傅宗甫,殷曉錦,顧曉峰

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.蘇州市太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江蘇蘇州 215128)

浮體閘動(dòng)水沉浮過(guò)程水力特性

傅宗甫1,殷曉錦1,顧曉峰2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.蘇州市太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江蘇蘇州 215128)

為了解新型浮體閘在動(dòng)水中沉浮過(guò)程的水力特性,基于水力學(xué)模型試驗(yàn),分析了水艙進(jìn)(排)水量、浮體閘沉浮速度、抗傾覆特性及浮體閘對(duì)底板的撞擊力變化,提出了傾覆率的概念,推導(dǎo)了浮體閘靜水沉浮速度公式,并與動(dòng)水沉浮實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較與分析,研究了浮體閘傾覆率與壓艙的關(guān)系,得到了最大撞擊力與進(jìn)水流量的關(guān)系。結(jié)果表明:試驗(yàn)范圍內(nèi)浮體閘的沉浮速度受河道水位及流速的影響較小;增加壓艙可有效減小傾覆率,最大撞擊力與進(jìn)水流量成冪函數(shù)關(guān)系;通過(guò)增加壓艙及減小進(jìn)水流量的方式可以提高浮體閘的沉浮安全性。

浮體閘;沉浮;傾覆;抗傾覆;撞擊力;水力特性;水力學(xué)模型試驗(yàn)

傳統(tǒng)形式的水閘由于采用截?cái)嗪恿鞯膰呤┕?、閘孔寬度小(一般小于12 m)、上部結(jié)構(gòu)龐大以及運(yùn)行方式等原因,對(duì)通航、生態(tài)環(huán)境及景觀的影響日益加劇,在平原經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)尤為突出[1-3]。大跨度新型閘門(mén)可以在工廠制作預(yù)安裝和現(xiàn)場(chǎng)安裝,采用不斷航施工工藝,可以兼顧防洪、通航、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和景觀等功能,在我國(guó)平原地區(qū)的河流防洪工程中已逐步得到推廣。目前大跨度新型閘門(mén)的主要形式有浮體閘(門(mén))、平面雙開(kāi)弧形閘門(mén)和臥倒式閘門(mén)3種。大跨度新型閘門(mén)的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎、跨度大、運(yùn)行方式獨(dú)特,在閘門(mén)控制運(yùn)行時(shí),以門(mén)頂或兩扇門(mén)之間的門(mén)縫過(guò)流代替了傳統(tǒng)閘門(mén)的門(mén)底出流[4-5]。但是,大跨度新型閘門(mén)水流條件復(fù)雜,許多新的水動(dòng)力問(wèn)題需要研究[6-7]。例如由于跨度大,閘門(mén)的受力呈數(shù)量級(jí)倍數(shù)增加;浮體閘需要突破規(guī)范規(guī)定只能在靜水或者流速很小水域中使用的限制,要求靠自身在動(dòng)水中穩(wěn)定沉浮[8-9];還可能由于下沉速度過(guò)快而撞擊底板,定位轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)力艙容量難以計(jì)算確定等。因此開(kāi)展對(duì)大跨度新型閘門(mén)水動(dòng)力特性的研究,解決閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,確保閘門(mén)安全運(yùn)行,對(duì)于新型閘門(mén)的推廣使用是非常必要的。此外,浮體閘施工中的下沉速度、穩(wěn)定性及撞擊力等也是這類(lèi)閘門(mén)施工安裝中的重要參數(shù)。

浮體閘屬于浮體式結(jié)構(gòu),浮體式結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性研究目前主要集中在波浪對(duì)浮體的作用及阻力[10-11]、浮體的動(dòng)力響應(yīng)[12]、多浮體縫隙對(duì)波浪力的影響[13]和浮體的振動(dòng)特性[14]等幾方面。浮體閘是在傳統(tǒng)浮箱式閘門(mén)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,是一座可以浮動(dòng)的旋轉(zhuǎn)啟閉式水閘,非汛期浮體閘浮于專(zhuān)門(mén)的門(mén)庫(kù)內(nèi),處于不礙航狀態(tài),可以全河道通航(圖1(a));汛期利用動(dòng)力艙將浮體閘繞定位中樞牽引就位(圖1(b)),然后利用浮體閘自身的充排水設(shè)備充水下沉,利用其浮箱上部的臥倒門(mén)控制水流;汛期過(guò)后排水上浮,將浮體閘牽回門(mén)庫(kù)[15-16]。本文以實(shí)際防洪控制工程目前凈尺寸為亞洲最大的某新型大型浮體閘(長(zhǎng)64 m、寬10 m、總高8.5 m,甲板至底部的浮箱高度4.2m,浮箱對(duì)稱(chēng)分成4個(gè)水艙)為研究對(duì)象,通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn),對(duì)浮體閘沉浮過(guò)程中的水力特性進(jìn)行全面的分析和研究,為浮體閘的安全控制運(yùn)行提供參考依據(jù)。

