基于ANSYS-Fluent的擋水閘門水力特性及地震動響應(yīng)特征研究

潘 鑫 曹恒樓 何 洋

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處 ，江蘇 淮安 223100)

1 概 述

閘門是水利樞紐中常見的擋水建筑，其結(jié)構(gòu)體型參數(shù)包括了支撐鋼梁、面板特征等[1，2]，通過閘門結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計優(yōu)化研究，有助于提高水工設(shè)施設(shè)計、運營水平。楊健[3]、蓋浩瑞[4]為研究閘門底緣結(jié)構(gòu)特征，采用Fluent滲流模擬方法，建立了不同前、后傾式的閘門結(jié)構(gòu)方案，分析了閘門局部滲流場的流速、水位以及壓強變化，對優(yōu)化閘門底緣型式有參考意義。李玲等[5]、劉忠干[6]為研究閘門結(jié)構(gòu)體型參數(shù)影響特性，采用靜、動力仿真計算對比方法，對閘門結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力、位移及地震動響應(yīng)值進行了對比分析，從宏觀角度評價了結(jié)構(gòu)體型參數(shù)與應(yīng)力、位移、動力響應(yīng)值的關(guān)聯(lián)性，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)體型參數(shù)提供了依據(jù)。滲流場與地震動響應(yīng)場均為結(jié)構(gòu)設(shè)計、運營關(guān)注的重點，宋峰等[7]、何妙妙等[8]開展了綜合性對比研究，在閘門支撐鋼梁等體型參數(shù)變化時，探討了結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力以及流場水力參數(shù)變化特征，研究成果可供相關(guān)工程設(shè)計借鑒、參考。本文為研究水利樞紐工程中擋水閘門的面板厚度問題，從局部滲流場和流固耦合場的地震動響應(yīng)分析入手，探討了不同面板厚度下結(jié)構(gòu)體系的流態(tài)、自振特性、加速度響應(yīng)水平等，旨在為工程改擴建設(shè)計提供計算參考。

2 工程概況

三河閘是淮河上游最大的擋水設(shè)施，控制著淮河下游入江水道，也是新中國成立后在淮河修建的第一座水工建筑，原設(shè)計過閘流量為8000m3/s，經(jīng)多次維修、改造及加固后，目前運營設(shè)計流量可達12000m3/s，是千里淮河第一閘。三河閘歷經(jīng)多年擴建、改造后，目前已成為區(qū)域水利樞紐工程，具有過閘泄流、防洪排澇以及輸水灌溉等水利功能，其所在位置為洪澤湖下游東側(cè)蔣壩K4+122處，有63孔過流口，單孔凈寬可達10m，閘體總寬度接近700m，設(shè)計下游運營水位為7.7m。從工程運營全面性考慮，三河閘所涵蓋的工程建設(shè)內(nèi)容有溢洪道、消力池、輸水干渠等，受大區(qū)域、大流量引調(diào)水影響，三河閘上游溢洪道局部防滲性以及防洪能力均無法匹配運營需求，故計劃對三河閘水利樞紐改擴建時，對溢洪道進行整修(見圖1)，包括閘門段、進水口過渡段、泄槽段以及出流段，進水段閘門計劃采用平面鋼閘門，其承重鋼梁結(jié)構(gòu)與三河閘門相一致，三河閘門所采用的雙桿式啟閉弧形鋼閘門(見圖2)，面板截面最大半徑可至6.8m，溢洪道進水口閘門設(shè)計與之有所相似，均為雙桿啟閉程控式，開度可根據(jù)過閘流量調(diào)整。三河閘渠首干渠設(shè)計最大流量為7.5m3/s，所建設(shè)的東、西干渠總長均達80km，與之相適應(yīng)的，在各調(diào)水節(jié)點樞紐均建設(shè)有泵站，各泵站前池所采用的擋水閘門均為平面鋼閘門，其結(jié)構(gòu)體型與泄洪閘門、三河閘門等類似，按照閘口比例縮放設(shè)置，各大泵站進水口寬度均為3.8～5.5m，監(jiān)測資料表明，各泵站樞紐閘門滲流場較穩(wěn)定，底緣處無明顯挑流、射流等現(xiàn)象，最大過閘流量下，流速仍保持在0.95～1.5m/s，閘門適配性較好。在三河閘門、泵站前池擋水閘門運營狀態(tài)良好的背景下，溢洪道進水口閘門考慮采用平面鋼閘門，其截面體型寬、高均按照實際閘孔比例設(shè)置，而面板厚度為優(yōu)選參數(shù)，在考慮溢洪道、三河閘門實際運營工況與泵站前池差異化下，考慮對泵站前池閘門進行體型優(yōu)化研究，以提高閘門設(shè)計合理性。

