運行工況下弧形鋼閘門不同底緣型式對比優化研究

蓋浩瑞

(萊陽市勘察工程隊， 山東 煙臺 265200)

1 工程背景

某水庫是一座兼有防洪、灌溉、供水、養殖等諸多功能的大型骨干水庫，水庫大壩為混凝土重力壩壩型設計，主要由擋水壩段、溢流壩段和電站壩段組成。其中，溢流壩段頂部高程為87.8m，頂部寬度1.5m，溢流堰高程67.5m。溢流壩閘門為高19.7m，寬度為14.0m的弧形鋼閘門。閘門的面板厚度為26mm。為了提高閘門的剛度和整體性，閘門的梁系采用實腹式等高連接和降低連接，其結構材料為Q235B鋼材，彈性模量為206GPa，重度為78.5 kN/m3，泊松比為0.3。顯然，弧形閘門在泄水過程中，其底緣部分會起到十分關鍵的作用，對流態和壓強產生十分明顯的影響，而不當的底緣設計則會對閘門的正常運行不利[1]。基于此，此次研究力求通過數值模擬的方法，進行不同底緣型式的對比研究，以獲取最佳的底緣型式設計方案。

2 ANSYS有限元模型

2.1 有限元模型的構建

結合研究對象的特點和研究需要，對常用的有限元軟件進行對比分析，確定采用ANSYS有限元軟件進行計算模型的構建。該軟件提供了直接建模、幾何建模以及混合建模三種不同的建模方式[2]。其中，幾何建模可使用多種幾何圖素，支持組合運算、布爾運算等多種有限元模型不能直接實現的操作，修改幾何參數、網格密度和單元類型十分方便，適合3D實體結構和多方案對比研究，因此采用該建模方法[3]。

由于此次研究針對閘門開啟運行工況下的水力特征對比研究，因此設定模型的計算范圍為閘門的上游200m，下游100m。模型的高度為40m。鑒于弧形鋼閘門的形狀特點，采用柱面坐標系進行幾何建模[4]。具體順序為：首先建立一條閘門面板曲線，在建立的曲線上找到橫梁的位置，也就是按照橫梁間的弧線進行分段處理；然后，根據縱梁和面板曲線的垂直間距，利用已知曲線生成所有的縱梁，連接縱梁的關鍵點即生成所有的橫梁以及面板的頂輪廓線和底輪廓線；最后，由左右兩條曲線的邊和頂輪廓線及底輪廓線形成面，也就是弧形鋼閘門的面板，確定支臂的鉸點坐標，其與主橫梁、縱梁交點的連線即為支臂[5]。

由于弧形鋼閘門的面板厚度較小，因此存在十分明顯的幾何非線性效應，而鋼材本身也是一種典型的塑性材料。因此，在模型單元劃分過程中，閘門的門葉和支臂全部離散為板殼單元，利用Shell63 模擬[6]。模型的其余部分則使用 Solid45 單元模擬。經過有限元網格劃分，整個模型結構離散成 14154 個單元、13426 個節點，其中，弧形鋼閘門的有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 弧形鋼閘門三維有限元模型示意圖

2.2 計算荷載與邊界條件

模型計算的邊界條件設置為：將模擬計算區域的進口設置為速度進口，出口邊界設置為壓力邊界條件，閘門部位的側壁和底板設定為無滑移固體邊界條件，上部與空氣接觸的頂面設置為對稱面。結合相關研究成果，模型底板和邊墻的糙率設定為0.008。結合工程的實際設計參數，研究中針對閘門開度6.0m，流量160m3/s的最不利工況進行計算分析。

2.3 計算方案

結合工程實際和前人的研究成果，設計了平底底緣(方案1)；傾角為45°的前傾式底緣(方案2)；傾角為45°的后傾式底緣(方案3)3種地緣設計型式，進行數值模擬分析，對比分析不同方案下的水深、時均壓強和脈動壓強，以獲得最佳設計方案。

