有限流動(dòng)水域浮體受力及側(cè)傾研究

譚 箐，顧曉峰，傅宗甫，崔 貞，江 文，馬永林

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098;2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215128)

浮體結(jié)構(gòu)作為一種新型的環(huán)境友好裝置，因其具有安裝過程不斷航，兼顧防洪，對環(huán)境影響小以及緊鄰建筑物樁基產(chǎn)生的附加變形少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于潮汐電站，平原防洪工程以及檢修閘門等工程當(dāng)中[1-3]?，F(xiàn)有的浮體結(jié)構(gòu)大多在靜水、波浪作用下或者流速很小的水域中運(yùn)行，且大多數(shù)應(yīng)用于無限水域中。當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)在流動(dòng)水域運(yùn)行過程中，流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，水流特性變化復(fù)雜，極易發(fā)生傾覆，關(guān)于浮體結(jié)構(gòu)在流動(dòng)有限水域中的研究并不多見。Bai W等[4]模擬得到波浪在圓柱形浮體結(jié)構(gòu)背水面的爬升受浮體尺寸影響巨大，固定浮體所受到水流的水平力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由移動(dòng)的浮體結(jié)構(gòu)，圓柱浮體結(jié)構(gòu)半徑的增大，會(huì)導(dǎo)致相同波浪力作用下的垂直力減小。陸志妹等[5]采用解析方法對V形貫底式防波堤的波浪力、力矩以及周圍水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得到防波堤兩臂上的力和力矩對稱分布，且波壓力與水深、波長和防波堤張角成正相關(guān)。Remseth S等[6]對淹沒浮動(dòng)隧道結(jié)構(gòu)與水流的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，得到非垂直入射波可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水平位移增大，響應(yīng)的水平隨著波能量的減小而減小。Shirkol A I等[7]通過研究超大型浮體結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用得到波浪與靜水分別對浮體結(jié)構(gòu)的作用相加遠(yuǎn)大于兩者對浮體的聯(lián)合作用，并且浮體結(jié)構(gòu)的縱橫比對波浪的響應(yīng)影響巨大。Kao J H等[8]在相對較高的水深下，浮體結(jié)構(gòu)寬度較大會(huì)得到更好的波浪反射效果；結(jié)構(gòu)寬度的增加，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與水體的共振頻率向低頻移動(dòng)；吃水深度的增加，會(huì)使得結(jié)構(gòu)的俯仰運(yùn)動(dòng)增大，并使浮體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增強(qiáng)。以上研究對無限水域中浮體結(jié)構(gòu)在波浪以及較小流速中的影響因素進(jìn)行了探究，對初步判別浮體結(jié)構(gòu)的受力以及傾覆性進(jìn)行了說明。然而，當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于河道時(shí)，其受力與無限水域并不相同，其需要在流速較大的河道運(yùn)行，所受水流作用力以及傾覆力矩變化復(fù)雜。張欣宇等[9]研究了隨機(jī)波浪作用下浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并分析了尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及承載力的影響，結(jié)果表明，受到附加質(zhì)量影響的頂層球節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力應(yīng)變較大，結(jié)構(gòu)振型由平動(dòng)向扭轉(zhuǎn)過渡。傅宗甫等[10-12]通過物理模型試驗(yàn)得到浮體閘在沉浮過程中所受阻力主要與浮體結(jié)構(gòu)體型，水流流速，河道水位、重心高度以及沉浮速度等有關(guān)。陳長植等[13]對蘇州河擋潮閘底板的沉放試驗(yàn)進(jìn)行模擬，得到控制閘底板的形狀體積以及重量分配，在較小的水流流速以及水位差下，不會(huì)產(chǎn)生過大的水流阻力。崔貞等[14-19]采用物理模型試驗(yàn)對流動(dòng)水域浮體結(jié)構(gòu)所受剪力及動(dòng)水壓力進(jìn)行分析，得到剪力作用可以忽略不計(jì)，同時(shí)，通過對浮體體型、沉浮位置以及水力條件(來流流量以及水位條件)的比較，得到各影響因子對浮體結(jié)構(gòu)傾覆性、敏感性以及對下游水流結(jié)構(gòu)的影響作用大小，其中隨著來流流量、水位差以及浮體體型的增加，傾覆力矩明顯增大，浮體穩(wěn)定性降低。但文中僅通過幾組特定試驗(yàn)工況對傾覆力矩的變化特性進(jìn)行了表述，且對浮體結(jié)構(gòu)所受動(dòng)水壓力的變化并沒有進(jìn)行詳細(xì)表述。黃樹權(quán)等[20]采用數(shù)值模擬對流動(dòng)水域中的浮體門在不同流速、水深下的受力進(jìn)行分析，得到浮體門在運(yùn)行過程中與吃水深度、水流流速以及關(guān)閉角度成正相關(guān)。

