摘要:基于物理模型試驗(yàn)，研究浮體結(jié)構(gòu)在有限流動(dòng)水域運(yùn)行過(guò)程中對(duì)下游水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。在不同浮體結(jié)構(gòu)位置及來(lái)流條件下，對(duì)下游水流結(jié)構(gòu)特征斷面的流速分布、流速不均勻系數(shù)以及回流區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量分析。結(jié)果表明:浮體結(jié)構(gòu)位置對(duì)流速分布及流速不均勻系數(shù)存在明顯影響;來(lái)流條件的改變同樣對(duì)兩者有較大的影響，其影響隨著來(lái)流流量的增大而增大;回流區(qū)的長(zhǎng)度受浮體結(jié)構(gòu)位置以及來(lái)流流量影響都較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注浮體結(jié)構(gòu)位置及來(lái)流流量變化引起的水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)改變。
浮體結(jié)構(gòu)閘門作為一種新型的環(huán)境友好型閘門在平原水利防洪工程中得到廣泛的應(yīng)用。受邊界以及流動(dòng)特性的影響，有限流動(dòng)水域中的浮體結(jié)構(gòu)水動(dòng)力變化更為復(fù)雜，易導(dǎo)致浮體結(jié)構(gòu)傾覆，從而影響工程安全。水流結(jié)構(gòu)的變化對(duì)浮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。邢殿錄等對(duì)比無(wú)限和有限水域，認(rèn)為有限水域中邊界的存在影響浮體結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力系數(shù)。陸彥分析浮箱門在靜水和動(dòng)水中的穩(wěn)定性及其影響因素，對(duì)浮箱門在運(yùn)行過(guò)程中的周圍水力特性進(jìn)行描述，并給出了增加沉浮穩(wěn)定性的措施。Johnson等采用物理模型試驗(yàn)對(duì)淹沒(méi)狀態(tài)下的防波堤在周圍波浪以及水流作用下的影響進(jìn)行分析，通過(guò)3種不同的數(shù)值模型對(duì)比并描述了浮式防波堤對(duì)周圍水流流態(tài)分布及波高的影響。傅宗甫等基于水力學(xué)模型試驗(yàn)，分析了新型浮體閘在動(dòng)水中沉浮的水力特性，得到不同位置下影響浮體閘穩(wěn)定性的因素，同時(shí)提出提高浮體閘沉浮安全性的方式。蘇禮邦對(duì)浮體啟閉閘門在流動(dòng)水域中的運(yùn)行進(jìn)行了理論研究和模型試驗(yàn)，得到浮體門受初始潮位影響較大、減小上下游水頭差可減小浮體門的受力從而提高穩(wěn)定性的結(jié)論，為大型浮體門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作運(yùn)行控制提供了技術(shù)支持。Ｒey等采用試驗(yàn)方法模擬了水流作用下的淹沒(méi)平板的水力荷載，得到水流對(duì)反射系數(shù)及作用在平板上的水平力影響巨大、對(duì)垂直作用力卻影響微小的結(jié)論。Venugopal等得到不同浮體結(jié)構(gòu)體型以及吃水深度對(duì)其表面受力影響巨大。崔貞等采用物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬對(duì)不同浮體結(jié)構(gòu)在不同水力特性下的水流結(jié)構(gòu)以及傾覆性進(jìn)行研究，研究不同參數(shù)對(duì)浮體結(jié)構(gòu)的影響，為有限流動(dòng)水域中浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。以上研究大多對(duì)浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及所受作用力進(jìn)行研究，對(duì)水流結(jié)構(gòu)及其影響因素研究較少。本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)不同來(lái)流條件下及不同位置下的浮體結(jié)構(gòu)在有限動(dòng)水作用下的下游水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比不同來(lái)流以及位置下的水力特性，分別對(duì)特征斷面的流速分布特征、斷面流速的不均勻系數(shù)以及回流區(qū)的變化特性進(jìn)行比較分析，以期為有限水域浮體結(jié)構(gòu)在動(dòng)水運(yùn)行過(guò)程中的周圍水流變化特性以及其穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。
1試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)
1．1試驗(yàn)裝置
為探究浮體結(jié)構(gòu)在不同位置以及不同來(lái)流流量對(duì)下游水流結(jié)構(gòu)的影響，在長(zhǎng)、寬、高分別為10.00m、0.30m和0.50m的有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)(圖1)。浮體結(jié)構(gòu)位于水槽中間區(qū)域，通過(guò)閘門調(diào)速裝置對(duì)浮體結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行精確控制，對(duì)下游區(qū)域流速采用ADV進(jìn)行測(cè)速，并采用耐腐蝕流量計(jì)廠家進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)。

1．2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)
有限水域的浮體結(jié)構(gòu)在不同來(lái)流動(dòng)水中運(yùn)行時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)位置的改變會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，從而影響浮體結(jié)構(gòu)的泄流能力以及穩(wěn)定性。試驗(yàn)過(guò)程中固定浮體結(jié)構(gòu)的體型不變(長(zhǎng)L=0.20m，寬B=0.30m，高a=0.10m)，分別選取4種不同來(lái)流流量Q及浮體結(jié)構(gòu)位置e，控制浮體結(jié)構(gòu)在上、下游水位不變的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)及說(shuō)明見(jiàn)表1以及圖2。


2結(jié)果及分析
來(lái)自上游的水體經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用，水流繞流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的上部和下部區(qū)域通過(guò)，并在浮體結(jié)構(gòu)背水面的下游區(qū)域形成小范圍回流區(qū)，此處水流紊亂，流速分布不均勻。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)回流區(qū)沿水流方向的長(zhǎng)度D(水槽縱向中心斷面處，自浮體結(jié)構(gòu)背水面到沿水流方向流速為0的*遠(yuǎn)位置點(diǎn))進(jìn)行量測(cè)。選取浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域回流區(qū)中心點(diǎn)所在斷面進(jìn)行流速測(cè)量對(duì)比。流速測(cè)量斷面位置A-A見(jiàn)圖3。

