貝建忠，牟 毅

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510290)

齒型構(gòu)件混合堤是長江南京以下深水航道一期工程太倉—南通段采用的一種新型構(gòu)件混合堤，工程位置水流漲落潮流速1.3～1.4 m/s，漲、落潮流向角分別約300°、139°。該新型構(gòu)件混合堤具有導(dǎo)流、減流、抗浪、擋沙固灘及便于施工等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但其應(yīng)用和研究均處于初期階段，其結(jié)構(gòu)形式、受力機(jī)理與常規(guī)的導(dǎo)流堤、止水堰壩或者繞流單體結(jié)構(gòu)物有所不同，關(guān)于齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力的計算，目前沒有相關(guān)的理論或經(jīng)驗(yàn)公式，有待進(jìn)一步研究。

本文借助CFX流體計算軟件，對齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并控制單一變量，分析入射流速、入射角度、堤高及水深等因素對翻壩水流力的影響，深入分析齒型構(gòu)件混合堤在水流作用下的受力機(jī)理。

1 基本理論

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[3]普遍采用的水流力的理論計算公式：

(1)

Cw=C′mn

(2)

式中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Cw為水流阻力系數(shù)；A為計算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積(m2)；C′、m、n分別為斷面形狀、水流流向、淹沒深度影響系數(shù)；v為水流設(shè)計流速(m/s)；ρw為水密度(t/m3)。

該理論公式為常規(guī)的水流力計算公式，主要適用于計算繞流阻力，而不適用于翻壩水流力的計算。但通過分析常規(guī)水流力計算公式中各參數(shù)，可以初步確定翻壩水流力的影響因素，即斷面形式、入射流速、入射角度以及淹沒深度。又結(jié)合該齒型構(gòu)件混合堤的自身特點(diǎn)(混凝土齒型構(gòu)件混合潛堤)，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒型構(gòu)件尺寸一定時，齒型構(gòu)件的淹沒深度由水深條件及構(gòu)件下方鋪設(shè)的基床厚度決定，故定義一個新的影響因子：相對堤高p/h(其中p為堤身高度，為齒型構(gòu)件高度p0和構(gòu)件下方鋪設(shè)的基床厚度p1之和，h為水深)，分析其對翻壩水流力的影響。

2 翻壩水流數(shù)值分析

2.1 模型建立

使用CFX軟件建立數(shù)值水槽，對齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力進(jìn)行三維數(shù)值模擬。齒型構(gòu)件混合堤的三維數(shù)值模型、模型尺寸、齒型構(gòu)件的平面圖和立面圖分別如圖1～3所示。

圖1 三維數(shù)值模型

圖2 模型尺寸(單位：m)

圖3 齒型構(gòu)件(單位：mm)

2.2 邊界條件

1)設(shè)置流體入口、出口及頂部空氣出口為Opening邊界；2)垂直于堤身軸線方向的流體兩側(cè)邊界設(shè)置為Symmetry邊界；3)模型底部邊界設(shè)置為Wall邊界[4-5]。模型邊界條件設(shè)置如圖4所示。

圖4 邊界條件

2.3 翻壩水流流場及壓力場

典型的翻壩水流流場及壓力場分布如圖5所示。

圖5 翻壩水流流場及壓力場分布

3 翻壩水流力影響因子分析

3.1 入射流速

分別針對不同的入射流速0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m/s，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構(gòu)件上的水流力，分析不同入射流速對翻壩水流力的影響。

通過流體體積(volume of fluid，VOF)方法，追蹤自由液面的變化過程，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[6]，不同入射流速情況下，翻壩水流自由液面變化如圖6所示，堤身前后自由液面差與入射流速關(guān)系曲線如圖7所示，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力與入射流速的關(guān)系如圖8所示。

圖6 不同入射流速翻壩水流自由液面

圖7 堤身前后自由液面差與入射流速關(guān)系曲線

圖8 翻壩水流力與入射流速關(guān)系曲線

分析翻壩水流自由液面與入射流速的關(guān)系曲線，以及翻壩水流力與入射流速的關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1)入射流速較小時，堤前沒有明顯壅水；隨著入射流速越來越大，堤前壅水越高，堤后水跌越大，即堤身前后自由液面差越大，導(dǎo)致作用在齒型構(gòu)件上的靜水壓力差也越大。而且當(dāng)入射流速較小時，堤身前后自由液面差與入射流速近似成平方關(guān)系；當(dāng)入射流速超過某一限值(本模型尺度條件下為2 m/s)后，堤身前后自由液面差與入射流速近似成正比關(guān)系。

2)入射流速越大，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力越大。入射流速較小時，翻壩水流力與入射流速近似成平方關(guān)系；當(dāng)入射流速超過某一限值(本模型尺度條件下為2 m/s)后，翻壩水流力與入射流速近似成正比關(guān)系。