圖1 浮體閘工作原理示意圖

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

浮體閘沉浮過(guò)程中,需對(duì)浮體閘的浮性、穩(wěn)定性(傾斜情況)、對(duì)底板的撞擊力進(jìn)行觀測(cè)與控制。穩(wěn)定性不但與浮體閘的質(zhì)量、重心高度、內(nèi)外部幾何形狀有關(guān),還與動(dòng)水壓力、水流剪切力、下游門(mén)槽摩阻力有關(guān)[15,17-19],模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。撞擊力的試驗(yàn)中,為了保證工況相似,模型還需滿(mǎn)足以下相似準(zhǔn)則[20-21]:

其中

式中:Fz為撞擊力;E為浮體閘的彈性模量;L為浮體閘的特征尺寸;v為浮體閘的撞擊速度;ρ為浮體閘的質(zhì)量密度;θ為撞擊角度;Ca為柯希數(shù)。本文試驗(yàn)的浮體閘模型幾何比尺采用1∶15,圖2為浮體閘模型布置示意圖。

圖2 浮體閘模型布置示意圖

浮體閘沉浮試驗(yàn)中需要對(duì)沉浮速度進(jìn)行控制,為此需對(duì)浮體閘浮箱的進(jìn)(排)水流量進(jìn)行控制。充水下沉控制采用帶溢流裝置的供水箱,以自流方式向浮箱各艙充水,由浮子流量計(jì)(測(cè)量精度為1%)對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)控;排水上浮則由真空泵、水氣分離器、真空度表、閥門(mén)等組成的系統(tǒng)進(jìn)行控制,通過(guò)控制水氣分離器上部的真空度來(lái)達(dá)到控制排水流量的目的,圖3為模型浮體閘沉浮控制設(shè)備平面布置圖。

圖3 浮體閘模型沉浮控制設(shè)備平面布置

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

1.2.1 進(jìn)(排)水流量及水位、流量組合

沉浮試驗(yàn)參數(shù)主要參照浮運(yùn)法施工工程的充排水設(shè)計(jì),下沉過(guò)程中模型進(jìn)水流量按4 400 L/h控制,上浮過(guò)程模型排水流量為2200L/h,為了解河道水位及來(lái)流量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,下沉和上浮試驗(yàn)中分別選擇了兩種水位、流量組合(表1)。

表1 浮體閘沉浮試驗(yàn)水位、流量組合

1.2.2 抗傾覆特性試驗(yàn)壓艙方案參數(shù)

根據(jù)關(guān)于浮體閘的穩(wěn)定性分析[8]可知,當(dāng)水流條件相同時(shí),浮體閘的抗傾覆特性(穩(wěn)定性)與浮體閘的質(zhì)量與重心高度密切相關(guān),浮體閘抗傾覆特性試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)逐漸增加浮體閘的質(zhì)量(壓艙)同時(shí)降低重心高度來(lái)觀察浮體閘的抗傾覆性能。試驗(yàn)在方案1(浮體閘總質(zhì)量1 221 kg,重心高度2.495 m,吃水深度為1.956 m)的基礎(chǔ)上采用逐級(jí)增加壓艙的方法進(jìn)行抗傾覆試驗(yàn)觀測(cè),浮體閘各壓艙方案的主要參數(shù)列于表2。鑒于浮體閘沉浮穩(wěn)定性的重要性以及水流參數(shù)的隨機(jī)變化特性,分別對(duì)各種方案的兩種下沉和上浮水位、流量組合進(jìn)行10次重復(fù)沉浮試驗(yàn)。

表2 浮體閘各壓艙方案主要參數(shù)

