齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力影響因素?cái)?shù)值分析

1、2022年4月第4期總第5 9 3期Apr. 2 0 2 2No. 4 Serial No. 593水運(yùn)工程Port & Waterway Engineering齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力影響因素?cái)?shù)值分析貝建忠，牟毅（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州5 1 0 2 9 0 ）摘要：齒型構(gòu)件混合堤是長江深水航道一期工程中采用的一種新型混凝土構(gòu)件混合堤，該新型結(jié)構(gòu)尚處于研究初期階 段。為了解其受力特性, 推廣其在工程中的應(yīng)用，基于CFX軟件，對齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力影響因素進(jìn)行數(shù)值分析。 結(jié)果表明齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力由動水壓力及堤身前后靜水壓力差組成，隨著入射流速、入射角度及相對堤

2、高的增 大，翻壩水流力越大；當(dāng)入射流速比較小時翻壩水流力與入射流速近似成平方關(guān)系，當(dāng)入射流速超過某個限值水流力 與入射流速近似成正比關(guān)系；相對堤高對翻壩水流力的影響有個敏感值，相對堤高在敏感值附近變化時，對翻壩水流力的 影響最大。關(guān)鍵詞：齒型構(gòu)件混合堤；翻壩水流力；入射流速；入射角度；相對堤高中圖分類號：TV 8 6 5 ; U 6 5 6. 2 + 3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文鞫號：1 0 0 2- 4 9 7 2 ( 2 0 2 2 ) 0 4- 0 0 9 4- 0 6DOI: 10.16233/ki.issn 1002-4972.20220331.004Numerical analysis of

3、 impacting factors for current forceover geaf-lype mixture embankmentBEI Jian-zhong, MOU Yi(CCCC-FHDI Engineering Co., Lid., Guangzhou 5 1 0 2 9 0 , China)Abstract： The gear-lype mixture embankment is a new concrete slfucture adopted in Ihe lirst phase of the d eep-waler channel project on the Yangt

4、ze River, and Ihe lelevant study is still in an early slage. T o analyze its me chanical features and expand its application in later engineering, we n umerically analyze the impacting factors (orIhe current lorce over the gear-lype mixture embankment by ihe CFX sollware. The fesulis show that the c

5、urrentlorce over the gear-type mixture embankment is composed of Ihe hydrodynamic pressure and ihe hydrostatic pressure differe nee between the front and Ihe back of ihe embankment body. The current lorce grows as the incident velocity, incident angle, and relative embankment height increase. The fo

6、rce and ihe incident velocity manifest an approxima te square elationship when the velocity is small. When Ihe incident velocity exceeds a certain limit, Ihe current for ce and Ihe velocity are in an approximate proportional relationship. A sensitive value is observed lor Ihe impact of th e felative

7、 embankment height on Ihe current lorce whereby Ihe height has a laiger impact on Ihe cunent lorce when il is near Ihe sensitive value.Keywords： gear-type mixture embankment; current force over embankment; incident velocity; incident a ngle; relative embankment height齒型構(gòu)件混合堤是長江南京以下深水航道一 期工程太倉一南通段采用的

8、一種新型構(gòu)件混合堤 工程位置水流漲落潮流速1. 3 1. 4 漲、落潮 流向角分別約3。、1390該新型構(gòu)件混合堤具 有導(dǎo)流、減流、抗浪、擋沙固灘及便于施工等優(yōu) 點(diǎn)口.2】，但其應(yīng)用和研究均處于初期階段，其結(jié)構(gòu) 形式、受力機(jī)理與常規(guī)的導(dǎo)流堤、止水堰壩或者 繞流單體結(jié)構(gòu)物有所不同，關(guān)于齒型構(gòu)件混合堤收稿日期：2 0 2 1-0 7-0 1作者簡介：貝建忠（ 1 9 8 9%男，碩士，工程師，從事港口、航道與近海工程設(shè)計(jì)。()1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, HYPE

9、RLINK -95-貝建忠，等：齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力影響因素?cái)?shù)值分析翻壩水流力的計(jì)算，目前沒有相關(guān)的理論或經(jīng)驗(yàn) 公式，有待進(jìn)一步研究。本文借助CFX流體計(jì)算軟件，對齒型構(gòu)件混 合堤翻壩水流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并控制單一變 量，分析入射流速、入射角度、堤高及水深等因 素對翻壩水流力的影響，深入分析齒型構(gòu)件混合 堤在水流作用下的受力機(jī)理。1基本理論根據(jù)港口工程荷載規(guī)范【3】普遍采用的水流 力的理論計(jì)算公式：F = C p A （1）W W V/ 2Cw = Cmn（2）式中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）; Cw為水流阻力系 數(shù)；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面 積（m“； C m、n分別為斷

10、面形狀、水流流向、 淹沒深度影響系數(shù)；v為水流設(shè)計(jì)流速（格）； P為水密度（kfn）。W該理論公式為常規(guī)的水流力計(jì)算公式，主要 適用于計(jì)算繞流阻力I而不適用于翻壩水流力的 計(jì)算。但通過分析常規(guī)水流力計(jì)算公式中各參數(shù)I 可以初步確定翻壩水流力的影響因素，即斷面形 式、入射流速、入射角度以及淹沒深度。又結(jié)合 該齒型構(gòu)件混合堤的自身特點(diǎn)（混凝土齒型構(gòu)件混 合潛堤），可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒型構(gòu)件尺寸一定時I齒型 構(gòu)件的淹沒深度由水深條件及構(gòu)件下方鋪設(shè)的基 床厚度決定I故定義一個新的影響因子：相對堤 高力（其中P為堤身高度，為齒型構(gòu)件高度P。和構(gòu) 件下方鋪設(shè)的基床厚度Pl之和J為水深），分析 其對翻壩水流力的影響

