佛山蒲坑水庫增設閘門設施不同開度下水力特征研究

韋 曄

(廣東華禹工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510610)

在原有水利工程基礎上新建水工設施，勢必會改變原有水流狀態(tài)，引起局部滲流場變化[1-2]，對結構運營安全性帶來較大挑戰(zhàn)，因而針對性研究已有水工結構中的擬建設施滲流場演化特征很有必要。閘門是水利工程中控制水流重要設施，其滲流安全性是過閘水流控制得當?shù)谋匾獥l件[3-4]。王蓓[5]、徐超奇等[6]、劉昉等[7]根據(jù)物理模型試驗理論，設計原型試驗，并配置以相應的荷載工況，監(jiān)測獲得閘門在不同開度或不同流量工況下滲流演化特征，進而為工程建設提供重要參照。另有王海霞[8]、程國棟[9]利用工程實地監(jiān)測手段，通過分析聲發(fā)射、微震等細觀數(shù)據(jù)，判斷工程失穩(wěn)前兆，進而為工程的安全運營及擬建設施的施工提供佐證。雖模型試驗結果與細觀監(jiān)測手段可靠性較好，但不可忽視其試驗成本較高、耗時周期較長，不利于工程設計的時間有效性，因而劉竹麗等[10]、萬宇飛等[11]、梁曉等[12]利用流場仿真計算平臺，開發(fā)相應的閘門計算模型，研究在不同外荷載邊界條件下閘門靜、動力場及滲流場特征，為工程設計提供重要依據(jù)。本文根據(jù)佛山蒲坑水庫擬增設水閘設施設計模型，分析在不同開度、來水流量下閘門滲流場演化特征，為工程實際設計、施工提供重要計算參考。

1 工程概況

佛山蒲坑水庫是區(qū)域內重要水利樞紐工程，承擔著地區(qū)農田灌溉、防洪蓄水及水產養(yǎng)殖功能，有效灌溉農田面積超過333.33 hm2。由于蒲坑水庫近年來防洪蓄水壓力增大，泄流能力要求提高，工程管理部門考慮在水庫溢洪道增設一弧型鋼閘門，在不影響溢洪道現(xiàn)狀滲流場前提下，提升蒲坑水庫防洪標準。為此，設計部門對蒲坑水庫增設閘門在運營中滲流場特征開展仿真分析。

根據(jù)擬設閘門基本形態(tài)，利用ANSYS-Fluent聯(lián)合仿真計算平臺建立有限元模型，所服從的滲流場計算模型式如式(1)：

Gε+Gb-ρε-YM+Sε

(1)

式中：ρ為滲流場特征參數(shù)，kg/m3；ε為滲流場特征參數(shù)，無量綱；ui為流速，m/s；xi、xj為運動坐標；μ為運動黏滯系數(shù)平均值；μt為某一時刻黏滯系數(shù)；t為時間，s；Gε、Gb、YM為水流運動常數(shù)；σε為角標ε對應的Prandtl常數(shù)；Sε為可變常量。

該閘門模型直徑為6.0 m，寬度3.5 m，面板弧度40°，閘門支撐系統(tǒng)為壓桿式鋼結構，夾角為45°，共有四支臂系統(tǒng)，本文重點研究該閘門在運營期間開度為6 cm、8 cm、10 cm時滲流場特征，并設定來水流量為130 m3/h、150 m3/h。為保障計算結果可靠性，本模型計算范圍為閘門上、下游各2 m，采用后傾式底緣體型設計

根據(jù)仿真模型的網格單元劃分可知，共獲得微單元33 686個，節(jié)點20 246個，設定滲透糙率參數(shù)為0.008。閘門模型中迎、背水側分別為動力沖擊荷載邊界與靜壓邊界，底板與側板均為零自由度邊界，頂板設定有法向約束條件[13-14]?；谏鲜瞿Ｐ驮O定條件，分析在上游不同來水流量下，運營期閘門各工況下的滲流場特征。

2 不同開度下閘門水流流態(tài)特征

2.1 水位變化特征

依據(jù)不同開度工況下閘門計算模型，基于Fluent計算獲得在各開度運行期間閘門上、下游水位變化特征，圖1為上游流量130 m3/h、150 m3/h 時各開度工況的水位變化關系。

