佛山蒲坑水库增设闸门设施不同开度下水力特征研究

韦 晔

(广东华禹工程咨询有限公司，广东 广州 510610)

在原有水利工程基础上新建水工设施，势必会改变原有水流状态，引起局部渗流场变化[1-2]，对结构运营安全性带来较大挑战，因而针对性研究已有水工结构中的拟建设施渗流场演化特征很有必要。闸门是水利工程中控制水流重要设施，其渗流安全性是过闸水流控制得当的必要条件[3-4]。王蓓[5]、徐超奇等[6]、刘昉等[7]根据物理模型试验理论，设计原型试验，并配置以相应的荷载工况，监测获得闸门在不同开度或不同流量工况下渗流演化特征，进而为工程建设提供重要参照。另有王海霞[8]、程国栋[9]利用工程实地监测手段，通过分析声发射、微震等细观数据，判断工程失稳前兆，进而为工程的安全运营及拟建设施的施工提供佐证。虽模型试验结果与细观监测手段可靠性较好，但不可忽视其试验成本较高、耗时周期较长，不利于工程设计的时间有效性，因而刘竹丽等[10]、万宇飞等[11]、梁晓等[12]利用流场仿真计算平台，开发相应的闸门计算模型，研究在不同外荷载边界条件下闸门静、动力场及渗流场特征，为工程设计提供重要依据。本文根据佛山蒲坑水库拟增设水闸设施设计模型，分析在不同开度、来水流量下闸门渗流场演化特征，为工程实际设计、施工提供重要计算参考。

1 工程概况

佛山蒲坑水库是区域内重要水利枢纽工程，承担着地区农田灌溉、防洪蓄水及水产养殖功能，有效灌溉农田面积超过333.33 hm2。由于蒲坑水库近年来防洪蓄水压力增大，泄流能力要求提高，工程管理部门考虑在水库溢洪道增设一弧型钢闸门，在不影响溢洪道现状渗流场前提下，提升蒲坑水库防洪标准。为此，设计部门对蒲坑水库增设闸门在运营中渗流场特征开展仿真分析。

根据拟设闸门基本形态，利用ANSYS-Fluent联合仿真计算平台建立有限元模型，所服从的渗流场计算模型式如式(1)：

Gε+Gb-ρε-YM+Sε

(1)

式中：ρ为渗流场特征参数，kg/m3；ε为渗流场特征参数，无量纲；ui为流速，m/s；xi、xj为运动坐标；μ为运动黏滞系数平均值；μt为某一时刻黏滞系数；t为时间，s；Gε、Gb、YM为水流运动常数；σε为角标ε对应的Prandtl常数；Sε为可变常量。

该闸门模型直径为6.0 m，宽度3.5 m，面板弧度40°，闸门支撑系统为压杆式钢结构，夹角为45°，共有四支臂系统，本文重点研究该闸门在运营期间开度为6 cm、8 cm、10 cm时渗流场特征，并设定来水流量为130 m3/h、150 m3/h。为保障计算结果可靠性，本模型计算范围为闸门上、下游各2 m，采用后倾式底缘体型设计

根据仿真模型的网格单元划分可知，共获得微单元33 686个，节点20 246个，设定渗透糙率参数为0.008。闸门模型中迎、背水侧分别为动力冲击荷载边界与静压边界，底板与侧板均为零自由度边界，顶板设定有法向约束条件[13-14]。基于上述模型设定条件，分析在上游不同来水流量下，运营期闸门各工况下的渗流场特征。

2 不同开度下闸门水流流态特征

2.1 水位变化特征

依据不同开度工况下闸门计算模型，基于Fluent计算获得在各开度运行期间闸门上、下游水位变化特征，图1为上游流量130 m3/h、150 m3/h 时各开度工况的水位变化关系。