進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，翻壩水流力由兩部分組成：一部分是水流的動水壓力；另一部分是由于堤身前后自由液面差引起的靜水壓力。當(dāng)入射流速比較小時，堤身前后液面差較小，翻壩水流力主要是動水壓力，此時，翻壩水流力和入射流速的關(guān)系與常規(guī)的水流力計算公式(1)類似，即水流力與入射流速成平方關(guān)系；隨著入射流速逐漸增大，堤身前后的自由液面差逐漸增大，導(dǎo)致靜水壓力差也逐漸增大，此時翻壩水流力主要由動水壓力和堤身前后靜水壓力差組成，翻壩水流力與入射流速近似成正比關(guān)系。

3.2 入射角度

分別針對不同的入射角度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構(gòu)件上的水流力，分析不同入射角度對翻壩水流力的影響。不同入射角度情況下，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力與入射角度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 翻壩水流力與入射角度關(guān)系曲線

分析翻壩水流力與入射角度的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，翻壩水流力隨水流入射角度的增大而增大。主要因?yàn)槿肷浣嵌仍酱?，水流在垂直于堤身軸線方向的速度分量越大，由3.1節(jié)分析不難發(fā)現(xiàn)，較大的速度分量最終導(dǎo)致了作用在齒型構(gòu)件上的動水壓力和堤身前后靜水壓力差也越來越大。

規(guī)定α為水流入射方向與堤身軸線的夾角，若假定α=90°時，入射角度影響系數(shù)為1.0。則各入射角度對應(yīng)的影響系數(shù)見表1。

表1 角度影響系數(shù)

3.3 相對堤高

影響相對堤高的因素有2個：水深h和堤身高度p(=p0+p1)，采取控制單一變量法，分別針對不同的水深h和基床厚度p1進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同相對堤高對翻壩水流力的影響。

3.3.1不同水深分析

分別針對不同的水深6.3、8、9、10、11、12、13、14 m(對應(yīng)的相對堤高分別為1.000、0.788、0.700、0.630、0.573、0.525、0.485、0.450)，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構(gòu)件上的水流力，分析水深對翻壩水流力的影響。不同水深情況下，翻壩水流力與相對堤高的關(guān)系見圖10。

圖10 翻壩水流力與相對堤高(不同水深)關(guān)系曲線

3.3.2不同堤高分析

為了方便對比，不改變齒型構(gòu)件的尺寸(即p0為定值)，僅通過改變齒型構(gòu)件下方基床厚度p1調(diào)整堤高，分別針對基床厚度0、0.7、1.4、2.1、2.8、3.5、5.5 m(對應(yīng)的相對堤高分別為0.389、0.467、0.544、0.622、0.700、0.778、1.000)，通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構(gòu)件上的水流力，分析堤高對翻壩水流力的影響。不同基床厚度情況下，翻壩水流力與相對堤高的關(guān)系如圖11所示。

圖11 翻壩水流力與相對堤高(不同基床厚度)關(guān)系曲線

綜合分析圖10、11可發(fā)現(xiàn)，無論是改變水深還是改變堤高，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力隨相對堤高的變化趨勢類似，都是隨相對堤高的增大而增大；關(guān)系曲線的斜率均是先增大后減小，相對堤高p/h在0.700附近時，曲線斜率最大，即相對堤高在該位置附近變化時，其對作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力影響最大。主要因?yàn)橄鄬Φ谈咴酱?，有效過流斷面積越小，堤頂流速越大，作用在堤身上的動水壓力越大；與此同時，相對堤高越大，堤身壅水效果越明顯，堤身前后自由液面差越大，導(dǎo)致堤身兩側(cè)的靜水壓差也越大。

將兩條關(guān)系曲線繪制于同一坐標(biāo)系，見圖12?？砂l(fā)現(xiàn)，兩條關(guān)系曲線的變化趨勢基本相同，但不完全重合。p/h<0.70時，兩條曲線基本重合，即表明在本模型尺度下，相對堤高小于0.70時，改變水深或基床厚度，對作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力的影響效果相當(dāng)；當(dāng)相對堤高p/h>0.70時，基床厚度的變化對翻壩水流力的影響更大，這主要是因?yàn)檩^厚的拋石基床對水流有明顯的挑流作用，導(dǎo)致作用于齒型構(gòu)件上的流速較大，翻壩水流力也更大。

圖12 翻壩水流力與相對堤高關(guān)系曲線

4 結(jié)語

1)翻壩水流力既包含水流的動水壓力，也包含堤身前后自由液面差引起的靜水壓力差。

2)隨著水流入射流速的增大，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力越大，當(dāng)流速較小時，翻壩水流力與入射流速近似成平方關(guān)系，當(dāng)流速超過某一限值(本模型尺度條件下約為2 m/s)，翻壩水流力與入射流速近似成正比關(guān)系。

3)隨著水流入射角度的增大，垂直于堤身軸線方向的速度分量越大，從而導(dǎo)致作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力越大。

4)隨著相對堤高的增大，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力越大，且相對堤高對翻壩水流力的影響有個敏感值(本文模型尺度條件下，相對堤高的敏感值約為0.7)，相對堤高在該值附近變化時，對翻壩水流力的影響最大，當(dāng)相對堤高超過該敏感值后，齒型構(gòu)件下方的拋石基床對水流有明顯的挑流作用，導(dǎo)致作用于堤身上的流速較大，翻壩水流力也更大。