河口擋潮閘對(duì)河流水動(dòng)力環(huán)境的影響研究

徐 麗，梁春光，張 揚(yáng)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

擋潮閘，在擋潮御鹵、防洪除澇、蓄淡灌溉、防臺(tái)風(fēng)抗暴雨等方面發(fā)揮著重要作用，有效地保護(hù)了河口地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[1]。它在為河口地區(qū)防潮蓄淡方面做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也相應(yīng)地帶來(lái)了一些負(fù)面影響[2]。因?yàn)閾醭遍l的建立改變了河口區(qū)的潮波、潮流，引起閘下淤積，導(dǎo)致?lián)醭遍l不能正常發(fā)揮作用，不利于上游河道的排洪除澇[3]。

下文以山東省青島市海泊河入海口為研究區(qū)域，運(yùn)用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)入海?？趽醭遍l建立后的水動(dòng)力環(huán)境及擋潮閘的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析。研究在不同潮位、不同流速作用下，擋潮閘閘墩壓力值的變化情況，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析不同閘門(mén)型式下壓力分布情況，為工程設(shè)計(jì)提供更加豐富的參考依據(jù)。

1 物理模型

1.1 模型試驗(yàn)布置

本次斷面模型試驗(yàn)在30.0m×0.6m×1.0m(長(zhǎng)×寬×高)的水槽中進(jìn)行，水槽兩側(cè)為透明的鋼化玻璃板，便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。水槽的一端是推板式造波機(jī)，另一端裝有消波網(wǎng)，以便于減少反射。按照試驗(yàn)比尺要求，制作擋潮閘，放入試驗(yàn)水槽中，在水槽底部，均勻鋪上模型沙。

試驗(yàn)裝置布置圖，見(jiàn)圖1。在擋潮閘前，布置2個(gè)波高儀，測(cè)量擋潮閘建立后對(duì)波高的影響；在閘后，布置Vectrino點(diǎn)式流速儀，測(cè)量擋潮閘建立前后河道內(nèi)流速的變化；在橋墩上，布置點(diǎn)式壓力傳感器，測(cè)量橋墩的壓力值。

圖1 試驗(yàn)裝置配置圖

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案與組次，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案與組次

1.3 模型驗(yàn)證

試驗(yàn)前，對(duì)模型水面曲線進(jìn)行驗(yàn)證，用以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠駶M足重力和阻力相似要求。作為水面曲線驗(yàn)證的依據(jù)，本文采用50年一遇的洪水流量及其相應(yīng)的水位和百年一遇潮位計(jì)算資料。釋放50年一遇的洪水流量，控制河口水位分別為1.92m(50年一遇潮位)和3.09m(百年一遇潮位)，觀測(cè)未修筑擋潮閘狀態(tài)下的沿河兩岸水位，繪成水面曲線圖并與資料中水位進(jìn)行對(duì)比。在海泊河口門(mén)處(尾閭段)及1+400m處，水位基本接近，表明模型滿足糙率相似要求，即阻力相似。除此以外，本模型也滿足限制性條件要求。模型中Re=6476，滿足規(guī)范大于1000的要求，即模型水流為充分紊動(dòng)的水流。

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

式中，u，v，w分別為速度在x，y，z方向的分量；Ax，Ay，Az分別為流體在x，y，z方向的面積分?jǐn)?shù)；VF—流體的體積分?jǐn)?shù)；p—壓強(qiáng)；ρ—非黏性流體的密度；Gx，Gy，Gz分別為重力加速度在x，y，z方向的分量；fx，fy，fz分別為流體粘滯力加速度在x，y，z方向的分量。

2.2 控制方程的求解和自由液面的確定

本次數(shù)值計(jì)算，采用有限差分法(FDM)對(duì)離散方程進(jìn)行求解，將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替求解域，用差商代替控制方程的導(dǎo)數(shù)，最后得到含有離散點(diǎn)的有限個(gè)未知數(shù)的差分方程組。通過(guò)求解差分方程組，得到微分方程定解問(wèn)題的近似解。

本文采用VOF方法確定自由液面。此方法，基于流體體積的百分比，與MAC法體積追蹤的特點(diǎn)類似，但是比MAC法計(jì)算所需的內(nèi)存小。在VOF中的每個(gè)控制體積都要包含流體的屬性[4-5]，如壓力、速度、溫度等，而且在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)，增加流體體積函數(shù)C，因此，能夠更加精確地處理自由液面問(wèn)題。

當(dāng)流體體積函數(shù)C=1時(shí)，表示該網(wǎng)格單元內(nèi)充滿了流體；當(dāng)C=0時(shí)，表示該網(wǎng)格單元為“空”；當(dāng)0

