河口挡潮闸对河流水动力环境的影响研究

徐 丽，梁春光，张 扬

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

挡潮闸，在挡潮御卤、防洪除涝、蓄淡灌溉、防台风抗暴雨等方面发挥着重要作用，有效地保护了河口地区人民的生命财产安全，促进了当地经济社会的发展[1]。它在为河口地区防潮蓄淡方面做出贡献的同时，也相应地带来了一些负面影响[2]。因为挡潮闸的建立改变了河口区的潮波、潮流，引起闸下淤积，导致挡潮闸不能正常发挥作用，不利于上游河道的排洪除涝[3]。

下文以山东省青岛市海泊河入海口为研究区域，运用物理模型试验和数值模拟相结合的方法，对入海海口挡潮闸建立后的水动力环境及挡潮闸的稳定性进行系统分析。研究在不同潮位、不同流速作用下，挡潮闸闸墩压力值的变化情况，并通过数值模拟的方法，分析不同闸门型式下压力分布情况，为工程设计提供更加丰富的参考依据。

1 物理模型

1.1 模型试验布置

本次断面模型试验在30.0m×0.6m×1.0m(长×宽×高)的水槽中进行，水槽两侧为透明的钢化玻璃板，便于观察试验现象。水槽的一端是推板式造波机，另一端装有消波网，以便于减少反射。按照试验比尺要求，制作挡潮闸，放入试验水槽中，在水槽底部，均匀铺上模型沙。

试验装置布置图，见图1。在挡潮闸前，布置2个波高仪，测量挡潮闸建立后对波高的影响；在闸后，布置Vectrino点式流速仪，测量挡潮闸建立前后河道内流速的变化；在桥墩上，布置点式压力传感器，测量桥墩的压力值。

图1 试验装置配置图

1.2 试验方案

试验方案与组次，见表1。

表1 试验方案与组次

1.3 模型验证

试验前，对模型水面曲线进行验证，用以检验模型是否满足重力和阻力相似要求。作为水面曲线验证的依据，本文采用50年一遇的洪水流量及其相应的水位和百年一遇潮位计算资料。释放50年一遇的洪水流量，控制河口水位分别为1.92m(50年一遇潮位)和3.09m(百年一遇潮位)，观测未修筑挡潮闸状态下的沿河两岸水位，绘成水面曲线图并与资料中水位进行对比。在海泊河口门处(尾闾段)及1+400m处，水位基本接近，表明模型满足糙率相似要求，即阻力相似。除此以外，本模型也满足限制性条件要求。模型中Re=6476，满足规范大于1000的要求，即模型水流为充分紊动的水流。

2 数值模型

2.1 控制方程

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

(4)

式中，u，v，w分别为速度在x，y，z方向的分量；Ax，Ay，Az分别为流体在x，y，z方向的面积分数；VF—流体的体积分数；p—压强；ρ—非黏性流体的密度；Gx，Gy，Gz分别为重力加速度在x，y，z方向的分量；fx，fy，fz分别为流体粘滞力加速度在x，y，z方向的分量。

2.2 控制方程的求解和自由液面的确定

本次数值计算，采用有限差分法(FDM)对离散方程进行求解，将求解域划分为差分网格，用网格节点代替求解域，用差商代替控制方程的导数，最后得到含有离散点的有限个未知数的差分方程组。通过求解差分方程组，得到微分方程定解问题的近似解。

本文采用VOF方法确定自由液面。此方法，基于流体体积的百分比，与MAC法体积追踪的特点类似，但是比MAC法计算所需的内存小。在VOF中的每个控制体积都要包含流体的属性[4-5]，如压力、速度、温度等，而且在每个网格内，增加流体体积函数C，因此，能够更加精确地处理自由液面问题。

当流体体积函数C=1时，表示该网格单元内充满了流体；当C=0时，表示该网格单元为“空”；当0

2.3 边界条件

结合研究的具体工况，对数值模型进行边界条件设定。针对波浪作用下挡潮闸结构的稳定性研究，设置x轴方向近海侧边界为波浪边界。本文采用五阶斯托克斯波进行波浪模拟，在边界条件设置界面，根据试验工况，输入相应的有效波高、水深及波浪周期。

基于波浪的反射与叠加问题，在物理模型试验时，通常会在水槽的末端加入消波网等结构，以达到消波的效果，而在数值模拟中，需要设置消波条件，才能减少波浪的反射。常用的数值消波方法：Sommerfeld辐射边界条件、周期边界条件、海绵阻尼消波等。本文通过在波浪边界条件的另一侧设置孔隙结构，以达到消波的效果。因为水流流入孔隙结构时，会发生紊动从而加快能量的耗散，从而降低波浪的反射。

在y轴两端，设置为对称边界条件，在此边界上，没有流体穿过且无剪应力计算，简化了模型，减少了计算时间。数值水槽的底面，设置为壁边界，在此边界条件下，无流体通过且无剪切应力。因为，在自由表面处的压力需满足动力学边界条件，所以在模型的顶面，设置为压力边界条件。

2.4 模型验证

为验证数值模型的准确性，对比物理模型试验结果进行验证。选取3种水位：极端高水位3.09m、设计高水位1.92、1.00m，以水位对应的极限波高作为波浪的入射边界条件。在模型上，设置6个测点，测量波浪压力值。其中，测点1、2位于导流墩上；3位于斜坡上；4、5位于消力池底板处；6位于尾坎处。

