泄洪闸门结构体型对水力特征与水沙演变影响研究

何妙妙，仇辰焕

（1.苏州市吴中区水利工程建设管理所，江苏 苏州 215104；2.苏州市吴中区防汛防旱信息中心，江苏 苏州 215104）

1 引言

苏南地区水资源丰富，但时空分布不均一直困扰着水利工程师，有效调度苏南地区水资源乃是提升水利安全性的重要举措。确保水利枢纽设施安全高效运营离不开闸门结构，作为水利设施中控制水流的重要水工结构，其设计体型对静力稳定性[1]、渗流活动[2]及冲淤排沙[3]等均具有重要影响，因而研究闸门结构体型在不同工况荷载下水力特征影响变化具有重要意义。王蓓[4]、张笮娜等[5]、周永昌[6]根据模型试验方法，设置原型复制比尺参数，完成溢洪道、闸门及消能池等不同类型的水工结构室内模型试验，基于模型试验数据探讨水工结构设计优化，为实际工程建设提供试验支撑。模型试验作为一种精度高、可靠性大、研究成果丰富的研究方法，其所获得的水工结构水力特征、静力稳定性特征均有借鉴之处。而数值仿真同样可以高效解决复杂工程的静、动力稳定场及域内渗流场问题，已有一些学者引入ANSYS、COMSOL、ABAQUS等有限元仿真手段建立水工结构计算模型，通过对水工模型模拟施加不同荷载计算，探讨例如闸门、水工挡墙及闸墩等结构的水力特性或断面泥沙悬浮变化特征[7-9]，从而作为工程设计依据。基于苏南拟建工程泄洪闸门的压杆支臂结构体型设计方案优化问题，以面板支臂系统作为结构体型差异点，针对性研究体型设计对水力特征影响，采用ABAQUS仿真平台建立计算模型，并利用FLUENT渗流场模拟平台计算获得流场内水力特征及水沙演变特征，由此探讨闸门体型设计方案对水沙特征及静力特性影响特性，为拟建闸门的设计优化提供参考。

2 工程仿真

2.1 工程概况

苏州河上游地区拟建一小型水库枢纽工程，设计最大库容量为450万m3，包括有引水工程、溢洪道、防洪大坝及泄洪闸等水工设施。

主坝作为防洪重要结构，设计坝顶高度为35.8m，顶宽度为2.6m，沿轴线长度为525m，采用混凝土重力式大坝与土石坝组合形式，其中混凝土坝体占据主坝80%；

土石坝采用壤土堆筑料分层压实，目前监测所获得的土石坝最大沉降不超过20.5mm，土坝迎水面设计采用混凝土与植物网格护坡，确保绿色化与防渗效果兼有，而混凝土主坝采用防渗面板与排水结构相结合方式，减少坝身内渗流活动，确保坝体防洪效果。

引水工程乃是水库发挥其蓄水调度、灌溉及排涝等重要作用的前提，采用联动式引水泵站作为提水动力系统，设计枯水期最大可满足提水量5.6万m3/d，有效解决枯水季水资源短缺问题。

溢洪道乃是水库工程泄流运营中重要一环，设计溢洪道堰顶高度为33.5m，设计最大泄流量为125m3/s，溢流面设计有弧形阶梯式消能梯，中部断面共有22级溢流阶梯，有效减缓水力冲刷作用。溢洪道与下游挡土墙构成了防冲消能设施，建设溢洪道堰底宽度为3.5m，可满足不同水利环境下泄流运营，特别是减缓上游大流量对泄洪闸、输水管道等冲刷作用。泄洪闸乃是苏州河上游拟建水库的重要水利控制枢纽，其运营稳定性关乎着溢洪道泄流量是否能够适配下游消能结构，特别是泄洪闸门的结构设计，对泄洪闸过闸流量的控制具有举足轻重的作用。

根据前期对不同类型泄洪闸门结构设计调研得知，泄洪闸门应设置相应的抗动水压力冲击作用的支臂压杆系统，增强闸门面板结构抗拉特性，如图1所示为典型压杆支臂系统弧形钢闸门，这也是本工程中泄洪闸主要应用对象。另一方面，支臂压杆系统的设置是否会影响过闸水流的水力特性、水沙演变，这也是水利工程师应考虑的问题。

