浮體閘動水沉浮過程水力特性

傅宗甫,殷曉錦,顧曉峰

(1.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;2.蘇州市太湖水利規(guī)劃設計院,江蘇蘇州 215128)

浮體閘動水沉浮過程水力特性

傅宗甫1,殷曉錦1,顧曉峰2

(1.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;2.蘇州市太湖水利規(guī)劃設計院,江蘇蘇州 215128)

為了解新型浮體閘在動水中沉浮過程的水力特性,基于水力學模型試驗,分析了水艙進(排)水量、浮體閘沉浮速度、抗傾覆特性及浮體閘對底板的撞擊力變化,提出了傾覆率的概念,推導了浮體閘靜水沉浮速度公式,并與動水沉浮實測值進行了比較與分析,研究了浮體閘傾覆率與壓艙的關系,得到了最大撞擊力與進水流量的關系。結(jié)果表明:試驗范圍內(nèi)浮體閘的沉浮速度受河道水位及流速的影響較小;增加壓艙可有效減小傾覆率,最大撞擊力與進水流量成冪函數(shù)關系;通過增加壓艙及減小進水流量的方式可以提高浮體閘的沉浮安全性。

浮體閘;沉浮;傾覆;抗傾覆;撞擊力;水力特性;水力學模型試驗

傳統(tǒng)形式的水閘由于采用截斷河流的圍堰施工、閘孔寬度小(一般小于12 m)、上部結(jié)構(gòu)龐大以及運行方式等原因,對通航、生態(tài)環(huán)境及景觀的影響日益加劇,在平原經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)尤為突出[1-3]。大跨度新型閘門可以在工廠制作預安裝和現(xiàn)場安裝,采用不斷航施工工藝,可以兼顧防洪、通航、生態(tài)環(huán)境保護和景觀等功能,在我國平原地區(qū)的河流防洪工程中已逐步得到推廣。目前大跨度新型閘門的主要形式有浮體閘(門)、平面雙開弧形閘門和臥倒式閘門3種。大跨度新型閘門的共同特點是結(jié)構(gòu)新穎、跨度大、運行方式獨特,在閘門控制運行時,以門頂或兩扇門之間的門縫過流代替了傳統(tǒng)閘門的門底出流[4-5]。但是,大跨度新型閘門水流條件復雜,許多新的水動力問題需要研究[6-7]。例如由于跨度大,閘門的受力呈數(shù)量級倍數(shù)增加;浮體閘需要突破規(guī)范規(guī)定只能在靜水或者流速很小水域中使用的限制,要求靠自身在動水中穩(wěn)定沉浮[8-9];還可能由于下沉速度過快而撞擊底板,定位轉(zhuǎn)動過程動力艙容量難以計算確定等。因此開展對大跨度新型閘門水動力特性的研究,解決閘門運行過程中的關鍵技術(shù)問題,確保閘門安全運行,對于新型閘門的推廣使用是非常必要的。此外,浮體閘施工中的下沉速度、穩(wěn)定性及撞擊力等也是這類閘門施工安裝中的重要參數(shù)。

浮體閘屬于浮體式結(jié)構(gòu),浮體式結(jié)構(gòu)的水動力特性研究目前主要集中在波浪對浮體的作用及阻力[10-11]、浮體的動力響應[12]、多浮體縫隙對波浪力的影響[13]和浮體的振動特性[14]等幾方面。浮體閘是在傳統(tǒng)浮箱式閘門的基礎上發(fā)展起來的,是一座可以浮動的旋轉(zhuǎn)啟閉式水閘,非汛期浮體閘浮于專門的門庫內(nèi),處于不礙航狀態(tài),可以全河道通航(圖1(a));汛期利用動力艙將浮體閘繞定位中樞牽引就位(圖1(b)),然后利用浮體閘自身的充排水設備充水下沉,利用其浮箱上部的臥倒門控制水流;汛期過后排水上浮,將浮體閘牽回門庫[15-16]。本文以實際防洪控制工程目前凈尺寸為亞洲最大的某新型大型浮體閘(長64 m、寬10 m、總高8.5 m,甲板至底部的浮箱高度4.2m,浮箱對稱分成4個水艙)為研究對象,通過水力學模型試驗,對浮體閘沉浮過程中的水力特性進行全面的分析和研究,為浮體閘的安全控制運行提供參考依據(jù)。

圖1 浮體閘工作原理示意圖

1 模型試驗

1.1 模型設計

浮體閘沉浮過程中,需對浮體閘的浮性、穩(wěn)定性(傾斜情況)、對底板的撞擊力進行觀測與控制。穩(wěn)定性不但與浮體閘的質(zhì)量、重心高度、內(nèi)外部幾何形狀有關,還與動水壓力、水流剪切力、下游門槽摩阻力有關[15,17-19],模型按重力相似準則進行設計。撞擊力的試驗中,為了保證工況相似,模型還需滿足以下相似準則[20-21]:

其中

式中:Fz為撞擊力;E為浮體閘的彈性模量;L為浮體閘的特征尺寸;v為浮體閘的撞擊速度;ρ為浮體閘的質(zhì)量密度;θ為撞擊角度;Ca為柯希數(shù)。本文試驗的浮體閘模型幾何比尺采用1∶15,圖2為浮體閘模型布置示意圖。

圖2 浮體閘模型布置示意圖

浮體閘沉浮試驗中需要對沉浮速度進行控制,為此需對浮體閘浮箱的進(排)水流量進行控制。充水下沉控制采用帶溢流裝置的供水箱,以自流方式向浮箱各艙充水,由浮子流量計(測量精度為1%)對流量進行監(jiān)控;排水上浮則由真空泵、水氣分離器、真空度表、閥門等組成的系統(tǒng)進行控制,通過控制水氣分離器上部的真空度來達到控制排水流量的目的,圖3為模型浮體閘沉浮控制設備平面布置圖。

圖3 浮體閘模型沉浮控制設備平面布置

1.2 試驗參數(shù)

1.2.1 進(排)水流量及水位、流量組合

沉浮試驗參數(shù)主要參照浮運法施工工程的充排水設計,下沉過程中模型進水流量按4 400 L/h控制,上浮過程模型排水流量為2200L/h,為了解河道水位及來流量對試驗結(jié)果的影響,下沉和上浮試驗中分別選擇了兩種水位、流量組合(表1)。

表1 浮體閘沉浮試驗水位、流量組合

1.2.2 抗傾覆特性試驗壓艙方案參數(shù)

根據(jù)關于浮體閘的穩(wěn)定性分析[8]可知,當水流條件相同時,浮體閘的抗傾覆特性(穩(wěn)定性)與浮體閘的質(zhì)量與重心高度密切相關,浮體閘抗傾覆特性試驗的主要目的是通過逐漸增加浮體閘的質(zhì)量(壓艙)同時降低重心高度來觀察浮體閘的抗傾覆性能。試驗在方案1(浮體閘總質(zhì)量1 221 kg,重心高度2.495 m,吃水深度為1.956 m)的基礎上采用逐級增加壓艙的方法進行抗傾覆試驗觀測,浮體閘各壓艙方案的主要參數(shù)列于表2。鑒于浮體閘沉浮穩(wěn)定性的重要性以及水流參數(shù)的隨機變化特性,分別對各種方案的兩種下沉和上浮水位、流量組合進行10次重復沉浮試驗。

表2 浮體閘各壓艙方案主要參數(shù)

1.2.3 撞擊力傳感器安裝尺寸

為了全面觀測浮體閘下沉時對底板的撞擊作用,在浮體閘定位后相應的底板4個頂點上安裝了4個撞擊力傳感器(測量精度2%～3%),來測量其下沉后對底板的撞擊作用,傳感器安裝尺寸見圖4。

圖4 撞擊力傳感器安裝位置(單位:m)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水艙進(排)水量

水艙的進(排)水量與吃水深度的變化關系可以為浮體閘的進(排)水控制提供依據(jù)。圖5為浮體閘下沉及上浮過程中吃水深度與進(排)水量之間的關系?？梢钥闯?兩種沉浮水位、流量組合下,浮體閘在吃水深度4.2 m(甲板平水面位置)附近進(排)水量曲線都出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點,在吃水深度4.2 m以上及以下,浮體閘的進(排)水量與吃水深度均呈線性變化,吃水深度4.2 m以上及以下直線的斜率k約分別為600和166。理論上直線的斜率等于浮體閘水線面面積(浮體閘吃水線圍成的面積),上述結(jié)果表明在吃水深度4.2 m附近浮體閘的水線面面積出現(xiàn)突變,這與浮體閘甲板以下部分水線面面積大(600 m2)、上部結(jié)構(gòu)水線面面積小(166 m2)的外形結(jié)構(gòu)是相符的。

圖5 浮體閘吃水深度與進(排)水量的關系

2.2 浮體閘沉浮速度

浮體閘在靜水中沉浮時,設t1、t2時刻浮體閘對應的吃水深度分別為h1和h2,浮箱進(排)水流量為Q,浮體閘水線面面積為A,則根據(jù)浮體閘的受力平衡原理可得:

即

式(3)左邊就等于浮體閘的沉浮速度v,因此浮體閘在靜水中沉浮時,其沉浮速度僅取決于浮箱進(排)水流量和浮體閘水線面面積A。

動水沉浮試驗中通過觀測浮體閘沉浮過程中閘底高程隨時間的變化得到浮體閘動水沉浮速度。試驗發(fā)現(xiàn),下沉過程在甲板未入水以前,浮體閘下沉較慢,下沉速度約1.6 mm/s;當甲板入水以后,浮體閘下沉較快,測得下沉速度約6.5 mm/s。上浮過程則相反,在浮體閘甲板出水面以前,浮體閘上浮較快(上浮速度約3.2 mm/s);而甲板出水面以后上浮速度較慢(上浮速度約0.8 mm/s),圖6為浮體閘沉浮速度與吃水深度的關系。