2.3 邊界條件

結(jié)合研究的具體工況，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定。針對(duì)波浪作用下?lián)醭遍l結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究，設(shè)置x軸方向近海側(cè)邊界為波浪邊界。本文采用五階斯托克斯波進(jìn)行波浪模擬，在邊界條件設(shè)置界面，根據(jù)試驗(yàn)工況，輸入相應(yīng)的有效波高、水深及波浪周期。

基于波浪的反射與疊加問(wèn)題，在物理模型試驗(yàn)時(shí)，通常會(huì)在水槽的末端加入消波網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，以達(dá)到消波的效果，而在數(shù)值模擬中，需要設(shè)置消波條件，才能減少波浪的反射。常用的數(shù)值消波方法：Sommerfeld輻射邊界條件、周期邊界條件、海綿阻尼消波等。本文通過(guò)在波浪邊界條件的另一側(cè)設(shè)置孔隙結(jié)構(gòu)，以達(dá)到消波的效果。因?yàn)樗髁魅肟紫督Y(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生紊動(dòng)從而加快能量的耗散，從而降低波浪的反射。

在y軸兩端，設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，在此邊界上，沒(méi)有流體穿過(guò)且無(wú)剪應(yīng)力計(jì)算，簡(jiǎn)化了模型，減少了計(jì)算時(shí)間。數(shù)值水槽的底面，設(shè)置為壁邊界，在此邊界條件下，無(wú)流體通過(guò)且無(wú)剪切應(yīng)力。因?yàn)椋谧杂杀砻嫣幍膲毫π铦M足動(dòng)力學(xué)邊界條件，所以在模型的頂面，設(shè)置為壓力邊界條件。

2.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，對(duì)比物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。選取3種水位：極端高水位3.09m、設(shè)計(jì)高水位1.92、1.00m，以水位對(duì)應(yīng)的極限波高作為波浪的入射邊界條件。在模型上，設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量波浪壓力值。其中，測(cè)點(diǎn)1、2位于導(dǎo)流墩上；3位于斜坡上；4、5位于消力池底板處；6位于尾坎處。

本文所測(cè)壓力值數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，都是選取有效造波時(shí)間段(約10～13個(gè)波周期)內(nèi)的峰值或者谷值的平均值進(jìn)行分析。不同潮位下，閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，各測(cè)點(diǎn)壓力值如表2所示。由表2可知：①數(shù)值模擬中各測(cè)點(diǎn)的波壓力，隨測(cè)量高度的變化，趨勢(shì)與物理模型試驗(yàn)基本一致。②由于測(cè)點(diǎn)1在水面自由表面之上，在進(jìn)行物理模型試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，存在一定的誤差，導(dǎo)致物理模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相差較大。③消力池內(nèi)波壓力變化較為平緩，因?yàn)橄Τ貎?nèi)高程一致，但水流速度相差不大，所以波壓力變化較小。④測(cè)點(diǎn)6，位于消力坎前端，在波浪的作用下，此處水流會(huì)產(chǎn)生回流。因此，波壓力在測(cè)點(diǎn)6與4、5略有差異，在水位1.00m時(shí)，這種突變最明顯。⑤在潮位1.92、1.0m閘門(mén)關(guān)閉的情況下，位于過(guò)流處斜坡上的壓力值較大。⑥當(dāng)潮位為1.0m時(shí)，點(diǎn)測(cè)1得的波壓力為0，說(shuō)明此時(shí)沒(méi)有波浪爬高到測(cè)點(diǎn)1，并非測(cè)量?jī)x器的問(wèn)題。

表2 閘后潮位不同時(shí)各測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比表

3 結(jié)果分析

3.1 單純流作用下的壓力分布

在只有流作用下?lián)醭遍l的壓力模擬中，當(dāng)閘前水位為3.115m，閘后水位為3.090m時(shí)，閘墩及消力池內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓力分布，見(jiàn)表3。由表3可知：①當(dāng)閘前水位3.115m，閘后潮位3.090m時(shí)，由于閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生下泄水流，造成消力池內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。②由于在消力坎前發(fā)生水躍產(chǎn)生底流，所以在消力坎前的測(cè)點(diǎn)5，壓力值較大。③隨流速的增大，各測(cè)點(diǎn)的壓力值也相應(yīng)地有所增加。

