齒型構件混合堤翻壩水流力影響因素數(shù)值分析

貝建忠，牟 毅

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

齒型構件混合堤是長江南京以下深水航道一期工程太倉—南通段采用的一種新型構件混合堤，工程位置水流漲落潮流速1.3～1.4 m/s，漲、落潮流向角分別約300°、139°。該新型構件混合堤具有導流、減流、抗浪、擋沙固灘及便于施工等優(yōu)點[1-2]，但其應用和研究均處于初期階段，其結構形式、受力機理與常規(guī)的導流堤、止水堰壩或者繞流單體結構物有所不同，關于齒型構件混合堤翻壩水流力的計算，目前沒有相關的理論或經(jīng)驗公式，有待進一步研究。

本文借助CFX流體計算軟件，對齒型構件混合堤翻壩水流流場進行數(shù)值模擬，并控制單一變量，分析入射流速、入射角度、堤高及水深等因素對翻壩水流力的影響，深入分析齒型構件混合堤在水流作用下的受力機理。

1 基本理論

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[3]普遍采用的水流力的理論計算公式：

(1)

Cw=C′mn

(2)

式中：Fw為水流力標準值(kN)；Cw為水流阻力系數(shù)；A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積(m2)；C′、m、n分別為斷面形狀、水流流向、淹沒深度影響系數(shù)；v為水流設計流速(m/s)；ρw為水密度(t/m3)。

該理論公式為常規(guī)的水流力計算公式，主要適用于計算繞流阻力，而不適用于翻壩水流力的計算。但通過分析常規(guī)水流力計算公式中各參數(shù)，可以初步確定翻壩水流力的影響因素，即斷面形式、入射流速、入射角度以及淹沒深度。又結合該齒型構件混合堤的自身特點(混凝土齒型構件混合潛堤)，可發(fā)現(xiàn)，當齒型構件尺寸一定時，齒型構件的淹沒深度由水深條件及構件下方鋪設的基床厚度決定，故定義一個新的影響因子：相對堤高p/h(其中p為堤身高度，為齒型構件高度p0和構件下方鋪設的基床厚度p1之和，h為水深)，分析其對翻壩水流力的影響。

2 翻壩水流數(shù)值分析

2.1 模型建立

使用CFX軟件建立數(shù)值水槽，對齒型構件混合堤翻壩水流力進行三維數(shù)值模擬。齒型構件混合堤的三維數(shù)值模型、模型尺寸、齒型構件的平面圖和立面圖分別如圖1～3所示。

圖1 三維數(shù)值模型

圖2 模型尺寸(單位：m)

圖3 齒型構件(單位：mm)

2.2 邊界條件

1)設置流體入口、出口及頂部空氣出口為Opening邊界；2)垂直于堤身軸線方向的流體兩側邊界設置為Symmetry邊界；3)模型底部邊界設置為Wall邊界[4-5]。模型邊界條件設置如圖4所示。

圖4 邊界條件

2.3 翻壩水流流場及壓力場

典型的翻壩水流流場及壓力場分布如圖5所示。

圖5 翻壩水流流場及壓力場分布

3 翻壩水流力影響因子分析

3.1 入射流速

分別針對不同的入射流速0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m/s，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構件上的水流力，分析不同入射流速對翻壩水流力的影響。

通過流體體積(volume of fluid，VOF)方法，追蹤自由液面的變化過程，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)[6]，不同入射流速情況下，翻壩水流自由液面變化如圖6所示，堤身前后自由液面差與入射流速關系曲線如圖7所示，作用在齒型構件上的翻壩水流力與入射流速的關系如圖8所示。

圖6 不同入射流速翻壩水流自由液面

圖7 堤身前后自由液面差與入射流速關系曲線

圖8 翻壩水流力與入射流速關系曲線

分析翻壩水流自由液面與入射流速的關系曲線，以及翻壩水流力與入射流速的關系曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1)入射流速較小時，堤前沒有明顯壅水；隨著入射流速越來越大，堤前壅水越高，堤后水跌越大，即堤身前后自由液面差越大，導致作用在齒型構件上的靜水壓力差也越大。而且當入射流速較小時，堤身前后自由液面差與入射流速近似成平方關系；當入射流速超過某一限值(本模型尺度條件下為2 m/s)后，堤身前后自由液面差與入射流速近似成正比關系。

2)入射流速越大，作用在齒型構件上的翻壩水流力越大。入射流速較小時，翻壩水流力與入射流速近似成平方關系；當入射流速超過某一限值(本模型尺度條件下為2 m/s)后，翻壩水流力與入射流速近似成正比關系。