本文采用物理模型試驗(yàn)，對有限流動(dòng)水域中淹沒狀態(tài)下的浮體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中受力以及傾覆力矩變化進(jìn)行研究。通過浮體結(jié)構(gòu)體型以及所在水域水流條件的改變，對浮體結(jié)構(gòu)在不同方向作用力以及側(cè)傾力矩的變化進(jìn)行采集分析，同時(shí)，對不同影響因素變化下的浮體結(jié)構(gòu)受力及側(cè)傾的原因以及規(guī)律進(jìn)行了對比分析，給出了增加浮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的建議，可為更好的研究浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)

浮體結(jié)構(gòu)所受作用力以及力矩是浮體結(jié)構(gòu)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，采用物理模型試驗(yàn)，探究淹沒狀態(tài)下的浮體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中由于體型以及來流流速變化所受作用力以及傾覆力矩的變化規(guī)律。試驗(yàn)裝置主要由四部分組成：自循環(huán)供水系統(tǒng)、穩(wěn)流裝置、有機(jī)玻璃水槽(包括浮體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)區(qū)域)、溢流設(shè)備(可自動(dòng)調(diào)節(jié)上下游水位差為固定值)。有機(jī)玻璃水槽的長寬高分別為10.00 m，0.30 m和0.50 m。浮體結(jié)構(gòu)位于水槽中間區(qū)域。采用選擇閘門調(diào)速裝置對浮體結(jié)構(gòu)的位置及運(yùn)行進(jìn)行精確控制，對流速采用三維超聲波多普勒測速儀(ADV)進(jìn)行采集，并采用電磁流量計(jì)進(jìn)行流量的監(jiān)測。對于浮體結(jié)構(gòu)在沉浮過程中傾覆力矩的測量，配有整套動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。

試驗(yàn)過程中，對于浮體結(jié)構(gòu)所受作用力，通過在浮體結(jié)構(gòu)中心位置的水平與垂直方向分別安裝精度為±0.5‰的CYL-211力傳感器，采集浮體結(jié)構(gòu)所受水流作用力。通過在浮體結(jié)構(gòu)上表面上下游兩端分別安裝力傳感器，設(shè)計(jì)間接測量傾覆力矩的試驗(yàn)裝置，依據(jù)牛頓第二定律，得到浮體結(jié)構(gòu)的傾覆力矩MX。試驗(yàn)過程中對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰32個(gè)點(diǎn)的平滑濾波方式進(jìn)行處理。設(shè)定浮體的沉浮速度為0.005 m/s。浮體結(jié)構(gòu)在流動(dòng)水域運(yùn)行過程中，浮體結(jié)構(gòu)體型以及流速變化是影響其安全穩(wěn)定的重要因素。試驗(yàn)過程中浮體結(jié)構(gòu)高度a為0.10 m，上游水位H保持為0.29 m。為探究浮體結(jié)構(gòu)體型以及流速的變化對浮體結(jié)構(gòu)剛完全浸入水體以及在淹沒狀態(tài)下受力以及側(cè)傾力矩的影響，通過改變浮體結(jié)構(gòu)的長度l以及來流單寬流量q，分別設(shè)定四種不同高比δ(l/a)以及水流流速v，對兩種因素的影響展開研究。圖1為試驗(yàn)參數(shù)示意圖，表1為試驗(yàn)工況表。浮體結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)在水槽底部投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，浮體結(jié)構(gòu)在沉浮過程中沿Z軸做上下平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，表2為浮體結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間T下浮體結(jié)構(gòu)底面的位置z。試驗(yàn)過程中，通過閘門調(diào)速控制裝置對z進(jìn)行實(shí)時(shí)測量控制。同時(shí)，通過控水流量與水位，調(diào)節(jié)得到固定的來流流速，通過流速儀對流速進(jìn)行監(jiān)測。

