浮体闸定位施工中的水力特性研究

(1.徐州市铜山区水利机械化施工处，江苏 徐州 221000；2.徐州市铜山区水利工程处，江苏 徐州 221000)

随着中国社会经济的发展和人们对美好城市环境的渴望，水利工程所发挥的作用越来越明显。在水利工程中，兼具景观和生态功能的新型水闸建设，越来越受到青睐。水闸建设不仅能够实现蓄水、泄洪、通航等基本功能，还能够起到改善平原地区河道环境，保护城市生态多样化的作用。传统水闸在功能性和安全性方面都存在明显不足，只能够在静水或水流流速很小的河道中使用，而浮体闸突破了传统水闸的各种缺点，可以在动水环境中开启和关闭。浮体闸是在传统水闸基础上变革而来，有效解决了河道中船舶通航、防洪泄洪及生态环境美化之间的矛盾。动水环境下，浮体闸的工作模式较为复杂，因此本文在分析浮体闸工作原理的基础上，基于动网格技术建立了三维水流数学模型，并对浮体闸定位施工中的水力特性进行了数值模拟与分析，并结合水工模型试验结果验证了数学模型的合理性和可靠性。

1 浮体闸定位工作原理

浮体闸是一种新型的水利工程控制工具，不仅能够在静水中使用，在流速较大的动水中依然能够发挥出重要的作用，特别是在通航运行频率较高的城市地区，具有较高的应用价值，解决了通航与防洪之间的矛盾。浮体闸的运动网络区域变化较大、弹性强，浮体闸的定位设计主要基于吃水深度、流速阻力等各种水力特性参数，对阻力的影响因素进行了简化处理，阻力值会随着浮体闸转动速度的增加而增大。浮体闸开闸时对水闸附近河道流速的影响，比浮体闸关闸时的影响更加明显。由于浮体闸的压强分布在河水的上游侧更强，因此浮体闸的定位过程相对于传统的水闸要更加稳定，通常浮体闸靠近转轴端即靠近门库端的水压强比浮体闸另一端要大得多。

与传统的浮箱式闸门相比，浮体闸在上部设计了卧式平板倒门和下部连接浮箱，在结构设计上突破了静水设计的限制，能够在动水环境下实现自主升降。新式浮体闸还可利用浮箱卧倒门的结构调节水位、控制河水流量。浮体闸在日常使用中不设置开启阶梯，可利用水流量的大小调节上游水位，从而有效地解决了防洪与航运之间的矛盾。传统浮箱式闸门多为低水头闸门，在静水环境中的稳定性尚可，而在动水环境中浮箱式闸门受到水流特征影响较为严重，水闸的基本功能都难以实现。而浮体闸的下部为浮箱结构，浮箱上部安装了下卧式平板卧倒门，这种结构在动水环境下也可以使用。由于并没有设计阶梯结构，因此浮体闸不仅具有传统闸门的基础性功能，还保持了河道原有的自然特征，兼具了生态功能，浮体闸工作的基本原理见图1。

图1 浮体闸定位施工基本原理

如图1所示，浮体闸的一端为定位环设计，与岸墙连接，这是浮体闸的定位中枢，以定位环为轴浮体闸可以随水流强度的大小而控制闸体开合角度。浮体闸的另一端设计为可脱卸式的动力舱。非汛期上游的水流不大，浮体闸处于非阻水状态，河流中的船舶能够实现全河道通航。而汛期上游河流的水流量较大，此时需要关闭浮体闸控制水流量，基于浮体闸的动力舱将闸体牵引至原位置，并向浮箱内充水，浮体闸下沉至标准水位。这时可以利用浮体闸浮箱控制装置开启卧倒门调节上游水位的高度，在不影响船舶通航的条件下实现水位的调节。汛期过后浮体闸内水箱的水排出，再使用动力层将水闸牵引至原水位。由此可见，浮体闸在控制上游水位方面具有很大的灵活性，在不影响船舶通航的条件下提高了下游防洪标准。

2 浮体闸定位施工水力特性数学模型的建立

浮体闸的定位施工过程主要包括关闸过程和开闸过程，关闸过程中将闸体由库门的位置牵引到河流的位置，开闸过程是关闸的逆过程。浮体闸位于闸位时的角度为0°，位于河道时的角度为90°，闸体以定位中枢为中心在0°～90°之间旋转。浮体闸定位施工过程中，需要对浮体闸的稳定性、悬浮性和对底板的撞击力度进行观测与控制。浮体闸的稳定性，与闸体的重心高度、质量、水流剪切力和压力相关，浮体闸定位施工水力特性数学模型，见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中ζ——撞击力，N；

ξ——弹性模量，Pa；

D——浮体闸的尺寸，m；

v——附体闸的撞击速度，m/s；

ρ——闸体的密度，kg/m3；

α——撞击角度，(°)；

Ca——柯西数。

浮体闸旋转和沉浮过程中需要对闸体的旋转与沉浮的速度进行控制，通过对浮箱的进水量与排水量的控制来调整闸体旋转角度及高度。浮箱充水供水箱配有溢流装置和流量计，能够精准地控制供水水位；排水装置由真空泵、真空度表和阀门等部分构成。考虑到河水的流动模型为不可压缩三维黏性流动，因此根据雷诺时均方程设计了浮体闸定位施工数学模型，连续性方程和动力方程组，见式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中vi——河水流动速度，m/s；

vj——浮体闸移动的速度，m/s；

∂—求偏导数符号。

湍流模型是浮体闸定位施工计算的重要方法之一，本文使用的水力特性分析模型为涡黏性模式，一般条件下将涡黏性模式划分为零方程模式和一方程模式。其中零方程模式能够准确地判断出压强分布的趋势，而且模型灵活易用。而一方程模式的使用受到的限制较多，应用范围也不是十分广泛。考虑到零方程模型的广泛运用，计算模型不存在强旋流、浮力流动、非等温以及混合对流流动等问题，采用标准的零方程模型和动能k的输运方程，见式(5)：

