基于ANSYS-Fluent的挡水闸门水力特性及地震动响应特征研究

潘 鑫 曹恒楼 何 洋

(江苏省洪泽湖水利工程管理处 ，江苏 淮安 223100)

1 概 述

闸门是水利枢纽中常见的挡水建筑，其结构体型参数包括了支撑钢梁、面板特征等[1，2]，通过闸门结构参数设计优化研究，有助于提高水工设施设计、运营水平。杨健[3]、盖浩瑞[4]为研究闸门底缘结构特征，采用Fluent渗流模拟方法，建立了不同前、后倾式的闸门结构方案，分析了闸门局部渗流场的流速、水位以及压强变化，对优化闸门底缘型式有参考意义。李玲等[5]、刘忠干[6]为研究闸门结构体型参数影响特性，采用静、动力仿真计算对比方法，对闸门结构体系的应力、位移及地震动响应值进行了对比分析，从宏观角度评价了结构体型参数与应力、位移、动力响应值的关联性，为优化结构体型参数提供了依据。渗流场与地震动响应场均为结构设计、运营关注的重点，宋峰等[7]、何妙妙等[8]开展了综合性对比研究，在闸门支撑钢梁等体型参数变化时，探讨了结构拉、压应力以及流场水力参数变化特征，研究成果可供相关工程设计借鉴、参考。本文为研究水利枢纽工程中挡水闸门的面板厚度问题，从局部渗流场和流固耦合场的地震动响应分析入手，探讨了不同面板厚度下结构体系的流态、自振特性、加速度响应水平等，旨在为工程改扩建设计提供计算参考。

2 工程概况

三河闸是淮河上游最大的挡水设施，控制着淮河下游入江水道，也是新中国成立后在淮河修建的第一座水工建筑，原设计过闸流量为8000m3/s，经多次维修、改造及加固后，目前运营设计流量可达12000m3/s，是千里淮河第一闸。三河闸历经多年扩建、改造后，目前已成为区域水利枢纽工程，具有过闸泄流、防洪排涝以及输水灌溉等水利功能，其所在位置为洪泽湖下游东侧蒋坝K4+122处，有63孔过流口，单孔净宽可达10m，闸体总宽度接近700m，设计下游运营水位为7.7m。从工程运营全面性考虑，三河闸所涵盖的工程建设内容有溢洪道、消力池、输水干渠等，受大区域、大流量引调水影响，三河闸上游溢洪道局部防渗性以及防洪能力均无法匹配运营需求，故计划对三河闸水利枢纽改扩建时，对溢洪道进行整修(见图1)，包括闸门段、进水口过渡段、泄槽段以及出流段，进水段闸门计划采用平面钢闸门，其承重钢梁结构与三河闸门相一致，三河闸门所采用的双杆式启闭弧形钢闸门(见图2)，面板截面最大半径可至6.8m，溢洪道进水口闸门设计与之有所相似，均为双杆启闭程控式，开度可根据过闸流量调整。三河闸渠首干渠设计最大流量为7.5m3/s，所建设的东、西干渠总长均达80km，与之相适应的，在各调水节点枢纽均建设有泵站，各泵站前池所采用的挡水闸门均为平面钢闸门，其结构体型与泄洪闸门、三河闸门等类似，按照闸口比例缩放设置，各大泵站进水口宽度均为3.8～5.5m，监测资料表明，各泵站枢纽闸门渗流场较稳定，底缘处无明显挑流、射流等现象，最大过闸流量下，流速仍保持在0.95～1.5m/s，闸门适配性较好。在三河闸门、泵站前池挡水闸门运营状态良好的背景下，溢洪道进水口闸门考虑采用平面钢闸门，其截面体型宽、高均按照实际闸孔比例设置，而面板厚度为优选参数，在考虑溢洪道、三河闸门实际运营工况与泵站前池差异化下，考虑对泵站前池闸门进行体型优化研究，以提高闸门设计合理性。

图1 三河闸水利枢纽溢洪道改扩建设计平面特征

图2 双杆式弧形钢闸门设计特征

3 模型设计

由于三河闸下游洪泽湖灌区内有多个泵站枢纽，节制闸等小型水利设施众多，本文以其中最大典型泵站前池闸门结构体型为分析对象，该泵站位于三河闸下游K2+135处，乃是东干渠的第一个调水分节点。基于此，采用ANSYS-Fluent仿真综合平台，建立起闸门结构模型(见图3)，水体独立三维模型为泵站前池进水口处区域渗流模型，模型设计上、下游水体影响范围均为10m，水位为2.5m。闸门面板钢梁支撑结构翼缘厚度为18cm，肋间距为2.4m，整体钢梁系统最大抗拉应力40MPa满足使用要求，由于面板厚度不同，闸门整体结构体系沉降有较大变化空间，当厚度为14cm时，沉降量为闸门高度的3‰，而厚度为32cm时，沉降位移最大可达8mm。因而，闸门面板厚度在优化过程中，需要考虑结构力学稳定性特征。

