面都存在明顯不足，只能夠在靜水或水流流速很小的河道中使用，而浮體閘突破了傳統水閘的各種缺點，可以在動水環境中開啟和關閉。浮體閘是在傳統水閘基礎上變革而來，有效解決了河道中船舶通航、防洪泄洪及生態環境美化之間的矛盾。動水環境下，浮體閘的工作模式較為復雜，因此本文在分析浮體閘工作原理的基礎上，基于動網格技術建立了三維水流數學模型，并對浮體閘定位施工中的水力特性進行了數值模擬與分析，并結合水工模型試驗結果驗證了數學模型的合理性和可靠性。

1 浮體閘定位工作原理

浮體閘是一種新型的水利工程控制工具，不僅能夠在靜水中使用，在流速較大的動水中依然能夠發揮出重要的作用，特別是在通航運行頻率較高的城市地區，具有較高的應用價值，解決了通航與防洪之間的矛盾。浮體閘的運動網絡區域變化較大、彈性強，浮體閘的定位設計主要基于吃水深度、流速阻力等各種水力特性參數，對阻力的影響因素進行了簡化處理，阻力值會隨著浮體閘轉動速度的增加而增大。浮體閘開閘時對水閘附近河道流速的影響，比浮體閘關閘時的影響更加明顯。由于浮體閘的壓強分布在河水的上游側更強，因此浮體閘的定位過程相對于傳統的水閘要更加穩定，通常浮體閘靠近轉軸端即靠近門庫端的水壓強比浮體閘另一端要大得多。

與傳統的浮箱式閘門相比，浮體閘在上部設計了臥式平板倒門和下部連接浮箱，在結構設計上突破了靜水設計的限制，能夠在動水環境下實現自主升降。新式浮體閘還可利用浮箱臥倒門的結構調節水位、控制河水流量。浮體閘在日常使用中不設置開啟階梯，可利用水流量的大小調節上游水位，從而有效地解決了防洪與航運之間的矛盾。傳統浮箱式閘門多為低水頭閘門，在靜水環境中的穩定性尚可，而在動水環境中浮箱式閘門受到水流特征影響較為嚴重，水閘的基本功能都難以實現。而浮體閘的下部為浮箱結構，浮箱上部安裝了下臥式平板臥倒門，這種結構在動水環境下也可以使用。由于并沒有設計階梯結構，因此浮體閘不僅具有傳統閘門的基礎性功能，還保持了河道原有的自然特征，兼具了生態功能，浮體閘工作的基本原理見圖1。

圖1 浮體閘定位施工基本原理

如圖1所示，浮體閘的一端為定位環設計，與岸墻連接，這是浮體閘的定位中樞，以定位環為軸浮體閘可以隨水流強度的大小而控制閘體開合角度。浮體閘的另一端設計為可脫卸式的動力艙。非汛期上游的水流不大，浮體閘處于非阻水狀態，河流中的船舶能夠實現全河道通航。而汛期上游河流的水流量較大，此時需要關閉浮體閘控制水流量，基于浮體閘的動力艙將閘體牽引至原位置，并向浮箱內充水，浮體閘下沉至標準水位。這時可以利用浮體閘浮箱控制裝置開啟臥倒門調節上游水位的高度，在不影響船舶通航的條件下實現水位的調節。汛期過后浮體閘內水箱的水排出，再使用動力層將水閘牽引至原水位。由此可見，浮體閘在控制上游水位方面具有很大的靈活性，在不影響船舶通航的條件下提高了下游防洪標準。

2 浮體閘定位施工水力特性數學模型的建立

浮體閘的定位施工過程主要包括關閘過程和開閘過程，關閘過程中將閘體由庫門的位置牽引到河流的位置，開閘過程是關閘的逆過程。浮體閘位于閘位時的角度為0°，位于河道時的角度為90°，閘體以定位中樞為中心在0°～90°之間旋轉。浮體閘定位施工過程中，需要對浮體閘的穩定性、懸浮性和對底板的撞擊力度進行觀測與控制。浮體閘的穩定性，與閘體的重心高度、質量、水流剪切力和壓力相關，浮體閘定位施工水力特性數學模型，見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中ζ——撞擊力，N；

ξ——彈性模量，Pa；

D——浮體閘的尺寸，m；

v——附體閘的撞擊速度，m/s；

ρ——閘體的密度，kg/m3；

α——撞擊角度，(°)；

Ca——柯西數。

浮體閘旋轉和沉浮過程中需要對閘體的旋轉與沉浮的速度進行控制，通過對浮箱的進水量與排水量的控制來調整閘體旋轉角度及高度。浮箱充水供水箱配有溢流裝置和流量計，能夠精準地控制供水水位；排水裝置由真空泵、真空度表和閥門等部分構成。考慮到河水的流動模型為不可壓縮三維黏性流動，因此根據雷諾時均方程設計了浮體閘定位施工數學模型，連續性方程和動力方程組，見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中vi——河水流動速度，m/s；

vj——浮體閘移動的速度，m/s；

?—求偏導數符號。

湍流模型是浮體閘定位施工計算的重要方法之一，本文使用的水力特性分析模型為渦黏性模式，一般條件下將渦黏性模式劃分為零方程模式和一方程模式。其中零方程模式能夠準確地判斷出壓強分布的趨勢，而且模型靈活易用。而一方程模式的使用受到的限制較多，應用范圍也不是十分廣泛。考慮到零方程模型的廣泛運用，計算模型不存在強旋流、浮力流動、非等溫以及混合對流流動等問題，采用標準的零方程模型和動能k的輸運方程，見式(5)：

