(1.徐州市銅山區(qū)水利機(jī)械化施工處，江蘇 徐州 221000；2.徐州市銅山區(qū)水利工程處，江蘇 徐州 221000)

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)美好城市環(huán)境的渴望，水利工程所發(fā)揮的作用越來越明顯。在水利工程中，兼具景觀和生態(tài)功能的新型水閘建設(shè)，越來越受到青睞。水閘建設(shè)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)蓄水、泄洪、通航等基本功能，還能夠起到改善平原地區(qū)河道環(huán)境，保護(hù)城市生態(tài)多樣化的作用。傳統(tǒng)水閘在功能性和安全性方面都存在明顯不足，只能夠在靜水或水流流速很小的河道中使用，而浮體閘突破了傳統(tǒng)水閘的各種缺點(diǎn)，可以在動(dòng)水環(huán)境中開啟和關(guān)閉。浮體閘是在傳統(tǒng)水閘基礎(chǔ)上變革而來，有效解決了河道中船舶通航、防洪泄洪及生態(tài)環(huán)境美化之間的矛盾。動(dòng)水環(huán)境下，浮體閘的工作模式較為復(fù)雜，因此本文在分析浮體閘工作原理的基礎(chǔ)上，基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)建立了三維水流數(shù)學(xué)模型，并對(duì)浮體閘定位施工中的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的合理性和可靠性。

1 浮體閘定位工作原理

浮體閘是一種新型的水利工程控制工具，不僅能夠在靜水中使用，在流速較大的動(dòng)水中依然能夠發(fā)揮出重要的作用，特別是在通航運(yùn)行頻率較高的城市地區(qū)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，解決了通航與防洪之間的矛盾。浮體閘的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域變化較大、彈性強(qiáng)，浮體閘的定位設(shè)計(jì)主要基于吃水深度、流速阻力等各種水力特性參數(shù)，對(duì)阻力的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，阻力值會(huì)隨著浮體閘轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加而增大。浮體閘開閘時(shí)對(duì)水閘附近河道流速的影響，比浮體閘關(guān)閘時(shí)的影響更加明顯。由于浮體閘的壓強(qiáng)分布在河水的上游側(cè)更強(qiáng)，因此浮體閘的定位過程相對(duì)于傳統(tǒng)的水閘要更加穩(wěn)定，通常浮體閘靠近轉(zhuǎn)軸端即靠近門庫(kù)端的水壓強(qiáng)比浮體閘另一端要大得多。

與傳統(tǒng)的浮箱式閘門相比，浮體閘在上部設(shè)計(jì)了臥式平板倒門和下部連接浮箱，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上突破了靜水設(shè)計(jì)的限制，能夠在動(dòng)水環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主升降。新式浮體閘還可利用浮箱臥倒門的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)水位、控制河水流量。浮體閘在日常使用中不設(shè)置開啟階梯，可利用水流量的大小調(diào)節(jié)上游水位，從而有效地解決了防洪與航運(yùn)之間的矛盾。傳統(tǒng)浮箱式閘門多為低水頭閘門，在靜水環(huán)境中的穩(wěn)定性尚可，而在動(dòng)水環(huán)境中浮箱式閘門受到水流特征影響較為嚴(yán)重，水閘的基本功能都難以實(shí)現(xiàn)。而浮體閘的下部為浮箱結(jié)構(gòu)，浮箱上部安裝了下臥式平板臥倒門，這種結(jié)構(gòu)在動(dòng)水環(huán)境下也可以使用。由于并沒有設(shè)計(jì)階梯結(jié)構(gòu)，因此浮體閘不僅具有傳統(tǒng)閘門的基礎(chǔ)性功能，還保持了河道原有的自然特征，兼具了生態(tài)功能，浮體閘工作的基本原理見圖1。

圖1 浮體閘定位施工基本原理

如圖1所示，浮體閘的一端為定位環(huán)設(shè)計(jì)，與岸墻連接，這是浮體閘的定位中樞，以定位環(huán)為軸浮體閘可以隨水流強(qiáng)度的大小而控制閘體開合角度。浮體閘的另一端設(shè)計(jì)為可脫卸式的動(dòng)力艙。非汛期上游的水流不大，浮體閘處于非阻水狀態(tài)，河流中的船舶能夠?qū)崿F(xiàn)全河道通航。而汛期上游河流的水流量較大，此時(shí)需要關(guān)閉浮體閘控制水流量，基于浮體閘的動(dòng)力艙將閘體牽引至原位置，并向浮箱內(nèi)充水，浮體閘下沉至標(biāo)準(zhǔn)水位。這時(shí)可以利用浮體閘浮箱控制裝置開啟臥倒門調(diào)節(jié)上游水位的高度，在不影響船舶通航的條件下實(shí)現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。汛期過后浮體閘內(nèi)水箱的水排出，再使用動(dòng)力層將水閘牽引至原水位。由此可見，浮體閘在控制上游水位方面具有很大的靈活性，在不影響船舶通航的條件下提高了下游防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2 浮體閘定位施工水力特性數(shù)學(xué)模型的建立