图1 各开度工况的水位变化关系

从图1中可知，闸门上、下游水位变化总体均呈“平稳-缓升-速降-平稳”四阶段特征，距闸门上游40～180 cm区间内水位呈现较稳定变化特征，此现象在各开度工况中均是如此。以上游来水流量130 m3/h为例，开度为6 cm时，上游水位稳定在24.7 cm，最大波动幅度不超过1.9%，最低水位出现在距离闸门40 cm处；当开度增大至8 cm 后，上游水位下降，最低水位同样位于闸门40 cm处，各测点的水位平均值为14.8 cm，相比开度6 cm下降低了40.1%，即开度增大后，闸门上游水位下降，控制过闸水流效果显著。当开度为10 cm后，上游水位无显著平稳性，水位最大波动幅度超过6%，平均水位为10.5 cm，相比开度6 cm、8 cm下上游水位降低了57.5%。从整体水位变化可知，当开度增大2 cm，该增设闸门上游水位平均降低29.1%，特别是水位降幅最大出现在开度增大早期，当开度由8 cm增大至10 cm后，上游水位的降幅较稳定。当水流到达闸门附近后，水位出现缓升态势，特别是开度愈大，则水位缓升幅度愈显著，开度6 cm下水位仅缓升了1.5%，而在开度8 cm、10 cm下水位缓升幅度分别为2.6%、7.1%，表明开度愈大，闸门对上游水位限制作用愈弱。当水流过闸门后，水位出现陡降态势，开度6 cm、8 cm、10 cm时降幅分别为84.6%、66.4%、14.6%，开度愈大，水位陡降幅度愈低。进入闸门下游后，水位逐渐趋于平稳，最终在距离闸门下游180 cm处，各工况水位达到一致性，分别为4.5 cm、5.4 cm、9.7 cm。

当上游来水流量增大至150 m3/h后，闸门上、下游水位变化特征与130 m3/h流量工况基本一致，但各开度工况下闸门上游水位显著增高，三个开度工况下上游水位平均值增长了48.6%～79.1%，且过闸断面水位降幅亦高于130 m3/h流量工况，但在闸门下游水位平稳段无较大变化。分析表明，上游来水流量增大后，仅影响闸门上游水位及过闸断面水位降幅，对下游水位平稳段变化无显著影响。

2.2 渗流场流速特征

根据各开度工况下渗流场计算结果，两个来水流量工况下闸门典型开度下渗流场流速演变特征，如图2所示。当来水流量为130 m3/h时，随开度增大，闸门上游底部流速逐渐增大，开度6 cm 时，流速为0.27 m/s，而开度8 cm时流速相比前者增大了91.5%，并在过闸断面后逐渐减小。两开度工况下水流流速矢量线较平滑，特别是在开度8 cm时过闸断面节点处流速逐步增大至1.51 m/s，水流在闸门下游亦较为平缓，即该方案有利于控制下游水流紊动，不出现局部的涡流等现象。当上游来水流量增大至150 m3/h后，上游水流流速矢量线在过闸断面处控制效应较佳，通过水闸流速提升，开度6 cm时上、下游水位流速变幅为3.6倍，且在高来水流量工况下，闸门底缘受冲刷效应仍然保持较好水平，无水力冲蚀引起的流速矢量线滑动等现象[15-16]。综上分析表明，增大上游来水流量仅对闸门上游流速有较小影响，而在闸门下游流速矢量、流速量值几乎无变化；开度变化下引起闸门底缘流速分布演化，对闸门上、下游流速分布无影响。

图2 闸门渗流场流速演变特征

3 不同开度下闸门渗流压强特征

3.1 闸门压强特征

为分析过闸断面水流压强变化特征，设定有8个 测点，各个测点位置关系以测点至底缘位置距离Z与闸门面板弧形长度L之比为衡量参数a，获得各测点压强变化特征，如图3所示。