图3 模型特征

仿真计算中，考虑ANSYS平台的适用性，对水体模型、闸门模型分别划分网格，获得了闸门三维流体计算模型和钢梁网格模型(见图4)。根据网格划分后的模型统计，网格最大尺寸为0.12m，水体模型由183264个网格单元组成，节点数164822个，而闸门渗流场模型中网格为六面体单元，共有228362个，节点数204628个，不论是网格密度或是网格质量，均能满足仿真计算精度要求[9]。图4研究模型中，分别在进口、出口设置流速、压力边界条件，初始流速、压强分别设置为1.2m/s、10kPa。不仅于此，针对地震动力响应计算模型，在考虑流固耦合场影响下，基于RNG湍流模型、运动方程等，建立了闸门结构动力分析有限元独立模型(见图5)，以Fluid30单元为耦合场网格，建立了闸门、水体流固耦合场计算模型，两模型均为地震动响应仿真计算的载体，图4、图5中的闸门模型面板厚度均为18cm。在各模型中，X～Z正向分别取泵站进水方向、面板上方向以及前池进水口垂直右方向。

图5 动力响应计算模型

由于闸门面板厚度会影响结构沉降量与过闸流体水力特征，故在不同面板厚度方案下，分别进行闸门流场与地震动响应特征分析，其中面板厚度按照泵站工程可选方案，分别设定为12cm、15cm、18cm、21cm、24cm、27cm、30cm。在地震动响应研究方案中，采用时程反应谱输入方法，选取前20s的EI Centro地震波(峰频0.3g)，从闸门底部输入至结构系统，同一横梁、次梁顶面均视为各向同性。为对比地震波动荷载影响，分别设置不同峰频加速度，有0.15g、0.2g、0.25g三个对比工况。基于面板不同厚度方案，分别进行闸门流场水力特性与结构体系地震动响应计算(见图6)。

图6 EI Centro地震波加速度时程特征

4 闸门渗流场水力特征

基于不同面板厚度下渗流场计算，获得了闸门底缘上、下游处流态特征(见图7)。在面板厚度较小时，如面板厚度为12cm、15cm，闸门底缘处具有较多挑流、渗流的流线特征，且均从底缘上游逐步蔓延至下游，壅水现象较强；随面板厚度增大，当为21cm、24cm时，闸门底缘处流线具有脱流特征，面板厚度增大，一定程度上引起了流场水体运动方向变化，水流分离现象较显著，同时面板抗动水冲击能力增强，壅水现象稍有减弱；面板厚度进一步增长，达27cm、30cm后，闸门底缘处流场具有较显著的水体绕流、涡流现象，流线体型发展受到显著影响，且流场内并无明显壅水现象。分析认为，面板厚度增大，挡水能力增强，过闸流量减弱，闸下流速逐步减小[10]，涡流增强使闸门底缘处射流、挑流减弱，从而使闸门下游发生水跃的概率降低。

在闸门不同面板厚度方案下，分别获得闸门渗流场的流速、动水压强特征(见图8)，各方案下闸门流场内峰值流速、最大动水压强变化趋势。分析图8可知，随面板厚度递增，流速、动水压强并非呈一致性递增或递减，而是在一定的厚度区间内，具有递增或递减特性。当闸门面板厚度为12～21cm时，流速、动水压强峰值均为递增变化，在厚度21cm时，流速、动水压强两水力参数为最高，分别为5.49m/s、4.2kPa，随面板厚度每递增3cm，流速、动水压强平均增幅分别为18.5%、7.6%；当面板厚度为24～30cm时，流速、动水压强均递减，其中厚度27cm、30cm下流速较之厚度24cm分别减少了19.1%、37.8%，而动水压强对比两者仅有5.8%、9.6%差幅。相比之下，闸门面板厚度变化，流速对其影响敏感度高于动水压强。