本文所测压力值数值模拟数据，都是选取有效造波时间段(约10～13个波周期)内的峰值或者谷值的平均值进行分析。不同潮位下，闸门关闭时，各测点压力值如表2所示。由表2可知：①数值模拟中各测点的波压力，随测量高度的变化，趋势与物理模型试验基本一致。②由于测点1在水面自由表面之上，在进行物理模型试验测量时，存在一定的误差，导致物理模型试验测量结果与数值模拟数据相差较大。③消力池内波压力变化较为平缓，因为消力池内高程一致，但水流速度相差不大，所以波压力变化较小。④测点6，位于消力坎前端，在波浪的作用下，此处水流会产生回流。因此，波压力在测点6与4、5略有差异，在水位1.00m时，这种突变最明显。⑤在潮位1.92、1.0m闸门关闭的情况下，位于过流处斜坡上的压力值较大。⑥当潮位为1.0m时，点测1得的波压力为0，说明此时没有波浪爬高到测点1，并非测量仪器的问题。

表2 闸后潮位不同时各测点压力对比表

3 结果分析

3.1 单纯流作用下的压力分布

在只有流作用下挡潮闸的压力模拟中，当闸前水位为3.115m，闸后水位为3.090m时，闸墩及消力池内各测点压力分布，见表3。由表3可知：①当闸前水位3.115m，闸后潮位3.090m时，由于闸门开启时产生下泄水流，造成消力池内产生负压区。②由于在消力坎前发生水跃产生底流，所以在消力坎前的测点5，压力值较大。③随流速的增大，各测点的压力值也相应地有所增加。

表3 不同流速各测点压力对比表

当闸前水位2.07m闸后潮位1.92m时，在不同流速情况下，闸墩及消力池内各测点的压力分布，见表4。由表4可知：此时的压力值变化趋势，与闸前水位3.115m时压力趋势相同；在消力池的中间段，压力值较大。测点6距离消力坎较近，所以压力值相对较小。当水流流速较大时，消力池内压力值也相应的增大，且位于闸墩上的测点1、2号压力值也较大。

当闸前水位2.0m闸后潮位1.0m时，不同流速工况下各测点压力值如表5所示。由表5可知：①压力值在此时的各测点，比表2和表3有明显增大。因为当闸门前后水位相差较大时，在消力池陡坡段，水位突然下降，流速加快，下泄水流将势能转换成动能，从而导致消力池内压力值较大。②测点3，由于位于闸室过流处，水位差最大，水流较为剧烈且流速较大，因此，此点压力值最大。

表5 不同流速各测点压力对比表

3.2 波流共同作用下的压力分布

表6中，工况1，为闸前水位3.115m闸后潮位3.090m时，在不同流速作用下各测点的压力情况。当流速较小时，消力池及闸墩处的压力，主要来自波压力，压力值为正值且数值较大。工况2，为闸前水位2.07m闸后潮位1.92m时，在不同流速作用下各测点压力分布情况。工况3，为闸前水位2.0m闸后潮位1.0m时，各测点压力分布情况。由表6可知：①在水流和波浪共同作用下，由于下泄水流产生的能量与波浪能相互抵消，使得消力池内的压力值，相较只有波浪作用时有所减小，且随着流速的增加，压力值随之变小；②由于比尺效应及测量仪器使用过程中产生的磨损，致使物理模型试验中测得的数据，与数值模拟计算得到的数据有差距；③当潮位为1.0m时，在消力池中间段，随流速的增大，压力值逐渐增大，可见，在此时的压力主要因水流流速引起。

表6 不同流速各测点压力对比表

3.3 不同型式的闸门所受压力分析

针对平面、弧形及翻板等3种闸门型式，本文通过建立数值模型的方法，分别计算其在波浪作用下闸墩及消力池内压力分布。弧形闸门，见图2，翻板闸门，见图3。

图2 弧形闸门结构示意图

图3 翻板闸门结构示意图

图5 水位-降雨耦合作用对边坡稳定性影响

由表7可知，平面闸门、弧形闸门和翻板闸门在同一种潮位工况下，弧形闸门时，闸墩及消力池的压力值，整体较小且较为稳定；平面闸门时，压力值相对较大，但3种闸门型式情况下，闸墩及消力池所承受压力相差不大。我国已建的大型挡潮闸，多为传统的垂直升降门。若工程要求建筑物所承受的压力相对较大，可选择弧形闸门，但弧形闸门所占空间较大，而平面闸门型式较为简单，方便施工。因此，在具体工程应用中，要结合实际，合理选择相应的闸门型式[7]。

表7 不同闸后潮位各闸门型式压力对比表

4 结论

(1)在只有波浪作用下，位于闸室过流处所承受的压力值最大；在只有流作用时，由于闸门开启产生下泄水流，所以在消力池内易产生负压，且闸前后水位差越大产生的负压值更大；在波流共同作用下，下泄水流产生的负压与波浪产生的波压力在闸墩处相互抵消，因此闸墩以及消力池内压力值相比只有流作用时相对较小，但在消力池中部的压力值相对较大。

(2)平面、弧形及翻板3种型式闸门，在波浪作用下，闸墩及消力池内压力分布相差不大，但弧形闸门的闸墩及消力池的压力值整体较为稳定。