表1 試驗(yàn)工況表

圖1 參數(shù)示意圖

2 結(jié)果分析與討論

浮體結(jié)構(gòu)橫跨水槽，其兩側(cè)通過滑槽與河道水槽連接，因此X方向受力不會(huì)對浮體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對此，將浮體結(jié)構(gòu)在沉浮過程中，對影響其穩(wěn)定性的沿水流方向(Y)受力、垂直方向受力(Z)以及側(cè)向力矩MX(繞X軸產(chǎn)生的力矩)進(jìn)行采集分析。采用控制變量法，對浮體結(jié)構(gòu)體型以及來流流速變化引起的浮體結(jié)構(gòu)受力及力矩變化規(guī)律進(jìn)行探究。

2.1 浮體結(jié)構(gòu)體型

2.1.1Y方向受力

圖2為不同浮體體型下沿水流方向浮體結(jié)構(gòu)所受作用力FY圖。在相同的流速(v=0.21 m/s)下，不同長高比δ的浮體結(jié)構(gòu)在沿水流方向產(chǎn)生的壓力FY并無明顯差別。浮體結(jié)構(gòu)自入水至臨近水槽底部，之后上浮至臨近水面，相同體型下的浮體結(jié)構(gòu)在FY受力上的變化并不明顯。在浮體結(jié)構(gòu)完全浸入水體中，沿水流方向，浮體結(jié)構(gòu)主要受到迎、背水面的水體壓力以及水流作用，當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)沿水流長度方向發(fā)生變化時(shí)，對浮體結(jié)構(gòu)上下游位置處的水流流態(tài)以及水體壓力并不產(chǎn)生影響，因此FY并不隨著浮體長度的變化而變化，不同浮體結(jié)構(gòu)受到水流作用，F(xiàn)Y大小保持在1.55N左右。且當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)在不同吃水深度下運(yùn)行時(shí)，由于流速水頭產(chǎn)生的作用在浮體結(jié)構(gòu)表面的作用力較靜水壓力而言較小且變化并不大，因此相同浮體結(jié)構(gòu)體型下樣水流方向產(chǎn)生的FY變化并不明顯。

圖2不同δ影響下的FY

2.1.2Z方向受力

圖3為浮體結(jié)構(gòu)在相同流速的沉浮過程中Z方向的受力FZ示意圖。浮體結(jié)構(gòu)在剛開始下沉過程中，由于吃水深度的突然增大，導(dǎo)致水面出現(xiàn)波動(dòng)，浮體上半部分在下沉過程中逐漸淹沒，因此浮力增大，至完全淹沒之后FZ方向受力基本不變，四種浮體結(jié)構(gòu)下，Z方向受力均值分別為28.94 N、59.21 N、88.35 N和118.95 N。在臨近水槽底部時(shí)(T=40.00 s)，由于浮體由下沉突然變?yōu)樯细顟B(tài)，此位置受力出現(xiàn)突變，四種不同體型下的浮體結(jié)構(gòu)突變值隨著δ的增加而增加，其中當(dāng)δ=4.00時(shí)，突變值最大為135.46 N,變化幅度較大，較下降過程比較，增加幅度為11.00%；而δ=1.00時(shí)，突變值很小，僅為29.48 N，變化幅度很小，較下降過程比較，增加幅度為1.15%。而δ=2.00和3.00時(shí)，突變值較下降過程增加幅度分別為3.35%和5.29%。浮體結(jié)構(gòu)之后勻速上浮，受力逐漸平衡，在臨近水面時(shí)，水面波動(dòng)較大，F(xiàn)Z出現(xiàn)輕微減小。整個(gè)過程中，由于迎、背水面阻力作用的存在，F(xiàn)Z在下降過程中的受力略大于上浮過程受力，但基本以臨近水槽底部為中心點(diǎn)呈現(xiàn)對稱分布的趨勢。隨著浮體結(jié)構(gòu)體型δ的增大，F(xiàn)Z呈現(xiàn)增大的趨勢，當(dāng)浮體沿水流長度增大，導(dǎo)致水體作用在浮體結(jié)構(gòu)的面積增大，從而使所受水體壓力增大。

