基于COMSOL與MIKE21下鋼閘門靜力場及水力特征影響變化研究

劉祖楷

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

1 概 述

閘門是水利工程中重要控流設施，研究閘門結構設計體型對水利設施安全穩(wěn)定性具有重要意義[1-2]，而閘門結構包括支撐結構與面板部分，研究閘門支撐結構截面設計體型對優(yōu)化設計方案具有重要作用。李楨等[3]、王蓓[4]、王揚等[5]根據(jù)水工模型試驗理論，開展了不同工況下閘門過流水力特征如流速變化、水位影響及面板壓強變化特征的分析，為閘門結構體型設計優(yōu)化提供了參考。當然，水工模型試驗在溢洪道、水閘等水工結構中應用面最廣[6-7]，而針對性解決閘門結構設計體型是一種較好方法。一些學者認為仿真計算具有快速高效率特點，因而采用ANSYS[8]、MidasGT[9]、ABAQUS[10]等仿真平臺開展閘門、水閘及溢洪道等水工結構的數(shù)值計算，探討了水工結構設計與靜力特征關系。針對解決水利工程中滲流場問題，可采用Fluent、MIKE水動力學平臺等對水力特征開展計算分析[11-12]，為工程設計提供依據(jù)。根據(jù)北江擬建水利樞紐工程中閘門適用性，本文針對性解決閘門主梁支撐加固結構的設計優(yōu)化問題，為工程建設提供參考。

2 設計仿真概況

2.1 工程概況

為提升粵北地區(qū)水利安全性，考慮在清遠、韶關北江交匯區(qū)建設水利樞紐工程，承擔地區(qū)水利資源峰谷調度、防洪蓄水、輸水灌溉及水力發(fā)電作用。據(jù)初步估算，年可供應水資源超過1 200×104m3，面向下游多個水處理廠，引水渠首設計最大流量為28 m3/s，中轉調壓塔采用雙向單流量設計形式，管徑均與引水渠閘門開度適配，確保不出現(xiàn)過流及滲漏等現(xiàn)象。北江水利樞紐作為重要水工設施，其工程建設包括溢洪道、主壩、泄洪閘、發(fā)電廠房及消能結構，主壩設計最高處為8.5 m，壩體主軸線全長為12.6 m，全壩頂均設計有防浪墻，確保水力沖刷不影響壩身防滲效果，采用的是止水面板鋪設措施，因而防滲措施與防沖刷密切相關。在主壩兩側設置泄洪閘與溢洪道水利設施，設計泄洪閘最大泄流量為320 m3/s，閘底采用一體式澆筑設計，底厚度最大為1.2 m；以預應力閘墩作為加固支撐結構體系，閘墩直徑目前研究得到最優(yōu)參數(shù)為1.4 m，所有閘墩結構體系間均有防震鋼筋網(wǎng)結構，確保自振與動力荷載作用下減弱地震動放大倍數(shù)，減弱地震荷載破壞。溢洪道采用爬坡式弧面設計體型，中部溢流面設計有消流階梯，最大消能率可達50%，消能坎高為0.6～1.2 m，消能墻厚度為1 m，采用漿砌石擋墻結構，不僅可以減弱背后土壓力滑移傾向作用，也可以減小水力勢能。不論是泄洪閘亦或是溢洪道，其均采用弧形鋼閘門結構，該類型閘門對水流控制較為穩(wěn)定，且可以根據(jù)不同水力勢能工況，適當調整自身閘門弧度與過流開度；閘門后側配置有雙壓桿支臂體系，確保過流下閘門具備支撐結構，桿徑為0.8～1.6 m，壓桿夾角設計為26°～45°，依據(jù)水流適用環(huán)境特征，閘門底緣前、后傾角度可適當更調，確保過流水力特征穩(wěn)定，典型采用該類型閘門的如泄洪閘、輸水渠、水庫調節(jié)閘等，所在泄洪水閘有限元模型見圖1，而閘門背水側支臂結構體系見圖2。為確保北江水利樞紐工程安全穩(wěn)定運營，工程設計部門考慮在全項目內推廣使用此類型弧形鋼閘門，但由于這類閘門的主梁支撐結構體型設計還處于待優(yōu)化，故針對性探討該閘門主梁截面設計體型最優(yōu)化很有意義。