(5)

關于耗散率ε的輸運方程見式(6)：

(6)

式(5)、式(6)中的vi和Gk分別表示為：

(7)

(8)

σk、σε為系統模型誤差項，c1、c2和cμ分別為系統模型的可變常數。方程中各穩流常數值根據經驗數據，分別設置為σk=1.5、σε=1.3、c1=1.45、c2=1.92、cμ=0.05。浮體閘定位施工中數學模型的計算區域邊界，主要包括分界面、出口和入口等，在模型的兩岸和底部劃分為靜止區域和運動區域。在該邊界上，出口分界面上的流動情況對上游流動不會造成影響。本文設計的浮體閘模型，將出口河道與運動區域之間的距離設置為足夠長，有利于自由出流邊界條件的運用。

3 浮體閘定位施工中水力特性研究結果與分析

以位于徐州市的浮體閘定位施工工程為研究對象，來驗證文中提出的水力特性研究模型的有效性，并對相關的研究結果進行分析，浮體閘定位工程的相關指標參數見表1。

表1 浮體閘相關參數

浮體閘定位施工中水力特性研究參數設計，主要參照浮運法建設施工中的排水和充水量進行，其中閘體下沉時的排水量為2500L/h，動力艙的進水流量按4500L/h的標準進行控制。為使研究的結果更接近于實際情況，本文選擇了6種河水流量與流速的組合，見表2。

表2 水位流量組合

基于對浮體閘旋轉和升高的穩定性分析可知，在相同的旋轉速度和水流速度條件下，浮體閘定位施工的水力特性與浮體閘閘體的質量、重心高度及穩定性相關。因此提高閘體的重心、穩定性及增加浮體閘的質量，都能夠改善浮體閘定位施工的水力特性。試驗選擇了3種方案，并采用逐級增加壓艙的方式進行抗傾覆試驗觀測，相關的參數設定見表3。

表3 相關參數設定 單位：m

影響浮體閘旋轉阻力水力特性因素包括浮體閘的形狀、旋轉速度和其他相關的外界因素。浮體閘吃水面越大阻力就會越大，旋轉速度越快阻力也會逐漸地增大，此外河流的水深、溫度等因素也會對旋轉阻力產生一定影響，旋轉阻力計算方法見式(9)：

(9)

式中F——旋轉阻力，N；

λF——浮體閘旋轉擾流阻力系數；

ρ′——流體的密度，kg/m3；

A——旋轉閘體來自于流體方向的投影面積，m2。

分析不同吃水深度、水流速度和旋轉速度下浮體閘的水力特性，上述3個指標與轉動阻力矩之間的變化關系見表4。

表4 浮體閘轉動阻力矩計算值 單位：萬kN/m

表4中的數據顯示，隨著浮體閘轉動角度的增加，浮體閘轉動阻力矩，在相同的吃水深度、水流速度和轉速的條件下，呈現出下降的趨勢。在浮體閘啟動的初始條件下，阻力達到最大值后會隨著開合角度的增加而逐漸減小。浮體閘開閘時的轉動角度與水流速度的變化成反比，進而在轉動過程中緩慢下降。隨著閘體吃水深度的增加，受到的阻力也逐漸增加，轉動的阻力越大阻力值下降得越快。表4中的數據也顯示，閘體的吃水深度越大阻力增長得越快，而且呈現出一種非線性的變化趨勢。

造成這種變化的原因主要是閘體吃水深度的增加突破了河道邊界深度的限制。不同水流速度條件下的數值變化較為接近，當閘體逐漸打開時，隨著河水流速的增加浮體閘的轉動阻力逐漸增大；而浮體閘關閉時，水流速度的變化對閘體啟動的阻力不會產生過大的影響。因此可以總結出，開閘水流的速度將決定啟動力的大小，而關閘時水流的速度反而會帶來反向的作用力；浮體閘轉動速度的增加同樣也會帶來更大的阻力，因此要適度控制閘體的轉速。水流速度與浮體閘水力特性相關性曲線見圖2。

圖2 水流速度與浮體閘水力特性相關性曲線

水流流速的變化與浮體閘定位施工中的水力特性變化密切相關，總體上呈現出同比例的變化。當水流流速超過1.8m/s時變化趨勢會逐漸減弱。這時浮體閘角度的增加，閘體局部區域受到的撓動值也在增大，也會影響到浮體閘的阻力矩。總體來說，流速分布受到浮體閘開合角度的影響較大，進而對浮體閘定位施工水力特性產生影響。

浮體閘在開啟和關閉的過程中，受到來自于上游的壓強更大，隨著浮體閘角度變化，來自于上下游的壓強差會發生改變，但無論是開啟過程還是關閉過程，由于上下游的壓差存在，可以將阻力值控制在合理的范圍之內，閘體定位的穩定性都不會受到較大的影響。文中相關的水力特性數據表明，浮體閘在定位穩定性和安全性方面都表現優異，能夠較好地平衡泄洪蓄水與通航之間的矛盾。

4 結 語

浮體閘在操縱控制方面方便快捷，具有良好的耐用性，定位施工的工期較短，而使用周期相對更長，因此發展前景光明。隨著各種新材料、新結構的應用，浮體閘能夠滿足更多的建筑施工要求，實現操作控制的自動化。