圖1 各開度工況的水位變化關系

從圖1中可知，閘門上、下游水位變化總體均呈“平穩(wěn)-緩升-速降-平穩(wěn)”四階段特征，距閘門上游40～180 cm區(qū)間內水位呈現(xiàn)較穩(wěn)定變化特征，此現(xiàn)象在各開度工況中均是如此。以上游來水流量130 m3/h為例，開度為6 cm時，上游水位穩(wěn)定在24.7 cm，最大波動幅度不超過1.9%，最低水位出現(xiàn)在距離閘門40 cm處；當開度增大至8 cm 后，上游水位下降，最低水位同樣位于閘門40 cm處，各測點的水位平均值為14.8 cm，相比開度6 cm下降低了40.1%，即開度增大后，閘門上游水位下降，控制過閘水流效果顯著。當開度為10 cm后，上游水位無顯著平穩(wěn)性，水位最大波動幅度超過6%，平均水位為10.5 cm，相比開度6 cm、8 cm下上游水位降低了57.5%。從整體水位變化可知，當開度增大2 cm，該增設閘門上游水位平均降低29.1%，特別是水位降幅最大出現(xiàn)在開度增大早期，當開度由8 cm增大至10 cm后，上游水位的降幅較穩(wěn)定。當水流到達閘門附近后，水位出現(xiàn)緩升態(tài)勢，特別是開度愈大，則水位緩升幅度愈顯著，開度6 cm下水位僅緩升了1.5%，而在開度8 cm、10 cm下水位緩升幅度分別為2.6%、7.1%，表明開度愈大，閘門對上游水位限制作用愈弱。當水流過閘門后，水位出現(xiàn)陡降態(tài)勢，開度6 cm、8 cm、10 cm時降幅分別為84.6%、66.4%、14.6%，開度愈大，水位陡降幅度愈低。進入閘門下游后，水位逐漸趨于平穩(wěn)，最終在距離閘門下游180 cm處，各工況水位達到一致性，分別為4.5 cm、5.4 cm、9.7 cm。

當上游來水流量增大至150 m3/h后，閘門上、下游水位變化特征與130 m3/h流量工況基本一致，但各開度工況下閘門上游水位顯著增高，三個開度工況下上游水位平均值增長了48.6%～79.1%，且過閘斷面水位降幅亦高于130 m3/h流量工況，但在閘門下游水位平穩(wěn)段無較大變化。分析表明，上游來水流量增大后，僅影響閘門上游水位及過閘斷面水位降幅，對下游水位平穩(wěn)段變化無顯著影響。

2.2 滲流場流速特征

根據(jù)各開度工況下滲流場計算結果，兩個來水流量工況下閘門典型開度下滲流場流速演變特征，如圖2所示。當來水流量為130 m3/h時，隨開度增大，閘門上游底部流速逐漸增大，開度6 cm 時，流速為0.27 m/s，而開度8 cm時流速相比前者增大了91.5%，并在過閘斷面后逐漸減小。兩開度工況下水流流速矢量線較平滑，特別是在開度8 cm時過閘斷面節(jié)點處流速逐步增大至1.51 m/s，水流在閘門下游亦較為平緩，即該方案有利于控制下游水流紊動，不出現(xiàn)局部的渦流等現(xiàn)象。當上游來水流量增大至150 m3/h后，上游水流流速矢量線在過閘斷面處控制效應較佳，通過水閘流速提升，開度6 cm時上、下游水位流速變幅為3.6倍，且在高來水流量工況下，閘門底緣受沖刷效應仍然保持較好水平，無水力沖蝕引起的流速矢量線滑動等現(xiàn)象[15-16]。綜上分析表明，增大上游來水流量僅對閘門上游流速有較小影響，而在閘門下游流速矢量、流速量值幾乎無變化；開度變化下引起閘門底緣流速分布演化，對閘門上、下游流速分布無影響。

圖2 閘門滲流場流速演變特征

3 不同開度下閘門滲流壓強特征

3.1 閘門壓強特征

為分析過閘斷面水流壓強變化特征，設定有8個 測點，各個測點位置關系以測點至底緣位置距離Z與閘門面板弧形長度L之比為衡量參數(shù)a，獲得各測點壓強變化特征，如圖3所示。

