泥沙淤积对弧形闸门影响的数值仿真计算.pdf

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1、泥沙研究2015年4月JournalofSedimentReseareh第2期文章编号：0468-155X(2015)02-0029-05泥沙淤积对弧形闸门影响的数值仿真计算高仕赵，徐国宾，刘岩(1．鲁东大学土木工程学院，山东烟台264025；2．天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：为了解决泥沙淤积对弧形闸门影响的数值仿真问题，将门前泥沙考虑为由粗细颗粒组成的宾汉体泥沙模型。应用有限体积法和弹塑性模型进行模拟。当门前泥沙的应力强度达到屈服应力的阈值时，将弹塑性模型中的弹性单元释

2、放掉，使宾汉体泥沙像黏性流体一样流动。同时应用宁车沽防潮闸进行模型验证。最后应用此数学模型对乐昌峡水利枢纽进行仿真计算。结果表明：闸门的附着力(或附着力矩)最大值出现在闸门开启的瞬间，闸门底缘流态发生变化时将直接影响弧形闸门门前泥沙的附着力矩的大小。关键词：弧形闸门；泥沙淤积；数值仿真；附着力矩中图分类号：TV145文献标识码：ADOI：10．16239／j．cnki．0468—155x．2015．02．005弧形闸门以其承受水压力大、启门力相对较小和可以局部开启被广泛应用于水电站的溢洪道和排沙孔闸门。中国

3、北方的一些河流多为高含沙河流，闸门在关闭一段时间后，便在门前淤积一定厚度的泥沙。而对于估算泥沙淤积对弧形闸门启闭力的影响，《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74—95)中并没有具体提出泥沙对弧形闸门启闭力的估算方法，目前也没有其他成熟计算方法。本文依据国内几座水库泥沙的统计资料，将门前泥沙考虑为由粗细颗粒组成的宾汉体，应用到泥沙对弧形闸门启门力影响的数值计算中，最后比较实测资料和数值计算结果来验证这一泥沙模型的正确性。1泥沙性质根据泥沙颗粒不同运动形式，可以分为接触质、跃移质、层移质和悬移质四种类型。其中

4、接触质、跃移质和层移质又称为推移质¨。絮凝现象存在与否及其强弱，除与泥沙自身矿物组成以及水质有关外，泥沙粒径也是一个重要影响因素。泥沙越细，表面电化学作用越强，絮凝作用越明显。黄委会水利科学研究所的静水沉降试验中，不含0．01mm以下细颗粒的混合沙，其平均沉速随含沙量变化规律与均匀沙的规律基本一致，而含有细颗粒成分时则有完全不同的规律。其原因在于，含有一定数量的小于0．01mm的泥沙以后，将会出现絮凝现象。絮凝作用的进一步发展使絮团与絮团之间搭接，形成一个骨架(即絮凝结构)。絮凝结构产生以后，不但参加絮凝的

5、细颗粒泥沙本身将失去作为单独颗粒的特性，而被颗粒集体的特性所取代，同时还将影响未直接参加絮凝而单独存在的颗粒特性。黏性颗粒絮凝，不但会影响水的物理性质，如黏滞系数等，往往还会改变水的流变特性，使牛顿流体转变成非牛顿体，颗粒和水的性质的改变，势必要改变流动现象和规律。坝前淤积的泥沙是由推移质泥沙颗粒和一部分悬移质泥沙颗粒组成，其中既包含粗颗粒又包含细颗粒。这主要由于水库入口处的流速最大挟沙能力最强，此时水流能够挟带粒径较大的推移质和悬移收稿日期：2013—06—24基金项目：山东省优秀中青年科学家科研奖励基金

6、项目(BS2014SF016)；“中国海域波能再生资源变化趋势的综合评估”项目；鲁东大学博士启动基金项目(LY2014026，LY2014028，LY2012017)；国家自然科学基金项目(50979067)作者简介：高仕赵(1983一)，男，天津蓟县人，讲师，博士研究生，主要从事水利水电工程研究。E-mail：wooden20030044@126．corn29质泥沙颗粒。随着水流流向坝前，流速在不断降低，挟沙能力也不断降低，水流中所挟带推移质和悬移质泥沙颗粒的粒径也随之减小。当水流运动到坝前时，较大粒径的

7、悬移质首先沉积下来，而以悬移质存在的细颗粒泥沙随着水流紊动作用，彼此产生了接触的机会。由于双电层的作用，使相互接触的细颗粒黏连在一起，形成微小絮团，这些絮团不断发育，当水流产生的拖曳力不能维持其自身在水中的重量时，这些絮团开始沉积。由于水库来流不是恒定的，是随季节在不断发生变化的，因此运动到坝前泥沙的粒径也有较大差异，坝前的泥沙淤积具有明显的层理性。门前泥沙由于长期处于淹没状态在多数情况下属于宾汉体。文献[5]认为淤泥的干容重在8,10—1080kg／m~左右时，便可以当作宾汉体来处理。表1的实测资料表明大

8、部分底孔闸门门前的淤积体属于宾汉体。2数学模型根据水、泥沙和闸门的作用特点，选择有限体积表1国内几座大型水库坝前淤泥干容重统计Table1Statisticsofdrydensityof法对闸门开启过程进行模拟。应用弹塑性模型模拟sedimentdepositioninfrontofdams两相流中的泥沙。在闸门开启的瞬间，泥沙具有一名称坝前淤泥定屈服强度(主要由粗颗粒和闸门面板之间的相对滑动产生的摩擦力和细颗粒