浮體閘的定位施工過程主要包括關(guān)閘過程和開閘過程，關(guān)閘過程中將閘體由庫(kù)門的位置牽引到河流的位置，開閘過程是關(guān)閘的逆過程。浮體閘位于閘位時(shí)的角度為0°，位于河道時(shí)的角度為90°，閘體以定位中樞為中心在0°～90°之間旋轉(zhuǎn)。浮體閘定位施工過程中，需要對(duì)浮體閘的穩(wěn)定性、懸浮性和對(duì)底板的撞擊力度進(jìn)行觀測(cè)與控制。浮體閘的穩(wěn)定性，與閘體的重心高度、質(zhì)量、水流剪切力和壓力相關(guān)，浮體閘定位施工水力特性數(shù)學(xué)模型，見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中ζ——撞擊力，N；

ξ——彈性模量，Pa；

D——浮體閘的尺寸，m；

v——附體閘的撞擊速度，m/s；

ρ——閘體的密度，kg/m3；

α——撞擊角度，(°)；

Ca——柯西數(shù)。

浮體閘旋轉(zhuǎn)和沉浮過程中需要對(duì)閘體的旋轉(zhuǎn)與沉浮的速度進(jìn)行控制，通過對(duì)浮箱的進(jìn)水量與排水量的控制來調(diào)整閘體旋轉(zhuǎn)角度及高度。浮箱充水供水箱配有溢流裝置和流量計(jì)，能夠精準(zhǔn)地控制供水水位；排水裝置由真空泵、真空度表和閥門等部分構(gòu)成?？紤]到河水的流動(dòng)模型為不可壓縮三維黏性流動(dòng)，因此根據(jù)雷諾時(shí)均方程設(shè)計(jì)了浮體閘定位施工數(shù)學(xué)模型，連續(xù)性方程和動(dòng)力方程組，見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中vi——河水流動(dòng)速度，m/s；

vj——浮體閘移動(dòng)的速度，m/s；

?—求偏導(dǎo)數(shù)符號(hào)。

湍流模型是浮體閘定位施工計(jì)算的重要方法之一，本文使用的水力特性分析模型為渦黏性模式，一般條件下將渦黏性模式劃分為零方程模式和一方程模式。其中零方程模式能夠準(zhǔn)確地判斷出壓強(qiáng)分布的趨勢(shì)，而且模型靈活易用。而一方程模式的使用受到的限制較多，應(yīng)用范圍也不是十分廣泛?？紤]到零方程模型的廣泛運(yùn)用，計(jì)算模型不存在強(qiáng)旋流、浮力流動(dòng)、非等溫以及混合對(duì)流流動(dòng)等問題，采用標(biāo)準(zhǔn)的零方程模型和動(dòng)能k的輸運(yùn)方程，見式(5)：

(5)

關(guān)于耗散率ε的輸運(yùn)方程見式(6)：

(6)

式(5)、式(6)中的vi和Gk分別表示為：

(7)

(8)

σk、σε為系統(tǒng)模型誤差項(xiàng)，c1、c2和cμ分別為系統(tǒng)模型的可變常數(shù)。方程中各穩(wěn)流常數(shù)值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別設(shè)置為σk=1.5、σε=1.3、c1=1.45、c2=1.92、cμ=0.05。浮體閘定位施工中數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域邊界，主要包括分界面、出口和入口等，在模型的兩岸和底部劃分為靜止區(qū)域和運(yùn)動(dòng)區(qū)域。在該邊界上，出口分界面上的流動(dòng)情況對(duì)上游流動(dòng)不會(huì)造成影響。本文設(shè)計(jì)的浮體閘模型，將出口河道與運(yùn)動(dòng)區(qū)域之間的距離設(shè)置為足夠長(zhǎng)，有利于自由出流邊界條件的運(yùn)用。

3 浮體閘定位施工中水力特性研究結(jié)果與分析

以位于徐州市的浮體閘定位施工工程為研究對(duì)象，來驗(yàn)證文中提出的水力特性研究模型的有效性，并對(duì)相關(guān)的研究結(jié)果進(jìn)行分析，浮體閘定位工程的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 浮體閘相關(guān)參數(shù)

浮體閘定位施工中水力特性研究參數(shù)設(shè)計(jì)，主要參照浮運(yùn)法建設(shè)施工中的排水和充水量進(jìn)行，其中閘體下沉?xí)r的排水量為2500L/h，動(dòng)力艙的進(jìn)水流量按4500L/h的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。為使研究的結(jié)果更接近于實(shí)際情況，本文選擇了6種河水流量與流速的組合，見表2。