圖1 三河閘水利樞紐溢洪道改擴建設(shè)計平面特征

圖2 雙桿式弧形鋼閘門設(shè)計特征

3 模型設(shè)計

由于三河閘下游洪澤湖灌區(qū)內(nèi)有多個泵站樞紐，節(jié)制閘等小型水利設(shè)施眾多，本文以其中最大典型泵站前池閘門結(jié)構(gòu)體型為分析對象，該泵站位于三河閘下游K2+135處，乃是東干渠的第一個調(diào)水分節(jié)點。基于此，采用ANSYS-Fluent仿真綜合平臺，建立起閘門結(jié)構(gòu)模型(見圖3)，水體獨立三維模型為泵站前池進水口處區(qū)域滲流模型，模型設(shè)計上、下游水體影響范圍均為10m，水位為2.5m。閘門面板鋼梁支撐結(jié)構(gòu)翼緣厚度為18cm，肋間距為2.4m，整體鋼梁系統(tǒng)最大抗拉應(yīng)力40MPa滿足使用要求，由于面板厚度不同，閘門整體結(jié)構(gòu)體系沉降有較大變化空間，當厚度為14cm時，沉降量為閘門高度的3‰，而厚度為32cm時，沉降位移最大可達8mm。因而，閘門面板厚度在優(yōu)化過程中，需要考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性特征。

圖3 模型特征

仿真計算中，考慮ANSYS平臺的適用性，對水體模型、閘門模型分別劃分網(wǎng)格，獲得了閘門三維流體計算模型和鋼梁網(wǎng)格模型(見圖4)。根據(jù)網(wǎng)格劃分后的模型統(tǒng)計，網(wǎng)格最大尺寸為0.12m，水體模型由183264個網(wǎng)格單元組成，節(jié)點數(shù)164822個，而閘門滲流場模型中網(wǎng)格為六面體單元，共有228362個，節(jié)點數(shù)204628個，不論是網(wǎng)格密度或是網(wǎng)格質(zhì)量，均能滿足仿真計算精度要求[9]。圖4研究模型中，分別在進口、出口設(shè)置流速、壓力邊界條件，初始流速、壓強分別設(shè)置為1.2m/s、10kPa。不僅于此，針對地震動力響應(yīng)計算模型，在考慮流固耦合場影響下，基于RNG湍流模型、運動方程等，建立了閘門結(jié)構(gòu)動力分析有限元獨立模型(見圖5)，以Fluid30單元為耦合場網(wǎng)格，建立了閘門、水體流固耦合場計算模型，兩模型均為地震動響應(yīng)仿真計算的載體，圖4、圖5中的閘門模型面板厚度均為18cm。在各模型中，X～Z正向分別取泵站進水方向、面板上方向以及前池進水口垂直右方向。

圖5 動力響應(yīng)計算模型

由于閘門面板厚度會影響結(jié)構(gòu)沉降量與過閘流體水力特征，故在不同面板厚度方案下，分別進行閘門流場與地震動響應(yīng)特征分析，其中面板厚度按照泵站工程可選方案，分別設(shè)定為12cm、15cm、18cm、21cm、24cm、27cm、30cm。在地震動響應(yīng)研究方案中，采用時程反應(yīng)譜輸入方法，選取前20s的EI Centro地震波(峰頻0.3g)，從閘門底部輸入至結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，同一橫梁、次梁頂面均視為各向同性。為對比地震波動荷載影響，分別設(shè)置不同峰頻加速度，有0.15g、0.2g、0.25g三個對比工況。基于面板不同厚度方案，分別進行閘門流場水力特性與結(jié)構(gòu)體系地震動響應(yīng)計算(見圖6)。