從圖6可以看出,浮體閘動水沉浮速度與靜水計算結(jié)果基本一致,即浮體閘動水沉浮速度只與浮體閘浮箱進(排)水流量和浮體閘水線面面積有關,而與河道來流情況及水位、流量組合沒有關系。

2.3 抗傾覆特性

為了衡量浮體閘的抗傾覆特性(穩(wěn)定性),定義浮體閘各方案傾覆次數(shù)與沉浮試驗次數(shù)的比值為該方案的傾覆率εq,浮體閘的質(zhì)量比δ為各壓艙方案浮體閘總質(zhì)量與方案1浮體閘總質(zhì)量的比值,根據(jù)沉浮試驗記錄計算的各壓艙方案傾覆率εq與浮體閘質(zhì)量比δ的關系見圖7。

圖6 浮體閘吃水深度與沉浮速度的關系

圖7 傾覆率與浮體閘質(zhì)量比的關系

圖7表明,浮體閘的傾覆率與壓艙的關系密切,增加壓艙可以有效減小傾覆的概率。理論上河道的流速對傾覆率會有影響,但是在試驗范圍內(nèi)的4種河道流速條件下測得的傾覆率基本滿足一種函數(shù)關系,說明一定范圍的流速變化對傾覆率的影響不大。將傾覆率與浮體閘質(zhì)量比(范圍1～1.55)的關系進行擬合,可以得到:

從式(4)可以看出,當εq＞0時,浮體閘有傾覆的危險;當εq≤0時,浮體閘處于穩(wěn)定狀態(tài)。εq=0時的δ為浮體閘穩(wěn)定所需的最小浮體閘質(zhì)量比。

2.4 底板撞擊力

試驗中觀測了不同閘門自重、不同閘門總質(zhì)量(閘門自重加進水量)、不同進水量(浮體閘將要下沉到底時關閉進水閥時的進水量)和改變進水流量情況下的底板撞擊力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),進水流量對底板撞擊力的影響顯著,圖8為進水流量與底板最大撞擊力的關系,可見,浮體閘對底板的撞擊力與進水流量呈正相關關系,說明可以通過減小進水流量的方式來減小底板的撞擊力。

圖8 浮體閘下沉過程底板最大撞擊力與進水流量的關系

利用最小二乘法對試驗測量結(jié)果進行擬合,可以得到如下的經(jīng)驗公式:

式中:Fmax為浮箱底板最大撞擊力,kN;Q為浮箱總進水流量(4個水艙進水流量之和),m3/s,試驗范圍為1～3m3/s。從式(5)和圖7可以看出,當進水流量減小到接近零時,底板最大撞擊力即為最小的撞擊力。

3 結(jié) 論

a.浮體閘的進(排)水量與吃水深度以甲板入(出)水面為轉(zhuǎn)折點分段呈線性關系。

b.本文試驗條件下浮體閘動水沉浮速度與靜水條件基本一致,即浮體閘動水沉浮速度主要與浮體閘浮箱進(排)水流量和水線面面積有關,而與河道來流流量(流速)及水位、流量組合關系不大。

c.浮體閘的傾覆率與壓艙的關系密切,增加壓艙可以有效減小傾覆的概率,傾覆率等于零時得到的就是動水穩(wěn)定所需最小的浮體閘質(zhì)量比。

d.浮體閘的最大撞擊力與進水流量呈冪函數(shù)關系,減小進水流量可以減小撞擊力,當進水流量減小到接近零時,可以得到底板的最小撞擊力。

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Hydraulic characteristics of floating sluices subsiding and buoying in flowing water//

FU Zongfu1,YIN Xiaojin1,GU Xiaofeng2
(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Taihu Water Planning and Designing Institute,Suzhou 215128,China)

In order to know the hydraulic characteristics of a new type of floating sluice in subsiding and buoying in flowing water hydraulic experiments in laboratory have been conducted.For achieve this goal,we analyzed the variations such as water filling and displacement of water tank,subsiding and buoying speed,characteristics of anti-overturning,and impact forces with river bottom.The overturning rate has been put forward,the formula for floating sluice subsiding or buoying speed in still water was derived and compared with the measured value in flowing water.The relation between overturning rate and ballasting was studied and the relation between maximum impact force and mass flow of water filling was obtained. The water level and velocity of river flow have small influence on subsiding and buoying speed in the experiment range. Increasing ballasting can decrease overturning rate,and the maximum impact force is power function with mass flow of water filling.We can improve safety of floating sluice by means by increasing ballasting and decreasing mass flow of water filling.

floating sluice;subsiding and buoying;overturning;anti-overturning;impact force;hydraulic characteristics; hydraulic model test

TV663+.5

:A

:1006-7647(2014)05-0024-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.005

2014-0504 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金(51279048);江蘇省自然科學基金(BK2011744)

傅宗甫(1966—),男,浙江青田人,副教授,博士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:zffu@hhu.edu.cn