圖3不同δ影響下的FZ

2.1.3 側(cè)傾覆力矩

圖4為流速不變時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)在沉浮過程中所受側(cè)向傾覆力矩MX的變化規(guī)律。不同體型的浮體結(jié)構(gòu)在沉浮過程中所受到的側(cè)傾覆力矩變化并不相同。隨著浮體結(jié)構(gòu)的增大，MX變化較大。在浮體結(jié)構(gòu)剛開始下沉至完全浸水過程中，MX出現(xiàn)突變，隨著δ由1.00增加到4.00，MX的突變值隨之增大，突變值分別為0.02 N·m、0.13 N·m、0.23 N·m和0.50 N·m。隨著吃水深度的增加，浮體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向下游傾斜的趨勢，且浮體結(jié)構(gòu)體型越大，側(cè)傾力矩值越大。在最低點(diǎn)時(shí)，傾覆力矩達(dá)到最大值，當(dāng)δ為1.00時(shí)，傾覆力矩值較小，僅為-0.02 N·m；而當(dāng)δ為1.00時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)力矩值達(dá)到-0.45 N·m。當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)開始上浮過程中，傾覆力矩快速減小，隨著吃水深度的減小，傾覆力矩值出現(xiàn)向上游傾斜的趨勢，同樣隨著浮體結(jié)構(gòu)體型的增大，傾覆力矩值增大，在浮體結(jié)構(gòu)上表面臨近出水時(shí)，MX同樣出現(xiàn)突然變化。在出水以及入水臨近過程中，浮體結(jié)構(gòu)較易發(fā)生傾覆，且體型越大，變化幅度越大。浮體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中表面所受作用力并不均勻，因此產(chǎn)生壓強(qiáng)差，由于體型的增大導(dǎo)致壓差點(diǎn)距浮體中心點(diǎn)的距離增大，從而導(dǎo)致傾覆力矩的增大。在浮體結(jié)構(gòu)靠近底部時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)下部無水流通過，浮體結(jié)構(gòu)上下表面受力不均勻性增大，從而使得浮體結(jié)構(gòu)的側(cè)傾性增大。在出水以及入水瞬間，由于浮體結(jié)構(gòu)迎、背水面所受水壓力不同，迎水面處水面與浮體結(jié)構(gòu)上表面齊平，而背水面由于浮體結(jié)構(gòu)的阻擋水面并沒有達(dá)到浮體結(jié)構(gòu)上表面，因此靜水壓力差增大；同時(shí)在背水面產(chǎn)生的回流區(qū)同樣增大了浮體結(jié)構(gòu)表面的壓強(qiáng)差，所以在出水以及入水瞬間傾覆力矩較大，浮體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)性增大。

圖4不同δ影響下的MX

2.2 來流流速

2.2.1Y方向受力

圖5為相同浮體結(jié)構(gòu)在不同流速下沿Y方向所受作用力FY示意圖。不同的流速下，F(xiàn)Y隨著流速的增大而增大。由于浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用，水流繞流并經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)上、下泄流經(jīng)過，主流分散，在浮體結(jié)構(gòu)前部水體流速較大，在浮體背水面區(qū)域產(chǎn)生回流區(qū)，浮體結(jié)構(gòu)在Y方向所受作用力包括靜水壓力及水流作用力。在迎水面，速度動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢能作用于浮體結(jié)構(gòu)上，來流流速越大，轉(zhuǎn)化成勢能作用在浮體結(jié)構(gòu)的作用力越大，因此FY隨著水流流速的增大而增大，四種不同來流流速下，F(xiàn)Y的值由小到大分別1.11 N、1.57 N、2.14 N和2.82 N。從圖5中可以看出，當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)吃水深度變化時(shí)，在沿水流方向產(chǎn)生的作用力大小幾乎不受影響。