進一步分析可發(fā)現(xiàn)，翻壩水流力由兩部分組成：一部分是水流的動水壓力；另一部分是由于堤身前后自由液面差引起的靜水壓力。當入射流速比較小時，堤身前后液面差較小，翻壩水流力主要是動水壓力，此時，翻壩水流力和入射流速的關系與常規(guī)的水流力計算公式(1)類似，即水流力與入射流速成平方關系；隨著入射流速逐漸增大，堤身前后的自由液面差逐漸增大，導致靜水壓力差也逐漸增大，此時翻壩水流力主要由動水壓力和堤身前后靜水壓力差組成，翻壩水流力與入射流速近似成正比關系。

3.2 入射角度

分別針對不同的入射角度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構件上的水流力，分析不同入射角度對翻壩水流力的影響。不同入射角度情況下，作用在齒型構件上的翻壩水流力與入射角度的關系如圖9所示。

圖9 翻壩水流力與入射角度關系曲線

分析翻壩水流力與入射角度的關系可發(fā)現(xiàn)，翻壩水流力隨水流入射角度的增大而增大。主要因為入射角度越大，水流在垂直于堤身軸線方向的速度分量越大，由3.1節(jié)分析不難發(fā)現(xiàn)，較大的速度分量最終導致了作用在齒型構件上的動水壓力和堤身前后靜水壓力差也越來越大。

規(guī)定α為水流入射方向與堤身軸線的夾角，若假定α=90°時，入射角度影響系數(shù)為1.0。則各入射角度對應的影響系數(shù)見表1。

表1 角度影響系數(shù)

3.3 相對堤高

影響相對堤高的因素有2個：水深h和堤身高度p(=p0+p1)，采取控制單一變量法，分別針對不同的水深h和基床厚度p1進行數(shù)值模擬，分析不同相對堤高對翻壩水流力的影響。

3.3.1不同水深分析

分別針對不同的水深6.3、8、9、10、11、12、13、14 m(對應的相對堤高分別為1.000、0.788、0.700、0.630、0.573、0.525、0.485、0.450)，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構件上的水流力，分析水深對翻壩水流力的影響。不同水深情況下，翻壩水流力與相對堤高的關系見圖10。

圖10 翻壩水流力與相對堤高(不同水深)關系曲線

3.3.2不同堤高分析

為了方便對比，不改變齒型構件的尺寸(即p0為定值)，僅通過改變齒型構件下方基床厚度p1調(diào)整堤高，分別針對基床厚度0、0.7、1.4、2.1、2.8、3.5、5.5 m(對應的相對堤高分別為0.389、0.467、0.544、0.622、0.700、0.778、1.000)，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構件上的水流力，分析堤高對翻壩水流力的影響。不同基床厚度情況下，翻壩水流力與相對堤高的關系如圖11所示。

圖11 翻壩水流力與相對堤高(不同基床厚度)關系曲線

綜合分析圖10、11可發(fā)現(xiàn)，無論是改變水深還是改變堤高，作用在齒型構件上的翻壩水流力隨相對堤高的變化趨勢類似，都是隨相對堤高的增大而增大；關系曲線的斜率均是先增大后減小，相對堤高p/h在0.700附近時，曲線斜率最大，即相對堤高在該位置附近變化時，其對作用在齒型構件上的翻壩水流力影響最大。主要因為相對堤高越大，有效過流斷面積越小，堤頂流速越大，作用在堤身上的動水壓力越大；與此同時，相對堤高越大，堤身壅水效果越明顯，堤身前后自由液面差越大，導致堤身兩側的靜水壓差也越大。

將兩條關系曲線繪制于同一坐標系，見圖12。可發(fā)現(xiàn)，兩條關系曲線的變化趨勢基本相同，但不完全重合。p/h<0.70時，兩條曲線基本重合，即表明在本模型尺度下，相對堤高小于0.70時，改變水深或基床厚度，對作用在齒型構件上的翻壩水流力的影響效果相當；當相對堤高p/h>0.70時，基床厚度的變化對翻壩水流力的影響更大，這主要是因為較厚的拋石基床對水流有明顯的挑流作用，導致作用于齒型構件上的流速較大，翻壩水流力也更大。

圖12 翻壩水流力與相對堤高關系曲線

4 結語

1)翻壩水流力既包含水流的動水壓力，也包含堤身前后自由液面差引起的靜水壓力差。

2)隨著水流入射流速的增大，作用在齒型構件上的翻壩水流力越大，當流速較小時，翻壩水流力與入射流速近似成平方關系，當流速超過某一限值(本模型尺度條件下約為2 m/s)，翻壩水流力與入射流速近似成正比關系。

3)隨著水流入射角度的增大，垂直于堤身軸線方向的速度分量越大，從而導致作用在齒型構件上的翻壩水流力越大。

4)隨著相對堤高的增大，作用在齒型構件上的翻壩水流力越大，且相對堤高對翻壩水流力的影響有個敏感值(本文模型尺度條件下，相對堤高的敏感值約為0.7)，相對堤高在該值附近變化時，對翻壩水流力的影響最大，當相對堤高超過該敏感值后，齒型構件下方的拋石基床對水流有明顯的挑流作用，導致作用于堤身上的流速較大，翻壩水流力也更大。