图8 各开度工况下流速、动水压强变化特征

5 闸门结构地震动力响应特征

5.1 自振特征

闸门结构作为一种人工水工设施，其自振特性同样会受结构设计参数影响[11](见图9)。不论闸门面板厚度为何值，随计算阶次变化，自振频率均为递增。但不可忽视的是当闸门面板厚度不同时，在各计算阶次下自振频率的变化趋势各有差异，如面板厚度12～18cm时，自振频率随计算阶次的增长为“先慢后快”，第6阶次下具有增幅慢、快转折的特点；而厚度为21cm、24cm时，自振频率的增幅较为稳定，其平均增幅分别为8.5%、8.7%；厚度增大至27cm、30cm后，自振频率的增幅呈“先快后慢”趋势，在第7阶次时增幅逐步放缓，厚度为27cm时自振频率为49.9～104.45Hz。总体上看，闸门面板厚度增大，自振频率提高，厚度12cm、18cm下自振频率分别为9.3～37.4Hz、23～54.96Hz，而厚度21cm、30cm下自振频率较之12cm时增幅分别为0.73～2.64倍、2.41～7.9倍。分析表明，闸门面板厚度增大，会改变结构自重特性，从而增强其共振频率，结构自振特性增强。

图9 各阶次下闸门自振频率特征

从各面板厚度方案下结构振型特征(见图10)上看，该振型所处阶次为第4阶次。从振型计算结果来看，面板厚度不同，结构振型发展具有显著差异，厚度12cm时为闸门中底部扩散振动特征；而在18cm、21cm、24cm时，振动聚集于闸门钢梁中部两端，呈对称式分布特点；在面板厚度27cm时，闸门振动在横梁主、次梁交汇区，由中部向两端扩散；而面板厚度30cm时，其振型发展特征与厚度12cm时相反，从闸门中顶部向下游扩散。闸门振型的变化，反映了面板厚度会直接影响结构振动位移发生区域，改变结构体系振动薄弱点[12]。

图10 各厚度方案下结构振型

5.2 加速度响应特征

基于不同厚度方案下的地震动荷载计算，可获得各方案结构体系动力响应水平，以结构加速度响应水平为分析参数(见图11)，在地震波峰频不变的前提下，同一工况中加速度响应水平随面板厚度均呈先增后减再二次递增变化，其中递减段为厚度21～24cm，即使地震波峰频变化，加速度响应水平变化趋势也均呈一致性。在峰频0.15g工况中，面板厚度为12cm下加速度响应值为0.16m/s2，而厚度15cm、18cm下加速度响应值较之前者分别提高了23.2%、68.7%，同样，在厚度21cm、24cm下加速度响应值又分别降低至0.245m/s2、0.22m/s2，后随厚度增大至27cm、30cm时，两者加速度响应值较之厚度24cm下分别增大了19.2%、61.2%。当地震波峰频增大至0.2g、0.3g后，整体加速度响应值得到提高，厚度12～30cm方案下加速度响应值分别分布为0.28～0.62m/s2、0.63～1.2m/s2，较之峰频0.15g下分别增大了0.62～0.87倍、1.89～3.13倍。此外，地震波峰频增大，加速度响应值受面板厚度参数影响敏感性增强，如峰频0.3g下一次、二次递增段平均增幅分别可达32.5%、22.8%，而峰频0.2g、0.25g下二次增幅段分别为10.4%、17.3%。由此可知，地震波峰频愈大，闸门结构加速度响应水平与面板厚度关联性愈紧密，控制面板厚度，则更能引起结构体系动力响应变化[13]，从而提高闸门抗震设计水平。

图11 不同面板厚度下结构加速度响应特征

6 结 论

本研究获得以下结论：一是面板厚度为12～30cm时，闸门流场内流线从挑流、射流演变成脱流，乃至分流、绕流，面板厚度会改变流线发展趋势；厚度21cm时闸门流场内流速、动水压强为最高，随厚度递增，两水力参数呈先增后减变化，同时流速对其影响敏感性高于动水压强。二是面板厚度不同时，自振频率随计算阶次变化幅度各有差异，仅厚度21cm、24cm下自振频率增幅较稳定，平均增幅分别为8.5%、8.7%；面板厚度增大，自振频率提高，厚度会改变闸门结构体系自振特性。三是随面板厚度递增，结构振型由“中底部扩散”演变至“钢梁中部两端对称式分布”，直至“主、次梁交汇区变化”“中顶部扩散振动”，面板厚度不同，结构体系振动薄弱面位置有所差异。四是加速度响应值随面板厚度均呈先增后减再二次递增变化，地震波峰频不会影响加速度变化趋势；但地震波峰频增大，不仅使加速度响应水平整体提高，也使加速度响应值与面板厚度的关联性愈强。