圖5不同流速下的FY

2.2.2Z方向受力

圖6為相同浮體結(jié)構(gòu)體型在不同的流速下沿Z方向受力FZ示意圖。從圖6中可以看出，不同的流速作用下，F(xiàn)Z與水流流速并無明顯關(guān)系。且FZ以浮體結(jié)構(gòu)位于水槽底部時(shí)為中心呈現(xiàn)對稱分布。當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)開始向下運(yùn)行，隨著吃水深度的增大，浮體結(jié)構(gòu)所受水體浮力逐漸增大直至浮體結(jié)構(gòu)全部浸入水體中，浮體結(jié)構(gòu)在垂直方向所受作用力并不因?yàn)楦◇w結(jié)構(gòu)所在水域流速以及浮體結(jié)構(gòu)位置變化產(chǎn)生變化。而當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)位于水槽底部時(shí)，因?yàn)楦◇w結(jié)構(gòu)突然由下沉轉(zhuǎn)變?yōu)樯细?，迎、背水面的水流阻力由垂直向上變?yōu)榇怪毕蛳?，因此FZ出現(xiàn)突變，且上浮的作用力略小于下沉過程作用力，突變值同樣隨著來流流速的增加而增加，四種不同流速下從小到大的FZ突變值分別為91.00 N、94.78 N、95.00 N、98.17 N。從圖6中可以看出，以浮體結(jié)構(gòu)位于水槽底部時(shí)為對稱點(diǎn)，F(xiàn)Z呈現(xiàn)對稱分布。

圖6不同流速下的FZ

2.2.3 側(cè)傾覆力矩

圖7為相同體型的浮體結(jié)構(gòu)在不同流速下沉浮過程中的側(cè)傾覆力矩MX變化趨勢圖。浮體結(jié)構(gòu)在剛開始運(yùn)行由于表面所受作用力不平衡，浮體結(jié)構(gòu)所受傾覆力矩MX呈現(xiàn)較大的波動(dòng)趨勢，且突變值隨著來流流速的增大而增大。到臨近水槽底部時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)反向增大的趨勢，且來流流速越大，浮體結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生傾覆，在水槽底部，MX達(dá)到最大值。在浮體結(jié)構(gòu)位于底部時(shí)開始反向運(yùn)行，由于慣性力的存在，浮體結(jié)構(gòu)上下表面剪力方向突然發(fā)生變化，且下部無水流通過，因此浮體結(jié)構(gòu)表面受力不均勻性增大，從而使得浮體結(jié)構(gòu)的側(cè)傾性突然增大。四種不同來流流速下，浮體結(jié)構(gòu)位于底部的力矩突變值分別為-0.20 N·m、-0.28 N·m、-0.30 N·m和-0.48 N·m之后浮體結(jié)構(gòu)反向向上運(yùn)行，浮體結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)向上游傾覆趨勢，力矩開始增大，且隨著來流流速的增大力矩值變化增大。當(dāng)來流流速增加時(shí)，作用在浮體結(jié)構(gòu)表面的作用力增加，因此浮體受力的不均勻性增加，因此導(dǎo)致傾覆力矩增加。因此，在浮體結(jié)構(gòu)沉浮過程中，應(yīng)注意在水域來流流速較大時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)在出水、入水的瞬間以及浮體結(jié)構(gòu)位于底部時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)力矩變化引起的傾覆問題。

圖7不同流速下的MX

3 結(jié) 論

采用物理模型試驗(yàn)，通過設(shè)定不同水流流速以及長高比，對有限流動(dòng)水域中浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)行至完全入水及淹沒狀態(tài)下的受力以及側(cè)力矩進(jìn)行了對比研究。主要得到以下結(jié)論：

(1) 不同長高比下的浮體結(jié)構(gòu)，對來流方向的受力影響并不大；而隨著長高比的增加，由于所受壓力面積以及壓力差的增加，垂直方向的受力以及側(cè)傾力矩出現(xiàn)明顯增大趨勢，且垂直方向受力增加率與體型增加率幾乎相同。

(2) 不同流速下的浮體結(jié)構(gòu)對來流方向的受力作用明顯，隨著來流流速的增加作用力同樣增大。當(dāng)來流流速增加時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)的傾覆力矩同樣出現(xiàn)增加趨勢，不穩(wěn)定性明顯增加。

(3) 浮體結(jié)構(gòu)在臨近入水以及出水的過程中，受力及傾覆特性出現(xiàn)突變，在實(shí)際工程的應(yīng)用過程中需進(jìn)行考慮，且突變值隨著浮體結(jié)構(gòu)體型以及來流流速變大出現(xiàn)增加。

(4) 浮體結(jié)構(gòu)位于水槽底部時(shí)，受力特性以及傾覆性出現(xiàn)突變，且突變值同樣隨著浮體結(jié)構(gòu)體型以及來流流速變大出現(xiàn)增加；且浮體結(jié)構(gòu)在下沉上浮過程中，以此位置為對稱點(diǎn)，浮體結(jié)構(gòu)受力基本呈現(xiàn)對稱分布。