表2 水位流量組合

基于對(duì)浮體閘旋轉(zhuǎn)和升高的穩(wěn)定性分析可知，在相同的旋轉(zhuǎn)速度和水流速度條件下，浮體閘定位施工的水力特性與浮體閘閘體的質(zhì)量、重心高度及穩(wěn)定性相關(guān)。因此提高閘體的重心、穩(wěn)定性及增加浮體閘的質(zhì)量，都能夠改善浮體閘定位施工的水力特性。試驗(yàn)選擇了3種方案，并采用逐級(jí)增加壓艙的方式進(jìn)行抗傾覆試驗(yàn)觀測(cè)，相關(guān)的參數(shù)設(shè)定見表3。

表3 相關(guān)參數(shù)設(shè)定 單位：m

影響浮體閘旋轉(zhuǎn)阻力水力特性因素包括浮體閘的形狀、旋轉(zhuǎn)速度和其他相關(guān)的外界因素。浮體閘吃水面越大阻力就會(huì)越大，旋轉(zhuǎn)速度越快阻力也會(huì)逐漸地增大，此外河流的水深、溫度等因素也會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)阻力產(chǎn)生一定影響，旋轉(zhuǎn)阻力計(jì)算方法見式(9)：

(9)

式中F——旋轉(zhuǎn)阻力，N；

λF——浮體閘旋轉(zhuǎn)擾流阻力系數(shù)；

ρ′——流體的密度，kg/m3；

A——旋轉(zhuǎn)閘體來自于流體方向的投影面積，m2。

分析不同吃水深度、水流速度和旋轉(zhuǎn)速度下浮體閘的水力特性，上述3個(gè)指標(biāo)與轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩之間的變化關(guān)系見表4。

表4 浮體閘轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩計(jì)算值 單位：萬kN/m

表4中的數(shù)據(jù)顯示，隨著浮體閘轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增加，浮體閘轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩，在相同的吃水深度、水流速度和轉(zhuǎn)速的條件下，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在浮體閘啟動(dòng)的初始條件下，阻力達(dá)到最大值后會(huì)隨著開合角度的增加而逐漸減小。浮體閘開閘時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與水流速度的變化成反比，進(jìn)而在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中緩慢下降。隨著閘體吃水深度的增加，受到的阻力也逐漸增加，轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力越大阻力值下降得越快。表4中的數(shù)據(jù)也顯示，閘體的吃水深度越大阻力增長(zhǎng)得越快，而且呈現(xiàn)出一種非線性的變化趨勢(shì)。

造成這種變化的原因主要是閘體吃水深度的增加突破了河道邊界深度的限制。不同水流速度條件下的數(shù)值變化較為接近，當(dāng)閘體逐漸打開時(shí)，隨著河水流速的增加浮體閘的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力逐漸增大；而浮體閘關(guān)閉時(shí)，水流速度的變化對(duì)閘體啟動(dòng)的阻力不會(huì)產(chǎn)生過大的影響。因此可以總結(jié)出，開閘水流的速度將決定啟動(dòng)力的大小，而關(guān)閘時(shí)水流的速度反而會(huì)帶來反向的作用力；浮體閘轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加同樣也會(huì)帶來更大的阻力，因此要適度控制閘體的轉(zhuǎn)速。水流速度與浮體閘水力特性相關(guān)性曲線見圖2。

圖2 水流速度與浮體閘水力特性相關(guān)性曲線

水流流速的變化與浮體閘定位施工中的水力特性變化密切相關(guān)，總體上呈現(xiàn)出同比例的變化。當(dāng)水流流速超過1.8m/s時(shí)變化趨勢(shì)會(huì)逐漸減弱。這時(shí)浮體閘角度的增加，閘體局部區(qū)域受到的撓動(dòng)值也在增大，也會(huì)影響到浮體閘的阻力矩?？傮w來說，流速分布受到浮體閘開合角度的影響較大，進(jìn)而對(duì)浮體閘定位施工水力特性產(chǎn)生影響。

浮體閘在開啟和關(guān)閉的過程中，受到來自于上游的壓強(qiáng)更大，隨著浮體閘角度變化，來自于上下游的壓強(qiáng)差會(huì)發(fā)生改變，但無論是開啟過程還是關(guān)閉過程，由于上下游的壓差存在，可以將阻力值控制在合理的范圍之內(nèi)，閘體定位的穩(wěn)定性都不會(huì)受到較大的影響。文中相關(guān)的水力特性數(shù)據(jù)表明，浮體閘在定位穩(wěn)定性和安全性方面都表現(xiàn)優(yōu)異，能夠較好地平衡泄洪蓄水與通航之間的矛盾。

4 結(jié) 語

浮體閘在操縱控制方面方便快捷，具有良好的耐用性，定位施工的工期較短，而使用周期相對(duì)更長(zhǎng)，因此發(fā)展前景光明。隨著各種新材料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，浮體閘能夠滿足更多的建筑施工要求，實(shí)現(xiàn)操作控制的自動(dòng)化。