圖1 泄洪水閘有限元模型

圖2 閘門支臂結構體系

2.2 設計仿真

由于弧形鋼閘門采用主、次梁承重結構，其主梁截面見圖3，包括有腹板與翼緣等部分。由于主梁截面與次梁截面應適配，故本文只以主梁截面體型為研究對象，評價閘門承重主梁最優(yōu)設計方案。該主梁截面中包括有翼緣長度與厚度、腹板的高度與厚度等參數(shù)，而兩腹板間距為0.45 m，翼緣厚度為0.3 m，設定翼緣寬厚比為8，目前腹板設計參數(shù)還處于待優(yōu)化。考慮結構設計與配筋，筆者認為應綜合考慮腹板高度與厚度等設計參數(shù)，故本文綜合以腹板高厚比參數(shù)為優(yōu)化對象，基于翼緣與腹板設計科學性，腹板高厚比參數(shù)應為25～75。

tw為腹板厚度；h-2t為腹板高度；t為翼緣厚度圖3 閘門主梁截面

為研究弧形鋼閘門腹板高厚比設計參數(shù)合理性及其影響特性，本文根據(jù)參數(shù)合理區(qū)間值分別設計為25、35、45、55、65和75，每次僅改變腹板高厚比參數(shù)，翼緣設計參數(shù)不變，主梁結構其他體型參數(shù)亦不變。利用COMSOL有限元平臺構建起弧形鋼閘門模型，并根據(jù)有限元劃分原則，模型單元體106 628個，節(jié)點數(shù)86 582個，主、次梁結構均采用相同微單元體，而壓桿支臂系統(tǒng)采用六面體單元(圖4)。該模型所受荷載包括靜水壓力、自重應力等，靜力結構分析中僅探討弧門全閉狀態(tài)下應力特征，而水力特征探討弧門半開時上下游過流水位變化特征。為研究方便，本文設定模型的X、Y、Z正方向分別為背水側、豎直向上及過流右橫向；而主、次梁3個重要交點所在位置見圖4(b)。

圖4 閘門主梁結構模型

3 閘門靜力特征分析

3.1 應力特征

根據(jù)對鋼閘門結構不同主梁截面體型方案靜力計算，獲得截面腹板高厚比參數(shù)與主、次梁交點部位處拉應力特征關系，見圖5。從圖5中可知，腹板高厚比愈大，則第一與第二主、次梁交點部位最大拉應力隨之均為先減后增變化。以第一交點A部位拉應力變化可知，在腹板高厚比為25時最大拉應力為4.72 MPa，而高厚比45、55時較前者分別減少40.9%、63.9%，但高厚比65、75與參數(shù)55方案間為增長態(tài)勢，即第一交點A部位最大拉應力以高厚比55為變化節(jié)點，是遞減、遞增變化的結束點與開始點方案，當高厚比參數(shù)值每增大10時，則在該兩區(qū)間內分別具有平均降幅28.4%與增幅57.6%。有所相似的是，第二交點B部位也是以高厚比參數(shù)值55為階段節(jié)點，在高厚比25～55與高厚比值55～75區(qū)間內，拉應力分別為抑制與促進狀態(tài)，其隨高厚比分別具有平均降幅30.3%與增幅65.8%。分析認為，當高厚比增大后，雖高厚比增大可以提升腹板部位抗彎性能，但與之同時會降低翼緣部位的抗剪特性，因而選擇一個最合理高厚比參數(shù)對主梁結構設計尤為關鍵[13]。另一個交點C部位是最靠近閘門面板頂部，當腹板高厚比參數(shù)增大后，其拉應力整體為遞減，但在高厚比值55后降幅逐漸趨于0，即高厚比值對閘門主梁上拉應力限制作用達到“飽和”狀態(tài)，在高厚比25～55與55～75兩區(qū)間內，最大拉應力的平均降幅分別為42%、3%。綜合討論認為，腹板高厚比對閘門主梁應力影響具有階段節(jié)點，應選擇該節(jié)點設計方案才對閘門結構設計最佳。

圖5 最大拉應力與腹板高厚比參數(shù)關系

同理，計算獲得主、次梁交點部位壓應力特征變化，見圖6。從圖6中可知，壓應力整體受腹板高厚比參數(shù)影響變化較小，在各方案中受腹板高厚比參數(shù)影響敏感最大的為第一主、次梁交點A部位。在A部位上，壓應力最大為高厚比值55設計方案，可達12.55 MPa，而在高厚比25、45時最大壓應力較之分別減少12.4%、1.4%，在高厚比25～55區(qū)間內最大壓應力平均增大4.5%；但高厚比超過55后，受壓應力降低，而高厚比55～75區(qū)間內各方案的壓應力有平均增幅4.7%。從第一主、次梁交點A部位壓應力表現(xiàn)來看，應盡量控制壓應力呈遞增效果，可增大抗動水流沖擊作用。第二與第三主、次梁交點部位的壓應力隨高厚比參數(shù)均為穩(wěn)定不變狀態(tài)，各方案中分別穩(wěn)定在9.9、8.5 MPa左右，最大變幅分別不超過0.07%、1.2%。由此可知，考慮腹板高厚比參數(shù)對結構壓應力影響可以忽略B、C部位。綜合拉、壓應力表現(xiàn)認為，當腹板高厚比參數(shù)為55時，拉應力狀態(tài)最佳，而壓應力也是處于較為理想狀態(tài)，不失為一個最優(yōu)設計方案。