2．1不同浮體位置對(duì)斷面流速分布的影響
圖4橫坐標(biāo)為斷面水流方向流速，縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)垂向位置與下游水位的比值y/H'。隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升，*小斷面流速位置同樣上升。以圖3(a)為例，當(dāng)e=0.02m時(shí)，下游斷面位置自下而上呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)，在y/H'=0.40時(shí)流速達(dá)到*小，隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升，*小流速呈現(xiàn)向上偏移的趨勢(shì)。在斷面位置y/H'=0.20時(shí)，隨著e的增大，流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)e較小時(shí)，流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下部進(jìn)行下泄的水流較少，主流出現(xiàn)在浮體結(jié)構(gòu)的上部，且在浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用下出現(xiàn)回流區(qū);隨著e上升，主流偏向浮體結(jié)構(gòu)下部區(qū)域，流速增大。與y/H'=0.20的流速分布正好相反，當(dāng)y/H'=0.80時(shí)，流速分布隨著浮體位置的增大而減小。隨著e的增大，通過(guò)浮體結(jié)構(gòu)下部泄流的水體增多，主流開始向下偏移。試驗(yàn)過(guò)程中，浮體結(jié)構(gòu)處于淹沒(méi)狀態(tài)，流速的分布隨著浮體位置的改變呈現(xiàn)上大、中小、下大的分布趨勢(shì)，在浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域形成回流區(qū)，回流區(qū)的位置隨著浮體結(jié)構(gòu)的上升而上升。

2．2不同來(lái)流流量對(duì)斷面流速分布的影響
由圖5可知，當(dāng)e相同時(shí)，斷面*小流速發(fā)生的位置相同，發(fā)生在浮體結(jié)構(gòu)下游回流區(qū)位置。隨著來(lái)流流量的增大，流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下泄的水流流速在上層和下層水體中呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。浮體結(jié)構(gòu)位置不變，由于受到浮體結(jié)構(gòu)的擠壓，上游來(lái)流分別經(jīng)過(guò)浮體結(jié)構(gòu)上部、下部進(jìn)行泄流，因此在下游區(qū)域的上層、下層水體中，流速較大;受浮體結(jié)構(gòu)的阻擋，浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域形成回流區(qū)，流速較小。試驗(yàn)過(guò)程中，由于控制浮體結(jié)構(gòu)所在水域的上游、下游水位不發(fā)生變化，因此隨著來(lái)流流量的增大，流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

2．3特征流速以及不均勻系數(shù)
流速沿?cái)嗝娣植嫉木鶆蛱匦钥梢酝ㄟ^(guò)流速分布不均勻系數(shù)進(jìn)行表征，通過(guò)所選取斷面*大流速和*小流速的差值與該斷面平均流速的比值，δ值越大表明浮體結(jié)構(gòu)的存在對(duì)水流斷面流速的分布產(chǎn)生的影響較大。表2中，當(dāng)來(lái)流流量相同時(shí)，流速的不均勻系數(shù)多數(shù)隨e的增大而減小。浮體結(jié)構(gòu)位置較小時(shí)，主流為浮體結(jié)構(gòu)上部的水流。隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升，來(lái)自上游的水體逐漸分成浮體結(jié)構(gòu)上部和下部的兩股主流，流速分布的不均性減小。浮體結(jié)構(gòu)位置及所處水位條件相同時(shí)，來(lái)流流量的增大，區(qū)域的平均流速增大，因此流速不均勻性減小。

2．4回流區(qū)長(zhǎng)度分析
表3中，當(dāng)來(lái)流流量較小時(shí)(Q=0．015m3/s)，回流區(qū)的長(zhǎng)度D隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大逐漸增大;當(dāng)來(lái)流流量較大時(shí)(Q=0．024m3/s)，回流區(qū)的長(zhǎng)度卻隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)位置較高且來(lái)流較小時(shí)，浮體結(jié)構(gòu)上下部區(qū)域的主流流速較小，回流區(qū)范圍較大;浮體結(jié)構(gòu)位置不變時(shí)，來(lái)流流量增大，回流區(qū)長(zhǎng)度減小。來(lái)流增加，下泄水流流速較大，并迅速將回流區(qū)內(nèi)的水流帶入下游區(qū)域，因此回流區(qū)長(zhǎng)度反而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

3結(jié)論
a．浮體結(jié)構(gòu)下游回流區(qū)水流流速分布呈現(xiàn)上大、中小、下大的分布規(guī)律，受浮體結(jié)構(gòu)位置的影響較明顯;*小流速出現(xiàn)在浮體結(jié)構(gòu)背水面的下游區(qū)域，且主流隨著浮體位置的變化而發(fā)生偏移。
b．來(lái)流流量的增大會(huì)引起整體流速增大，而*小流速發(fā)生位置幾乎不受影響。
c．隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大，流速的不均勻系數(shù)多數(shù)呈減小趨勢(shì)。
d．不同位置的浮體結(jié)構(gòu)對(duì)回流區(qū)的范圍存在影響，且隨著流量的變化而發(fā)生變化:流量較小時(shí)(Q=0.015m3/s)，隨著位置的增大回流區(qū)長(zhǎng)度增大;流量較大時(shí)(Q=0．024m3/s)，回流區(qū)長(zhǎng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。在實(shí)際工程中，應(yīng)注意由于浮體結(jié)構(gòu)位置引起的水流結(jié)構(gòu)改變，并通過(guò)合理調(diào)控來(lái)流流量確保浮體的安全。