圖6 EI Centro地震波加速度時程特征

4 閘門滲流場水力特征

基于不同面板厚度下滲流場計算，獲得了閘門底緣上、下游處流態(tài)特征(見圖7)。在面板厚度較小時，如面板厚度為12cm、15cm，閘門底緣處具有較多挑流、滲流的流線特征，且均從底緣上游逐步蔓延至下游，壅水現(xiàn)象較強；隨面板厚度增大，當為21cm、24cm時，閘門底緣處流線具有脫流特征，面板厚度增大，一定程度上引起了流場水體運動方向變化，水流分離現(xiàn)象較顯著，同時面板抗動水沖擊能力增強，壅水現(xiàn)象稍有減弱；面板厚度進一步增長，達27cm、30cm后，閘門底緣處流場具有較顯著的水體繞流、渦流現(xiàn)象，流線體型發(fā)展受到顯著影響，且流場內(nèi)并無明顯壅水現(xiàn)象。分析認為，面板厚度增大，擋水能力增強，過閘流量減弱，閘下流速逐步減小[10]，渦流增強使閘門底緣處射流、挑流減弱，從而使閘門下游發(fā)生水躍的概率降低。

在閘門不同面板厚度方案下，分別獲得閘門滲流場的流速、動水壓強特征(見圖8)，各方案下閘門流場內(nèi)峰值流速、最大動水壓強變化趨勢。分析圖8可知，隨面板厚度遞增，流速、動水壓強并非呈一致性遞增或遞減，而是在一定的厚度區(qū)間內(nèi)，具有遞增或遞減特性。當閘門面板厚度為12～21cm時，流速、動水壓強峰值均為遞增變化，在厚度21cm時，流速、動水壓強兩水力參數(shù)為最高，分別為5.49m/s、4.2kPa，隨面板厚度每遞增3cm，流速、動水壓強平均增幅分別為18.5%、7.6%；當面板厚度為24～30cm時，流速、動水壓強均遞減，其中厚度27cm、30cm下流速較之厚度24cm分別減少了19.1%、37.8%，而動水壓強對比兩者僅有5.8%、9.6%差幅。相比之下，閘門面板厚度變化，流速對其影響敏感度高于動水壓強。

圖8 各開度工況下流速、動水壓強變化特征

5 閘門結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)特征

5.1 自振特征

閘門結(jié)構(gòu)作為一種人工水工設(shè)施，其自振特性同樣會受結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)影響[11](見圖9)。不論閘門面板厚度為何值，隨計算階次變化，自振頻率均為遞增。但不可忽視的是當閘門面板厚度不同時，在各計算階次下自振頻率的變化趨勢各有差異，如面板厚度12～18cm時，自振頻率隨計算階次的增長為“先慢后快”，第6階次下具有增幅慢、快轉(zhuǎn)折的特點；而厚度為21cm、24cm時，自振頻率的增幅較為穩(wěn)定，其平均增幅分別為8.5%、8.7%；厚度增大至27cm、30cm后，自振頻率的增幅呈“先快后慢”趨勢，在第7階次時增幅逐步放緩，厚度為27cm時自振頻率為49.9～104.45Hz。總體上看，閘門面板厚度增大，自振頻率提高，厚度12cm、18cm下自振頻率分別為9.3～37.4Hz、23～54.96Hz，而厚度21cm、30cm下自振頻率較之12cm時增幅分別為0.73～2.64倍、2.41～7.9倍。分析表明，閘門面板厚度增大，會改變結(jié)構(gòu)自重特性，從而增強其共振頻率，結(jié)構(gòu)自振特性增強。