3 計算結果與分析

3.1 水深

針對3種不同的底緣設計方案，利用構建的有限元模型，對鋼閘門運行工況下的上下游水位高度進行模擬計算，根據計算結果，繪制出的閘門上下游水位變化曲線如圖2所示。由圖2可知，在其他條件相同時，3種方案的弧形鋼閘門上下游水深的變化規律基本一致，閘前水流平穩推進，在到達閘門時由于受到阻擋作用，呈現出一定的水面雍高，在經過閘門之后，水位高度迅速降低并逐漸趨于平穩。從水位的上下游差來看，水位差最大的為方案3，其次為方案1，最小的為方案2。同時，方案1和方案3的閘前水流波動性比較明顯，說明水流流態相對不佳，而方案2的閘前水流波動性最小，說明水流流態良好?？傊?，鋼閘門采用前傾式底緣設計時，上下游的水位差最小，且水流比較平順，流態良好，對閘門的安全運行最為有利。

圖2 不同方案上下游水深變化曲線

3.2 面板時均壓強

針對3種不同的底緣設計方案，利用構建的有限元模型，對鋼閘門運行工況下的面板時均壓強進行模擬計算，在計算結果中選擇7個關鍵測點，繪制出的面板時均壓強變化曲線如圖3所示。測點均位于上游面板，在閘門面板的中線由下向上布置，其中，每兩個測點之間的弧面距離均為3m。由圖3可知，在其他條件相同時，弧形鋼閘門面板的時均壓強呈現出由底緣向上部逐漸減小的變化特點。從不同計算方案的對比來看，方案3相同高程部位的時均壓強值最大，方案1次之，方案2最小。由于不同計算方案在其他條件相同時的閘前水深不同，而時均壓強又和閘前水深有密切的關系。因此時均壓強值的大小與閘前水深的大小之間存在相同的變化特點?？傊?，方案2條件下的閘門面板時均壓強值最低，且變化比較穩定，為3種計算方案中的最佳方案。

圖3 面板時均壓強變化曲線

3.3 脈動壓強

脈動壓強是水工建筑物水力學特征研究領域的重要問題，此次研究中選擇與時均壓強相同的測點位置，從數值計算結果中選擇各個典型點位的脈動壓強計算結果，繪制出的脈動壓強變化曲線如圖4所示。由圖4可知，3種不同計算方案下的脈動壓強呈現出類似的變化規律，均為0m測點部位的脈動壓強較大，然后隨著高程的增加，脈動壓強值也不斷減小，在達到水面高度部位時，脈動壓強值又有所增大，然后進一步減小為0。究其原因，主要是水面部位由于受到閘門的阻水作用，水流產生明顯的波涌，對閘門面板產生拍打現象。由于方案3的水面流態不佳，水流在閘門前的雍高現象比較明顯，因此對閘門的拍打現象也比較劇烈，因此造成該方案下的脈動壓強值在水面部位較大。總之，從脈動壓強計算結果來看，方案2的脈動壓強值相對較小且變化比較平穩，對閘門運行的安全穩定最為有利。

圖4 脈動壓強變化曲線

4 結語

目前，關于閘門底緣型式的問題，業界學者進行了諸多研究和探索，同時也給出了一些具體的研究成果和工程設計建議，但是當前的大部分研究以平面鋼閘門為例。本次研究主要針對弧形鋼閘門的底緣型式展開，研究了不同底緣型式對閘門水力特征的影響。研究結果顯示，后傾角低緣型式下，閘門上游的水位雍高較大，水流流態不平穩，會產生比較嚴重的拍打面板現象，不利于閘門的安全運行。前傾角底緣型式下，閘門上游的水位雍高最小，水流流態最為平穩，對閘門的安全運行最為有利，而平底底緣設計則介于上述兩者之間，因此在工程設計中建議采用前傾角底緣型式，至于傾角角度大小的影響，需要在后續研究中予以進一步的討論和分析。