圖6 最大壓應力與腹板高厚比參數(shù)關系

3.2 位移特征

位移特征反映了結構受力過程中形變變化，根據(jù)對不同高厚比設計方案計算，獲得閘門結構上X、Y、Z向最大位移變化特征，見圖7。從圖7中可知，3個最大位移隨高厚比均為遞減變化，具有一致性，但各方向中位移最大為Y向，各方案中其最大位移分布為4.33～10.58 mm，而X、Z向最大位移較之分別減少17.1%～31.7%、40.6%～48.7%，表明閘門上受力位移最大來源為結構自重。當高厚比為35時，X向最大位移值為5.31 mm，而高厚比增大至45、65、75后，最大位移分別減少22.1%、32.45%、32.5%，隨高厚比增大10，X向最大位移平均減少14.3%，但降低趨勢集中在高厚比25～55區(qū)間方案中，該區(qū)間中平均降幅可達23.8%，而超過該區(qū)間值后的平均降幅僅為0.01%。Y、Z向位移變化與X向為一致，位移平均降幅分比為15.4%、15.1%，但在高厚比25～55區(qū)間中以Y向最大位移受之影響最為敏感，平均降幅可達26.3%，而Z向最大位移的平均降幅為24.8%。當高厚比超過55時，Y、Z向最大位移分別具有0.7%、0.06%的降幅。筆者認為，當高厚比較大時，對閘門形變影響較小，不利于控制結構張拉或受壓狀態(tài)，而腹板高厚比參數(shù)為55時更為合理，這也與結構應力特征表現(xiàn)結果一致。

圖7 各向最大位移與腹板高厚比參數(shù)關系

4 閘門水力特征分析

閘門支撐主梁結構設計體型優(yōu)化，不僅要探討靜力特征影響，還應針對閘門過流水力特征開展分析。本文采用MIKE 21平臺對過閘水流開展?jié)B流場計算，其中以斷面上下游流速特征開展影響研究。

圖8為腹板高厚比設計參數(shù)影響下過閘水流斷面流速變化特征。從流速特征參數(shù)影響可知，高厚比過大或過小，均會導致斷面流速出現(xiàn)波幅，進而引起非穩(wěn)定水流產(chǎn)生，導致下游消能設施減沖降能壓力加大。在高厚比75設計方案中，斷面上最大、最小流速分別為0.546、0.485 m/s，而斷面平均流速為0.519 m/s，是各方案中最大；高厚比65方案中斷面平均流速相比前者減少14.5%，但其最大、最小流速差幅仍達12.3%。當高厚比處于較低水平時，如25與35方案中，流速在一定斷面上處于較穩(wěn)定，高厚比35方案在下游斷面2.5～4 m上流速穩(wěn)定在0.27 m/s，但在上游斷面0～2 m上流速出現(xiàn)階段性跳躍變化，這種出現(xiàn)在局部的流速起伏與流速“失穩(wěn)”現(xiàn)象，對閘門穩(wěn)流、控流不利[14]。6個設計方案中，全斷面上流速最為穩(wěn)定的屬高厚比45、55方案，此兩方案全斷面流速分別穩(wěn)定在0.33、0.35 m/s，最大波幅不超過0.9%、0.8%。綜合而論，高厚比45、55方案下水力特征均處于較好，但在兩者流速水平差距不大，但靜力特征以高厚比55為最佳，因而選擇腹板高厚比值55為最適宜擬建北江水利樞紐的設計方案。

圖8 不同高厚比設計方案下斷面流速變化特征

5 結 論

1) 腹板高厚比愈大，第一、第二交點部位最大拉應力呈先減后增變化，但第三交點為遞減至穩(wěn)定變化，均以高厚比55為變化節(jié)點；在高厚比25～55區(qū)間內，第一、第二及第三交點平均降幅28.4%、30.3%、42%，而高厚比超過55后，分別具有平均增幅57.6%、65.8%與平均降幅3%；壓應力受高厚比參數(shù)影響較小，僅第一交點壓應力在高厚比55前后區(qū)間內具有遞增、遞減效應。

2) 各向最大位移隨高厚比均為遞減，但以Y向位移為最大；隨高厚比增大10，X、Y、Z向最大位移平均減少14.3%、15.4%和15.1%，但降低趨勢均集中在高厚比25～55區(qū)間方案中，高厚比超過55后降幅較低。

3) 高厚比過大或過小，斷面流速波幅顯著，高厚比65、75方案中最大、最小流速分別具有差幅12.3%、11.6%，而高厚比25、35均在一定斷面上出現(xiàn)跳躍性變化，僅高厚比45、55方案下過閘水流穩(wěn)定，斷面平均流速分別穩(wěn)定為0.33、0.35 m/s。

4) 綜合閘門結構靜力特征與水力特征認為，主梁腹板高厚比值55為最優(yōu)設計方案。