1.2.3 撞擊力傳感器安裝尺寸

為了全面觀測(cè)浮體閘下沉?xí)r對(duì)底板的撞擊作用,在浮體閘定位后相應(yīng)的底板4個(gè)頂點(diǎn)上安裝了4個(gè)撞擊力傳感器(測(cè)量精度2%～3%),來(lái)測(cè)量其下沉后對(duì)底板的撞擊作用,傳感器安裝尺寸見(jiàn)圖4。

圖4 撞擊力傳感器安裝位置(單位:m)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水艙進(jìn)(排)水量

水艙的進(jìn)(排)水量與吃水深度的變化關(guān)系可以為浮體閘的進(jìn)(排)水控制提供依據(jù)。圖5為浮體閘下沉及上浮過(guò)程中吃水深度與進(jìn)(排)水量之間的關(guān)系?？梢钥闯?兩種沉浮水位、流量組合下,浮體閘在吃水深度4.2 m(甲板平水面位置)附近進(jìn)(排)水量曲線(xiàn)都出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),在吃水深度4.2 m以上及以下,浮體閘的進(jìn)(排)水量與吃水深度均呈線(xiàn)性變化,吃水深度4.2 m以上及以下直線(xiàn)的斜率k約分別為600和166。理論上直線(xiàn)的斜率等于浮體閘水線(xiàn)面面積(浮體閘吃水線(xiàn)圍成的面積),上述結(jié)果表明在吃水深度4.2 m附近浮體閘的水線(xiàn)面面積出現(xiàn)突變,這與浮體閘甲板以下部分水線(xiàn)面面積大(600 m2)、上部結(jié)構(gòu)水線(xiàn)面面積小(166 m2)的外形結(jié)構(gòu)是相符的。

圖5 浮體閘吃水深度與進(jìn)(排)水量的關(guān)系

2.2 浮體閘沉浮速度

浮體閘在靜水中沉浮時(shí),設(shè)t1、t2時(shí)刻浮體閘對(duì)應(yīng)的吃水深度分別為h1和h2,浮箱進(jìn)(排)水流量為Q,浮體閘水線(xiàn)面面積為A,則根據(jù)浮體閘的受力平衡原理可得:

即

式(3)左邊就等于浮體閘的沉浮速度v,因此浮體閘在靜水中沉浮時(shí),其沉浮速度僅取決于浮箱進(jìn)(排)水流量和浮體閘水線(xiàn)面面積A。

動(dòng)水沉浮試驗(yàn)中通過(guò)觀測(cè)浮體閘沉浮過(guò)程中閘底高程隨時(shí)間的變化得到浮體閘動(dòng)水沉浮速度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),下沉過(guò)程在甲板未入水以前,浮體閘下沉較慢,下沉速度約1.6 mm/s;當(dāng)甲板入水以后,浮體閘下沉較快,測(cè)得下沉速度約6.5 mm/s。上浮過(guò)程則相反,在浮體閘甲板出水面以前,浮體閘上浮較快(上浮速度約3.2 mm/s);而甲板出水面以后上浮速度較慢(上浮速度約0.8 mm/s),圖6為浮體閘沉浮速度與吃水深度的關(guān)系。

從圖6可以看出,浮體閘動(dòng)水沉浮速度與靜水計(jì)算結(jié)果基本一致,即浮體閘動(dòng)水沉浮速度只與浮體閘浮箱進(jìn)(排)水流量和浮體閘水線(xiàn)面面積有關(guān),而與河道來(lái)流情況及水位、流量組合沒(méi)有關(guān)系。

2.3 抗傾覆特性

為了衡量浮體閘的抗傾覆特性(穩(wěn)定性),定義浮體閘各方案傾覆次數(shù)與沉浮試驗(yàn)次數(shù)的比值為該方案的傾覆率εq,浮體閘的質(zhì)量比δ為各壓艙方案浮體閘總質(zhì)量與方案1浮體閘總質(zhì)量的比值,根據(jù)沉浮試驗(yàn)記錄計(jì)算的各壓艙方案傾覆率εq與浮體閘質(zhì)量比δ的關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖6 浮體閘吃水深度與沉浮速度的關(guān)系

圖7 傾覆率與浮體閘質(zhì)量比的關(guān)系

圖7表明,浮體閘的傾覆率與壓艙的關(guān)系密切,增加壓艙可以有效減小傾覆的概率。理論上河道的流速對(duì)傾覆率會(huì)有影響,但是在試驗(yàn)范圍內(nèi)的4種河道流速條件下測(cè)得的傾覆率基本滿(mǎn)足一種函數(shù)關(guān)系,說(shuō)明一定范圍的流速變化對(duì)傾覆率的影響不大。將傾覆率與浮體閘質(zhì)量比(范圍1～1.55)的關(guān)系進(jìn)行擬合,可以得到:

從式(4)可以看出,當(dāng)εq＞0時(shí),浮體閘有傾覆的危險(xiǎn);當(dāng)εq≤0時(shí),浮體閘處于穩(wěn)定狀態(tài)。εq=0時(shí)的δ為浮體閘穩(wěn)定所需的最小浮體閘質(zhì)量比。

2.4 底板撞擊力

試驗(yàn)中觀測(cè)了不同閘門(mén)自重、不同閘門(mén)總質(zhì)量(閘門(mén)自重加進(jìn)水量)、不同進(jìn)水量(浮體閘將要下沉到底時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥時(shí)的進(jìn)水量)和改變進(jìn)水流量情況下的底板撞擊力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),進(jìn)水流量對(duì)底板撞擊力的影響顯著,圖8為進(jìn)水流量與底板最大撞擊力的關(guān)系,可見(jiàn),浮體閘對(duì)底板的撞擊力與進(jìn)水流量呈正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明可以通過(guò)減小進(jìn)水流量的方式來(lái)減小底板的撞擊力。

圖8 浮體閘下沉過(guò)程底板最大撞擊力與進(jìn)水流量的關(guān)系

利用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合,可以得到如下的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:Fmax為浮箱底板最大撞擊力,kN;Q為浮箱總進(jìn)水流量(4個(gè)水艙進(jìn)水流量之和),m3/s,試驗(yàn)范圍為1～3m3/s。從式(5)和圖7可以看出,當(dāng)進(jìn)水流量減小到接近零時(shí),底板最大撞擊力即為最小的撞擊力。

3 結(jié) 論

a.浮體閘的進(jìn)(排)水量與吃水深度以甲板入(出)水面為轉(zhuǎn)折點(diǎn)分段呈線(xiàn)性關(guān)系。

b.本文試驗(yàn)條件下浮體閘動(dòng)水沉浮速度與靜水條件基本一致,即浮體閘動(dòng)水沉浮速度主要與浮體閘浮箱進(jìn)(排)水流量和水線(xiàn)面面積有關(guān),而與河道來(lái)流流量(流速)及水位、流量組合關(guān)系不大。

c.浮體閘的傾覆率與壓艙的關(guān)系密切,增加壓艙可以有效減小傾覆的概率,傾覆率等于零時(shí)得到的就是動(dòng)水穩(wěn)定所需最小的浮體閘質(zhì)量比。

d.浮體閘的最大撞擊力與進(jìn)水流量呈冪函數(shù)關(guān)系,減小進(jìn)水流量可以減小撞擊力,當(dāng)進(jìn)水流量減小到接近零時(shí),可以得到底板的最小撞擊力。

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Hydraulic characteristics of floating sluices subsiding and buoying in flowing water//

FU Zongfu1,YIN Xiaojin1,GU Xiaofeng2
(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Taihu Water Planning and Designing Institute,Suzhou 215128,China)

In order to know the hydraulic characteristics of a new type of floating sluice in subsiding and buoying in flowing water hydraulic experiments in laboratory have been conducted.For achieve this goal,we analyzed the variations such as water filling and displacement of water tank,subsiding and buoying speed,characteristics of anti-overturning,and impact forces with river bottom.The overturning rate has been put forward,the formula for floating sluice subsiding or buoying speed in still water was derived and compared with the measured value in flowing water.The relation between overturning rate and ballasting was studied and the relation between maximum impact force and mass flow of water filling was obtained. The water level and velocity of river flow have small influence on subsiding and buoying speed in the experiment range. Increasing ballasting can decrease overturning rate,and the maximum impact force is power function with mass flow of water filling.We can improve safety of floating sluice by means by increasing ballasting and decreasing mass flow of water filling.

floating sluice;subsiding and buoying;overturning;anti-overturning;impact force;hydraulic characteristics; hydraulic model test

TV663+.5

:A

:1006-7647(2014)05-0024-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.005

2014-0504 編輯:熊水斌)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51279048);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011744)

傅宗甫(1966—),男,浙江青田人,副教授,博士,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:zffu@hhu.edu.cn