(5)

关于耗散率ε的输运方程见式(6)：

(6)

式(5)、式(6)中的vi和Gk分别表示为：

(7)

(8)

σk、σε为系统模型误差项，c1、c2和cμ分别为系统模型的可变常数。方程中各稳流常数值根据经验数据，分别设置为σk=1.5、σε=1.3、c1=1.45、c2=1.92、cμ=0.05。浮体闸定位施工中数学模型的计算区域边界，主要包括分界面、出口和入口等，在模型的两岸和底部划分为静止区域和运动区域。在该边界上，出口分界面上的流动情况对上游流动不会造成影响。本文设计的浮体闸模型，将出口河道与运动区域之间的距离设置为足够长，有利于自由出流边界条件的运用。

3 浮体闸定位施工中水力特性研究结果与分析

以位于徐州市的浮体闸定位施工工程为研究对象，来验证文中提出的水力特性研究模型的有效性，并对相关的研究结果进行分析，浮体闸定位工程的相关指标参数见表1。

表1 浮体闸相关参数

浮体闸定位施工中水力特性研究参数设计，主要参照浮运法建设施工中的排水和充水量进行，其中闸体下沉时的排水量为2500L/h，动力舱的进水流量按4500L/h的标准进行控制。为使研究的结果更接近于实际情况，本文选择了6种河水流量与流速的组合，见表2。

表2 水位流量组合

基于对浮体闸旋转和升高的稳定性分析可知，在相同的旋转速度和水流速度条件下，浮体闸定位施工的水力特性与浮体闸闸体的质量、重心高度及稳定性相关。因此提高闸体的重心、稳定性及增加浮体闸的质量，都能够改善浮体闸定位施工的水力特性。试验选择了3种方案，并采用逐级增加压舱的方式进行抗倾覆试验观测，相关的参数设定见表3。

表3 相关参数设定 单位：m

影响浮体闸旋转阻力水力特性因素包括浮体闸的形状、旋转速度和其他相关的外界因素。浮体闸吃水面越大阻力就会越大，旋转速度越快阻力也会逐渐地增大，此外河流的水深、温度等因素也会对旋转阻力产生一定影响，旋转阻力计算方法见式(9)：

(9)

式中F——旋转阻力，N；

λF——浮体闸旋转扰流阻力系数；

ρ′——流体的密度，kg/m3；

A——旋转闸体来自于流体方向的投影面积，m2。

分析不同吃水深度、水流速度和旋转速度下浮体闸的水力特性，上述3个指标与转动阻力矩之间的变化关系见表4。

表4 浮体闸转动阻力矩计算值 单位：万kN/m

表4中的数据显示，随着浮体闸转动角度的增加，浮体闸转动阻力矩，在相同的吃水深度、水流速度和转速的条件下，呈现出下降的趋势。在浮体闸启动的初始条件下，阻力达到最大值后会随着开合角度的增加而逐渐减小。浮体闸开闸时的转动角度与水流速度的变化成反比，进而在转动过程中缓慢下降。随着闸体吃水深度的增加，受到的阻力也逐渐增加，转动的阻力越大阻力值下降得越快。表4中的数据也显示，闸体的吃水深度越大阻力增长得越快，而且呈现出一种非线性的变化趋势。

造成这种变化的原因主要是闸体吃水深度的增加突破了河道边界深度的限制。不同水流速度条件下的数值变化较为接近，当闸体逐渐打开时，随着河水流速的增加浮体闸的转动阻力逐渐增大；而浮体闸关闭时，水流速度的变化对闸体启动的阻力不会产生过大的影响。因此可以总结出，开闸水流的速度将决定启动力的大小，而关闸时水流的速度反而会带来反向的作用力；浮体闸转动速度的增加同样也会带来更大的阻力，因此要适度控制闸体的转速。水流速度与浮体闸水力特性相关性曲线见图2。

图2 水流速度与浮体闸水力特性相关性曲线

水流流速的变化与浮体闸定位施工中的水力特性变化密切相关，总体上呈现出同比例的变化。当水流流速超过1.8m/s时变化趋势会逐渐减弱。这时浮体闸角度的增加，闸体局部区域受到的挠动值也在增大，也会影响到浮体闸的阻力矩。总体来说，流速分布受到浮体闸开合角度的影响较大，进而对浮体闸定位施工水力特性产生影响。

浮体闸在开启和关闭的过程中，受到来自于上游的压强更大，随着浮体闸角度变化，来自于上下游的压强差会发生改变，但无论是开启过程还是关闭过程，由于上下游的压差存在，可以将阻力值控制在合理的范围之内，闸体定位的稳定性都不会受到较大的影响。文中相关的水力特性数据表明，浮体闸在定位稳定性和安全性方面都表现优异，能够较好地平衡泄洪蓄水与通航之间的矛盾。

4 结 语

浮体闸在操纵控制方面方便快捷，具有良好的耐用性，定位施工的工期较短，而使用周期相对更长，因此发展前景光明。随着各种新材料、新结构的应用，浮体闸能够满足更多的建筑施工要求，实现操作控制的自动化。