图3 闸门上压强变化特征

根据对各开度工况下不同来水流量闸门上压强计算，获得闸门上压强受开度、来水流量影响特征，如图4所示。从图中可看出，在三个开度工况中均以高来水流量下的闸门压强为最大。在开度8 cm工况中，来水流量为130 m3/h时，2#测点的压强为1.6 kPa，而来水流量为150 m3/h时同测点的压强较前者增长了5.35倍，从各测点幅度差异来看，开度8 cm工况中，3#测点来水流量130 m3/h与150 m3/h两者间闸门压强最大幅度差异为32倍，各测点间幅度差异分布为2.6～32倍，且6#、7#、8#三个测点的压强一致，为0.028 kPa。而在开度6 cm、10 cm工况中，两个来水流量工况分别有0个、5个测点的压强一致，表明开度增大后，闸门上压强受来水流量影响减弱，且在闸门上部压强逐步一致性分布。开度6 cm 工况中两个来水流量工况下的压强幅度分布为1.12～130.4倍，低开度工况中受来水流量影响，闸门面板压强差异性较大。

图4 闸门动水压强分布特征(流量130 m3/h与150 m3/h)

对比相同来水流量不同开度工况下闸门压强特征可知，高开度工况下闸门压强弱于低开度工况，在来水流量130 m3/h中开度6 cm时3#测点压强为6.93 kPa，而相同流量与测点下开度8 cm、10 cm的压强较前者分别减少了95.9%、99.8%，在该来水流量方案中，各测点在开度8 cm、10 cm的压强相比开度6 cm下降幅分别为70.2%～96.0%、99.5%～99.8%。从闸门底部至顶部压强变化可知，随开度增大，闸门面板上压强差异性逐步减小，来水流量130 m3/h时，在开度6 cm工况中1#～8#测点间压强幅度差异为8.3%～94.0%，而在同一流量开度10 cm工况中各测点间最大幅度差异仅为6.7%～57.0%，表明开度增大，闸门面板上各测点间压强逐步趋于一致性。

3.2 动水压强分布特征

依据渗流场特征参数计算，获得各开度工况下闸门动水压强分布特征，如图7所示。从图中可知，开度6 cm时动水压强分布显著高于开度8 cm、10 cm，在开度8 cm、10 cm 工况中零压强分布区域显著增大，闸门受动水压强影响显著减小。来水流量增大至150 m3/h后，仅改变了闸门底部与中部压强分布，对闸门上部的零压强分布无影响，仍随开度增大，零压强分布区域扩大。分析表明，开度增大，有助于扩大闸门上零压强分布，减弱闸门受动水压力冲击影响，而上游来水流量增大，仅对闸门下部动水压强区域有所影响，提升了压强分布量值。

4 结 论

(1)过闸水流在断面上水位呈“平稳-缓升-速降-平稳”四阶段特征，开度增大，闸门断面处水位陡降幅度愈低，来水流量130 m3/h下开度6 cm、10 cm的降幅分别为84.6%、14.6%，而开度增大，可导致上游水位下降，开度增大2 cm，上游水位平均降低29.1%；上游来水流量增大，上游水位平均值增大，但下游水位差幅较小。

(2)开度增大，闸门上游底部流速逐渐增大，开度8 cm相比开度6 cm下上游底部流速增大了91.5%，闸门上游流速较稳定；来水流量增大后，仅对闸门上游流速有影响，而对下游流速矢量与量值并无影响。

(3)高来水流量下的闸门压强为最大，但开度增大后，闸门上压强受来水流量影响减弱，开度6 cm、8 cm工况中，来水流量130 m3/h与150 m3/h间闸门各测点压强幅度分布为1.12～130.40倍、2.60～32.00倍；高开度工况下闸门压强弱于低开度，且开度增大导致闸门面板上压强差异性减小，逐步趋于一致性。

(4)开度愈大，动水压强愈低，且零压强分布区域扩大；上游来水流量增大，仅影响闸门下部动水压强量值。