基于有限元法的閘后折坡水躍數(shù)值研究

賈洪濤

(凌源市鑫盛水利建筑工程有限公司，遼寧 朝陽 122500)

基于有限元法的閘后折坡水躍數(shù)值研究

賈洪濤

(凌源市鑫盛水利建筑工程有限公司，遼寧 朝陽 122500)

水閘是水利工程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對水資源調(diào)度起著重要作用。一批建設(shè)于上世紀(jì)80年代的水閘頻繁出現(xiàn)險情，多數(shù)事故是閘后消能結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致的。以大凌河流域十二官水閘消力池斜坡連接段為研究對象，利用有限元法對閘后折坡進(jìn)行數(shù)值研究，得出了不同水位時的水躍參數(shù)。并分析消力池長度、斜坡連接段坡度對水躍的影響。研究結(jié)果可作為同等水閘消力池設(shè)計參考。

水閘;消力池;有限元法;水躍

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.014

水躍是河道水流中特有的水力現(xiàn)象，水躍伴隨著大量氣泡產(chǎn)生，氣液兩相流不斷翻轉(zhuǎn)運動，而下部的單液相則是快速流動，中間必然涉及到邊界層問題［1］。水躍發(fā)生后，流速從高速流向低速流過渡，河流內(nèi)水深從臨界水深以下向臨界水深以上過渡。

水躍過程伴隨著能量轉(zhuǎn)化，河流的動能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，并伴隨著放熱，因此這個過程存在較大的能量損失［2-3］。但并不是所有的損失都是有害的，利用水躍的特性可以降低水流對下游河床的沖擊，因此水閘、水壩等水利基礎(chǔ)設(shè)施都會修建消力池、陡坡等消能結(jié)構(gòu)引起水躍。水躍越劇烈，證明該消能結(jié)構(gòu)的效果越好。

水躍強(qiáng)度取決于弗勞德數(shù)Fr和消能系數(shù)Kj，根據(jù)這兩個參數(shù)的大小，將水躍分為5種［4-6］。當(dāng)消能系數(shù)很小且弗勞德數(shù)在1～1.7時，水面無翻滾，此時為波狀水躍;當(dāng)消能系數(shù)較小且弗勞德數(shù)在1.7～2.5時，水面有輕微翻滾，此時為弱水躍;當(dāng)消能系數(shù)小于0.44且弗勞德數(shù)在2.5～4.5時，水面開始出現(xiàn)明顯翻滾，此時為擺動水躍;當(dāng)消能系數(shù)小于0.7且弗勞德數(shù)在4.5～9時，此時為穩(wěn)定水躍;當(dāng)消能系數(shù)大于0.7且弗勞德數(shù)大于9時，水面劇烈翻滾，此時為強(qiáng)水躍。

以大凌河流域十二官水閘消力池斜坡連接段為研究對象，利用有限元法對閘后折坡進(jìn)行數(shù)值研究，得出了不同水位時的水躍參數(shù)。并分析消力池長度、斜坡連接段坡度對水躍的影響。

1 消能結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

十二官水力自動翻板閘的閘底為梯形寬頂堰，堰高0.4m，堰寬2.0m，消力池長3.0m，基礎(chǔ)深2.0m，堰體下部用漿砌石砌筑，上部用混凝土，混凝土澆筑厚度300mm。下游消力池及海漫基本沖毀，現(xiàn)階段下游段部分被淤泥覆蓋，消力坎部分缺失，剩余部分混凝土層剝落。下游石籠防沖槽已基本沖毀，石塊錯亂的堆放在一起。

由于閘室滲透穩(wěn)定不滿足要求，消能防沖設(shè)施全部沖毀;閘前淤積嚴(yán)重，幾乎與閘門頂齊平，使閘門在洪水情況失去翻轉(zhuǎn)功能，另有閘門支撐軸銹蝕等原因，導(dǎo)致閘門不能自動翻轉(zhuǎn)，失去閘門應(yīng)有的功能;又因消能設(shè)施全部被沖毀及河道淤積抬高河床高度，造成護(hù)坡受到嚴(yán)重沖刷破壞。