圖9 各階次下閘門自振頻率特征

從各面板厚度方案下結(jié)構(gòu)振型特征(見圖10)上看，該振型所處階次為第4階次。從振型計算結(jié)果來看，面板厚度不同，結(jié)構(gòu)振型發(fā)展具有顯著差異，厚度12cm時為閘門中底部擴散振動特征；而在18cm、21cm、24cm時，振動聚集于閘門鋼梁中部兩端，呈對稱式分布特點；在面板厚度27cm時，閘門振動在橫梁主、次梁交匯區(qū)，由中部向兩端擴散；而面板厚度30cm時，其振型發(fā)展特征與厚度12cm時相反，從閘門中頂部向下游擴散。閘門振型的變化，反映了面板厚度會直接影響結(jié)構(gòu)振動位移發(fā)生區(qū)域，改變結(jié)構(gòu)體系振動薄弱點[12]。

圖10 各厚度方案下結(jié)構(gòu)振型

5.2 加速度響應(yīng)特征

基于不同厚度方案下的地震動荷載計算，可獲得各方案結(jié)構(gòu)體系動力響應(yīng)水平，以結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)水平為分析參數(shù)(見圖11)，在地震波峰頻不變的前提下，同一工況中加速度響應(yīng)水平隨面板厚度均呈先增后減再二次遞增變化，其中遞減段為厚度21～24cm，即使地震波峰頻變化，加速度響應(yīng)水平變化趨勢也均呈一致性。在峰頻0.15g工況中，面板厚度為12cm下加速度響應(yīng)值為0.16m/s2，而厚度15cm、18cm下加速度響應(yīng)值較之前者分別提高了23.2%、68.7%，同樣，在厚度21cm、24cm下加速度響應(yīng)值又分別降低至0.245m/s2、0.22m/s2，后隨厚度增大至27cm、30cm時，兩者加速度響應(yīng)值較之厚度24cm下分別增大了19.2%、61.2%。當?shù)卣鸩ǚ孱l增大至0.2g、0.3g后，整體加速度響應(yīng)值得到提高，厚度12～30cm方案下加速度響應(yīng)值分別分布為0.28～0.62m/s2、0.63～1.2m/s2，較之峰頻0.15g下分別增大了0.62～0.87倍、1.89～3.13倍。此外，地震波峰頻增大，加速度響應(yīng)值受面板厚度參數(shù)影響敏感性增強，如峰頻0.3g下一次、二次遞增段平均增幅分別可達32.5%、22.8%，而峰頻0.2g、0.25g下二次增幅段分別為10.4%、17.3%。由此可知，地震波峰頻愈大，閘門結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)水平與面板厚度關(guān)聯(lián)性愈緊密，控制面板厚度，則更能引起結(jié)構(gòu)體系動力響應(yīng)變化[13]，從而提高閘門抗震設(shè)計水平。

圖11 不同面板厚度下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征

6 結(jié) 論

本研究獲得以下結(jié)論：一是面板厚度為12～30cm時，閘門流場內(nèi)流線從挑流、射流演變成脫流，乃至分流、繞流，面板厚度會改變流線發(fā)展趨勢；厚度21cm時閘門流場內(nèi)流速、動水壓強為最高，隨厚度遞增，兩水力參數(shù)呈先增后減變化，同時流速對其影響敏感性高于動水壓強。二是面板厚度不同時，自振頻率隨計算階次變化幅度各有差異，僅厚度21cm、24cm下自振頻率增幅較穩(wěn)定，平均增幅分別為8.5%、8.7%；面板厚度增大，自振頻率提高，厚度會改變閘門結(jié)構(gòu)體系自振特性。三是隨面板厚度遞增，結(jié)構(gòu)振型由“中底部擴散”演變至“鋼梁中部兩端對稱式分布”，直至“主、次梁交匯區(qū)變化”“中頂部擴散振動”，面板厚度不同，結(jié)構(gòu)體系振動薄弱面位置有所差異。四是加速度響應(yīng)值隨面板厚度均呈先增后減再二次遞增變化，地震波峰頻不會影響加速度變化趨勢；但地震波峰頻增大，不僅使加速度響應(yīng)水平整體提高，也使加速度響應(yīng)值與面板厚度的關(guān)聯(lián)性愈強。