表3 不同流速各測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比表

當(dāng)閘前水位2.07m閘后潮位1.92m時(shí)，在不同流速情況下，閘墩及消力池內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的壓力分布，見(jiàn)表4。由表4可知：此時(shí)的壓力值變化趨勢(shì)，與閘前水位3.115m時(shí)壓力趨勢(shì)相同；在消力池的中間段，壓力值較大。測(cè)點(diǎn)6距離消力坎較近，所以壓力值相對(duì)較小。當(dāng)水流流速較大時(shí)，消力池內(nèi)壓力值也相應(yīng)的增大，且位于閘墩上的測(cè)點(diǎn)1、2號(hào)壓力值也較大。

當(dāng)閘前水位2.0m閘后潮位1.0m時(shí)，不同流速工況下各測(cè)點(diǎn)壓力值如表5所示。由表5可知：①壓力值在此時(shí)的各測(cè)點(diǎn)，比表2和表3有明顯增大。因?yàn)楫?dāng)閘門(mén)前后水位相差較大時(shí)，在消力池陡坡段，水位突然下降，流速加快，下泄水流將勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，從而導(dǎo)致消力池內(nèi)壓力值較大。②測(cè)點(diǎn)3，由于位于閘室過(guò)流處，水位差最大，水流較為劇烈且流速較大，因此，此點(diǎn)壓力值最大。

表5 不同流速各測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比表

3.2 波流共同作用下的壓力分布

表6中，工況1，為閘前水位3.115m閘后潮位3.090m時(shí)，在不同流速作用下各測(cè)點(diǎn)的壓力情況。當(dāng)流速較小時(shí)，消力池及閘墩處的壓力，主要來(lái)自波壓力，壓力值為正值且數(shù)值較大。工況2，為閘前水位2.07m閘后潮位1.92m時(shí)，在不同流速作用下各測(cè)點(diǎn)壓力分布情況。工況3，為閘前水位2.0m閘后潮位1.0m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)壓力分布情況。由表6可知：①在水流和波浪共同作用下，由于下泄水流產(chǎn)生的能量與波浪能相互抵消，使得消力池內(nèi)的壓力值，相較只有波浪作用時(shí)有所減小，且隨著流速的增加，壓力值隨之變??；②由于比尺效應(yīng)及測(cè)量?jī)x器使用過(guò)程中產(chǎn)生的磨損，致使物理模型試驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬計(jì)算得到的數(shù)據(jù)有差距；③當(dāng)潮位為1.0m時(shí)，在消力池中間段，隨流速的增大，壓力值逐漸增大，可見(jiàn)，在此時(shí)的壓力主要因水流流速引起。

表6 不同流速各測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比表

3.3 不同型式的閘門(mén)所受壓力分析

針對(duì)平面、弧形及翻板等3種閘門(mén)型式，本文通過(guò)建立數(shù)值模型的方法，分別計(jì)算其在波浪作用下閘墩及消力池內(nèi)壓力分布。弧形閘門(mén)，見(jiàn)圖2，翻板閘門(mén)，見(jiàn)圖3。

圖2 弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 翻板閘門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 水位-降雨耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

由表7可知，平面閘門(mén)、弧形閘門(mén)和翻板閘門(mén)在同一種潮位工況下，弧形閘門(mén)時(shí)，閘墩及消力池的壓力值，整體較小且較為穩(wěn)定；平面閘門(mén)時(shí)，壓力值相對(duì)較大，但3種閘門(mén)型式情況下，閘墩及消力池所承受壓力相差不大。我國(guó)已建的大型擋潮閘，多為傳統(tǒng)的垂直升降門(mén)。若工程要求建筑物所承受的壓力相對(duì)較大，可選擇弧形閘門(mén)，但弧形閘門(mén)所占空間較大，而平面閘門(mén)型式較為簡(jiǎn)單，方便施工。因此，在具體工程應(yīng)用中，要結(jié)合實(shí)際，合理選擇相應(yīng)的閘門(mén)型式[7]。

表7 不同閘后潮位各閘門(mén)型式壓力對(duì)比表

4 結(jié)論

(1)在只有波浪作用下，位于閘室過(guò)流處所承受的壓力值最大；在只有流作用時(shí)，由于閘門(mén)開(kāi)啟產(chǎn)生下泄水流，所以在消力池內(nèi)易產(chǎn)生負(fù)壓，且閘前后水位差越大產(chǎn)生的負(fù)壓值更大；在波流共同作用下，下泄水流產(chǎn)生的負(fù)壓與波浪產(chǎn)生的波壓力在閘墩處相互抵消，因此閘墩以及消力池內(nèi)壓力值相比只有流作用時(shí)相對(duì)較小，但在消力池中部的壓力值相對(duì)較大。

(2)平面、弧形及翻板3種型式閘門(mén)，在波浪作用下，閘墩及消力池內(nèi)壓力分布相差不大，但弧形閘門(mén)的閘墩及消力池的壓力值整體較為穩(wěn)定。