圖3 閘門上壓強變化特征

根據(jù)對各開度工況下不同來水流量閘門上壓強計算，獲得閘門上壓強受開度、來水流量影響特征，如圖4所示。從圖中可看出，在三個開度工況中均以高來水流量下的閘門壓強為最大。在開度8 cm工況中，來水流量為130 m3/h時，2#測點的壓強為1.6 kPa，而來水流量為150 m3/h時同測點的壓強較前者增長了5.35倍，從各測點幅度差異來看，開度8 cm工況中，3#測點來水流量130 m3/h與150 m3/h兩者間閘門壓強最大幅度差異為32倍，各測點間幅度差異分布為2.6～32倍，且6#、7#、8#三個測點的壓強一致，為0.028 kPa。而在開度6 cm、10 cm工況中，兩個來水流量工況分別有0個、5個測點的壓強一致，表明開度增大后，閘門上壓強受來水流量影響減弱，且在閘門上部壓強逐步一致性分布。開度6 cm 工況中兩個來水流量工況下的壓強幅度分布為1.12～130.4倍，低開度工況中受來水流量影響，閘門面板壓強差異性較大。

圖4 閘門動水壓強分布特征(流量130 m3/h與150 m3/h)

對比相同來水流量不同開度工況下閘門壓強特征可知，高開度工況下閘門壓強弱于低開度工況，在來水流量130 m3/h中開度6 cm時3#測點壓強為6.93 kPa，而相同流量與測點下開度8 cm、10 cm的壓強較前者分別減少了95.9%、99.8%，在該來水流量方案中，各測點在開度8 cm、10 cm的壓強相比開度6 cm下降幅分別為70.2%～96.0%、99.5%～99.8%。從閘門底部至頂部壓強變化可知，隨開度增大，閘門面板上壓強差異性逐步減小，來水流量130 m3/h時，在開度6 cm工況中1#～8#測點間壓強幅度差異為8.3%～94.0%，而在同一流量開度10 cm工況中各測點間最大幅度差異僅為6.7%～57.0%，表明開度增大，閘門面板上各測點間壓強逐步趨于一致性。

3.2 動水壓強分布特征

依據(jù)滲流場特征參數(shù)計算，獲得各開度工況下閘門動水壓強分布特征，如圖7所示。從圖中可知，開度6 cm時動水壓強分布顯著高于開度8 cm、10 cm，在開度8 cm、10 cm 工況中零壓強分布區(qū)域顯著增大，閘門受動水壓強影響顯著減小。來水流量增大至150 m3/h后，僅改變了閘門底部與中部壓強分布，對閘門上部的零壓強分布無影響，仍隨開度增大，零壓強分布區(qū)域擴大。分析表明，開度增大，有助于擴大閘門上零壓強分布，減弱閘門受動水壓力沖擊影響，而上游來水流量增大，僅對閘門下部動水壓強區(qū)域有所影響，提升了壓強分布量值。

4 結 論

(1)過閘水流在斷面上水位呈“平穩(wěn)-緩升-速降-平穩(wěn)”四階段特征，開度增大，閘門斷面處水位陡降幅度愈低，來水流量130 m3/h下開度6 cm、10 cm的降幅分別為84.6%、14.6%，而開度增大，可導致上游水位下降，開度增大2 cm，上游水位平均降低29.1%；上游來水流量增大，上游水位平均值增大，但下游水位差幅較小。

(2)開度增大，閘門上游底部流速逐漸增大，開度8 cm相比開度6 cm下上游底部流速增大了91.5%，閘門上游流速較穩(wěn)定；來水流量增大后，僅對閘門上游流速有影響，而對下游流速矢量與量值并無影響。

(3)高來水流量下的閘門壓強為最大，但開度增大后，閘門上壓強受來水流量影響減弱，開度6 cm、8 cm工況中，來水流量130 m3/h與150 m3/h間閘門各測點壓強幅度分布為1.12～130.40倍、2.60～32.00倍；高開度工況下閘門壓強弱于低開度，且開度增大導致閘門面板上壓強差異性減小，逐步趨于一致性。

(4)開度愈大，動水壓強愈低，且零壓強分布區(qū)域擴大；上游來水流量增大，僅影響閘門下部動水壓強量值。