1.2 消力池水力計算

消力池深度:

其中躍后水深為:

出池落差為:

式中:σ0為水躍的淹沒系數(shù)，一般取1.05～1.10;hc為水躍收縮水深;α為動能修正系數(shù);q為過閘流量;b1為消力池首端的寬度;b2為消力池末端的寬度;T0為消力池總勢能;h′s為出口水深;φ為流速系數(shù)，取0.95～1.0。

以上公式計算的前提條件是產(chǎn)生完全水躍。每一種運行工況，首先應(yīng)判斷是否產(chǎn)生完全水躍，水躍采用弗勞德數(shù)來判斷，采用以下公式計算。

泄水建筑物上游總能頭為:

流速系數(shù)為:

收縮斷面弗勞德數(shù)為:

式中:E為上游水位至壩址的鉛直距離;hc為收縮水深。

由于運行工況較多，需滿足各種條件下的運行［7］。通過計算，消力池池深較小，考慮下游河道清灘后，將改善河道過流能力，下游水墊變薄，防止不對稱開啟閘門時局部破壞，并結(jié)合已建工程消力池經(jīng)驗，確定消力池池深為0.6m。

消力池長度為:

式中:Lsj為消力池的長度;β為水躍長度的修正系數(shù)，一般取0.7～0.8。

隨后計算消力池始端底板的厚度:

式中:q為單寬流量;ΔH′為上游、下游間的水位差;k1為修正系數(shù)，一般取0.15～0.20。

2 閘后折坡水躍數(shù)值模擬

2.1 水位對水躍參數(shù)影響

在水閘的運行過程中，上下游水位會對水躍產(chǎn)生影響。為了便于分析，將上游水位設(shè)置為固定值，由此算不同下游水位時的水躍參數(shù)。假設(shè)水閘的開度為0.68m，上游水位為24.58m，下游水位分別 為 18.73m、19.23m、19.73m、20.23m、20.73m、21.23m、21.73m。

通過建立模型，并基于ANSYS有限元軟件對其進(jìn)行計算，得出不同下游水位下的水躍水頭沿程變化曲線，見圖1。

圖1 不同水位下水躍水頭沿程變化曲線

由圖1可以看出，當(dāng)下游水位為18.73m和19.23m時并未出現(xiàn)水躍，說明下游水位低于19.23m時不能出現(xiàn)水躍。

2.2 消力池長度對水躍影響

消力池斜坡連接段是消能結(jié)構(gòu)中的重要部分，其用于引導(dǎo)水流產(chǎn)生較大水躍從而降低河流對下游河床的沖刷。假設(shè)水閘的開度為0.68m，上游水位為24.58m，下游水位為21.73m，將五種工況的消力池長度分別設(shè)置為:10m、12m、14m、16m，由此計算得出不同消力池長度下的水躍水頭沿程變化情況，見圖2。

圖2 不同長度下水躍水頭沿程變化曲線

由圖2可知，4條沿程曲線在共有段基本是重合的，這就表明消力池長度不會對水躍形態(tài)產(chǎn)生影響。對于本工況，即使消力池長為10m，也滿足要求。

2.3 斜坡連接段坡度對水躍影響

考慮到遼寧省內(nèi)大多數(shù)水閘斜坡連接段坡度較小，因此本節(jié)研究坡度對水躍參數(shù)的影響。假設(shè)水閘的開度為0.68m，上游水位為24.58m，下游水位為21.73m，消力池的長度定為15m，6種工況的消力池坡度分別為7.69°、8.09°、8.53°、9.03°、13.21°、30°。根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，水閘斜坡坡度不應(yīng)該大于0.25，可見只有工況1到工況4是滿足要求的，工況5為臨界值，工況6超標(biāo)。

由此計算得出不同坡度下的水躍水頭沿程變化情況，見圖3。

由圖3可知，工況5和工況6的水躍波動十分劇烈。對于工況1到工況4，隨著坡度的增加水躍斷面不斷往前移動。

TV66

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1672-2469(2016)08-0040-02

2015-03-07

賈洪濤(1981年—)，男，工程師。