图1 压杆支臂系统弧形钢闸门

2.2 研究方法——仿真设计

本文利用ABAQUS建立泄洪闸有限元模型[10]，如图2所示，经划分网格后获得网格单元共325 826个，节点数268 252个，该模型简化了与泄洪闸结构无关的水利设施，便于结构计算分析。该模型设定闸底为固定边界条件，顶部为无法向自由度边界条件，两侧壁为光滑接触条件，全模型设定有动、静水压力荷载及结构自重。

图2 泄洪闸整体模型

针对泄洪闸门结构，本文设定有无支臂压杆系统、双压杆支臂系统及四压杆支臂系统三种结构体型方案，图3为其中双压杆支臂系统闸门整体模型概念图，该模型共获得微单元体达626 384个。三种结构体型方案中闸门底缘均为后倾45°，面板厚度均设定为0.6m，直径为2.6m，采用FLUENT进行模型边界与荷载设定，三种结构体系方案的计算精度确保一致，此设计参数均与拟建工程的泄流量设计相匹配适应，本文仅改变压杆支臂结构设计，研究支撑结构体系对水沙效应及静力特征影响。由于模型中闸门主要为泄流功能，因而闸门开度也是影响水沙特征的关键，故本文设定闸门开度分别为设计标准值的40%、60%、80%、100%，即开度值分别为0.4m、0.6m、0.8m、1m，三种闸门结构体型方案下均设定上游流量为100m3/s、150m3/s，研究范围设计泄洪闸过闸口上、下游分别2.5m区域内。在研究不同开度或流量工况下，压杆支臂结构系统对过闸水流的水力特征、含沙量变化影响，并结合结构设计分析，评价压杆支臂体系对闸门结构静力特征影响。

图3 压杆支臂结构闸门模型概化图

3 闸门结构与水力特性关系

3.1 水位特征

根据对不同开度下三种闸门结构体型方案进行水力特征计算，获得不同开度下过闸水流中水位变化特征，如图4所示。从图中可知，不论是何种闸门结构体型，全断面上水位均在上、下游处于稳定状态，但在过闸口处出现显著陡降，此与闸门对过流限制作用有关。对比三种不同结构体型闸门下水位降幅可知，在相同开度0.4m工况中，过闸口水位降幅最显著属四压杆支臂系统闸门结构，该体型方案下降幅最大可达86.1%，而无压杆支臂系统水位降幅最低，仅为21.2%；相比之下，上游稳定阶段中水位最高为四压杆支臂闸门，其在开度0.4m工况中上游水位平均值为4.36m，而无压杆与双压杆支臂闸门结构体型下上游水位平均值较之分别减少了6.7%、44.5%；由此可知，四压杆支臂闸门对水流控制效果最佳，而无压杆结构体型闸门对水流控制效果不理想，不利于泄洪闸安全有效泄流运行。当开度增大至0.8m后，三种闸门结构体型间水位对比差异依然如此，但开度增大后，泄洪闸上、下游水位均有增长，双压杆支臂闸门在开度0.8m下水位平均值为7.46m，较之开度0.4m下增大了83.3%，且过闸口水位降幅也增大至78.6%。分析表明，开度增大，上游泄洪闸泄流口进水面积增大，而下游口在水位保持较为低水力势能下，此会导致导致过闸口水流降低更为显著。从三种闸门结构体型对水流控制效果来看，四压杆支臂闸门对水流控制效果最佳，但不可忽视该体型闸门的过闸口上、下游稳定段水位波幅较大，开度0.4m下四压杆支臂系统在上游稳定段中水位波幅最大可达4.5%，而开度0.8m工况中下游稳定段中最大波幅可达5.5%；相比之下，双压杆支臂闸门对水位控制效果与四压杆下相差无几，开度0.4m、0.8m工况中下游稳定段中平均水位分别为1.03m、1.61m，较之四压杆支臂系统平均水位仅有0.35m、0.46m差幅，该结构体系对水位稳定性控制更理想，有助于削弱水力冲刷影响[11]。

图4 各断面上水位变化特征

3.2 面板压强特征

面板乃是直接承受水力势能作用，研究面板压强特征有助于分析不同闸门结构体型下水力特征影响，图5为面板上所设定的8个测点，分别以闸门底板距离至面板上所在高程为控制点，进而计算获得面板各控制点压强特征。

图5 计算测点示意图

图6为两个典型开度工况下三种支臂闸门结构体型下面板压强变化特征。从图中可知，不论是开度0.4m亦或是开度0.8m，压强最低均为双压杆支臂闸门，在开度0.4m工况中各测点压强分布为0.23—12kPa，平均压强为4.55kPa，而无压杆、四压杆支臂闸门在该开度下压强分布较前者分别增大了0.96—10.1倍、0.64—3.41倍，平均压强分别增长了2.14倍、1.22倍。当开度增大后，三种结构体型方案下的压强水平均降低，四压杆支臂闸门在开度0.8m下平均压强为8.92kPa，较开度0.4m下降低了37.6%，而无压杆支臂闸门面板压强分布较开度0.4m下减少了45.3%；双压杆式支臂闸门面板压强甚至在第6个测点达到“零”压强效应；开度增大的同时，三种闸门结构体型方案下的面板压强差异性减小。分析认为，开度增大后，水力势能快速转换成动能，面板上压强降低[12]，而双压杆支臂结构下对压强控制效果更佳，水力势能转换更充分，进而出现“零压强”效果。

图6 闸门上压强变化特征

4 运营年限内含沙量特征

泄流口含沙量变化特征反映了闸门结构体型对水沙演变影响，图7为三种压杆支臂结构体型下过闸口上、下游断面上含沙量变化特征。

图7 泄流口过闸断面上含沙量特征

从图7可以观察到，泄洪闸运营年限愈长，则过闸口断面上含沙量愈高。以无压杆支臂闸门为例，其在运营年限100d时全断面上含沙量平均值为0.96kg/m3，而运营年限300d、500d时断面平均含沙量较之分别增长了51%、131.3%，从整体运营年限增幅可知，运营年限每累积100d，则断面含沙量平均增长23.3%。与此同时，双压杆支臂闸门、四压杆支臂闸门随运营年限增长，其断面含沙量平均增幅分别为16.7%、19.2%，表明闸门结构增设压杆支臂系统后，过闸口水流中含沙量有所增长，特别是四压杆支臂系统，在相同运营200d年限中，其断面含沙量分布为1.59—3.97kg/m3，较之无压杆、双压杆支臂系统分别增长了0.87—1.28倍、0.70—2.13倍。从泄洪闸门的运营活动可知，当泄流口闸门下游增设压杆支臂系统后，可限制水流的流向及渗流活动，但对泥沙的悬浮沉降、冲淤排沙效应均有负面影响[13，14]，如果将压杆支臂系统的负面效应控制合理，乃是对闸门的冲淤排沙、结构稳定均是正向作用。

从三种闸门结构体型对比可知，双压杆支臂闸门含沙量相比无压杆式增长减小，且在各运营年限内断面上含沙量无显著突变，变幅稳定。运营年限300d下，无压杆式闸门泄流口含沙量在断面距离0—100cm区段内含沙量处于缓增态势，平均每20cm含沙量增长8.5%，而断面距离100—200cm区段内含沙量随断面距离的平均增幅为15.6%。四压杆支臂闸门在该运营年限内同样在断面距离100cm前、后分别具有含沙量的不同增幅，但双压杆支臂闸门全断面上无显著变化节点，运营年限300d内含沙量随断面距离20cm平均增长5.3%。综合讨论认为，双压杆支臂闸门在水沙演变活动中，对含沙量影响适中，在泄流控制与水沙活动中乃是最适宜体型方案。

5 结论

（1）泄流口断面水位呈“上、下游稳定，过闸口陡降”的态势，四压杆支臂结构过闸口水位降幅最显著，开度增大，泄流口水位增长，开度0.8m与0.4m间双压杆支臂体型闸门水位增大了83.3%；四压杆支臂结构体型在上、下游稳定段中水位波幅最大，双压杆支臂结构体型对水位控制稳定性较佳。

（2）面板压强最低为双压杆支臂体型闸门，开度0.4m工况下无压杆、四压杆支臂闸门的平均压强较前者分别增长了2.14倍、1.22倍；开度增大，面板压强降低，双压杆支臂体型闸门具有“零”压强效应。

（3）运营年限愈长，则断面含沙量愈高，运营年限每累积100d，无压杆、双压杆、四压杆支臂闸门断面含沙量平均增长23.3%、16.7%、19.2%，四压杆支臂闸门含沙量水平及增长效应均为最大；无压杆、四压杆式支臂闸门断面含沙量均在轴线断面上具有增幅变化节点，而双压杆支臂闸门增幅稳定，随断面距离20cm平均增长5.3%。