11、。2翻壩水流數(shù)值分析模型建立使用C F X軟件建立數(shù)值水槽，對齒型構(gòu)件混 合堤翻壩水流力進(jìn)行三維數(shù)值模擬。齒型構(gòu)件混 合堤的三維數(shù)值模型、模型尺寸、齒型構(gòu)件的平 面圖和立面圖分別如圖13所示。圖2模型尺寸（單位：m ）a）平面圖3503508001 18001 I3503508001 18001 I350350I 600 I I 8001 I8006 200b）立體圖圖3齒型構(gòu)件（單位：mm ）邊界條件1）設(shè)置流體入口、出口及頂部空氣出口為 Opening邊界；2 ）垂直于堤身軸線方向的流體兩 側(cè)邊界設(shè)置為Symmehy邊界；3 ）模型底部邊界 設(shè)置為Wall邊界出司。模型邊界條件設(shè)置如圖4

12、所示。()1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, HYPERLINK -96 -水運(yùn)工程0987654321LSSO.O.O.O.SSO.O012.525.0 37.550.0 ma）入射流速0.5 m/s2.3翻壩水流流場及壓力場典型的翻壩水流流場及 壓力場分布如圖5所示。02.5 5.0 7.5 10.0 ma）流場壓力/kPa n 111.299.3-R7 475.5163 65I.7 39S27,16 0 41-7Rb）壓力場2.04.06.08.0 m圖5翻壩

13、水流流場及壓力場分布3翻壩水流力影響因子分析3.1入射流速分別針對不同的入射流速0.5、1,0、1.5, 2. 0、2. 5. 3. 0, 3.5、4. 0 rn4,通過數(shù)值模擬1 提取作用在齒型構(gòu)件上的水流力，分析不同入射 流速對翻壩水流力的影響。通過流體體積（volume olHuidJOF）方法追 蹤自由液面的變化過程最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)網(wǎng) 不同入射流速情況下翻壩水流自由液面變化如 圖6所示，堤身前后自由液面差與入射流速關(guān)系 曲線如圖7所示，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流 力與入射流速的關(guān)系如圖8所示。0.20.1 0水的體積分?jǐn)?shù) nl.O0.90.80.7012.525.0 37.550.0

14、mb）入射流速1.0 m/s水的體積分?jǐn)?shù)1.00.90.80.70.60.50.4 030.20.1 00987 6 54321LSS6O.O.S6SSO012.525.0 37.550.0 mc）入射流速1.5 m/s012.525.0 37.550.0 md）入射流速2.0 m/s5 4 3 2 1SO.O.O.S OO 9.8.76 LO.SO.S012.525.0 37.5 50.0 mc）入射流速2.5 m/sf）入射流速3.0 m/s()1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

15、reserved, HYPERLINK -97 -貝建忠，等：齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力影響因素?cái)?shù)值分析水的體積分?jǐn)?shù)R）入射流速3.5 m/s0987654321LO.O.6O.6SO,O.SO012.525.0 37.550.0 mh)入射流速4.0 m/s圖6不同入射流速翻壩水流自由液面I 2345入射流速/（ms“）圖7 堤身前后自由液面差與入射流速關(guān)系曲線012345入射流速/（msT）圖8翻壩水流力與入射流速關(guān)系曲線分析翻壩水流自由液面與入射流速的關(guān)系曲 線，以及翻壩水流力與入射流速的關(guān)系曲線可以 發(fā)現(xiàn)：1）入射流速較小時，堤前沒有明顯壅水；隨 著入射流速越來越大，堤前壅水越高，堤后水

16、跌 越大，即堤身前后自由液面差越大，導(dǎo)致作用在 齒型構(gòu)件上的靜水壓力差也越大。而且當(dāng)入射流 速較小時堤身前后自由液面差與入射流速近似 成平方關(guān)系；當(dāng)入射流速超過某一限值（本模型尺 度條件下為2 /）后，堤身前后自由液面差與入 射流速近似成正比關(guān)系。2）入射流速越大，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩 水流力越大。入射流速較小時，翻壩水流力與入 射流速近似成平方關(guān)系；當(dāng)入射流速超過某一限 值（本模型尺度條件下為2 后，翻壩水流力與 入射流速近似成正比關(guān)系。進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，翻壩水流力由兩部分組 成：一部分是水流的動水壓力；另一部分是由于 堤身前后自由液面差引起的靜水壓力。當(dāng)入射流 速比較小時，堤身前后液面差

17、較小，翻壩水流力 主要是動水壓力，此時，翻壩水流力和入射流速 的關(guān)系與常規(guī)的水流力計(jì)算公式（1）類似，即水流 力與入射流速成平方關(guān)系；隨著入射流速逐漸增 大，堤身前后的自由液面差逐漸增大，導(dǎo)致靜水 壓力差也逐漸增大，此時翻壩水流力主要由動水 壓力和堤身前后靜水壓力差組成，翻壩水流力與 入射流速近似成正比關(guān)系。. 2入射角度分別針對不同的入射角度0。、 15。、30。、5。、 6 0。、 7 5。、 9 0 ,通過數(shù)值模擬，提取作用在 齒型構(gòu)件上的水流力，分析不同入射角度對翻壩 水流力的影響。不同入射角度情況下，作用在齒 型構(gòu)件上的翻壩水流力與入射角度的關(guān)系如圖9 所示。100 r0204060

18、8010C入射角度/（。）圖9 翻壩水流力與入射角度關(guān)系曲線80604020NK/為今族()1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, HYPERLINK -98 -水運(yùn)工程分析翻壩水流力與入射角度的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)， 翻壩水流力隨水流入射角度的增大而增大。主要 因?yàn)槿肷浣嵌仍酱?，水流在垂直于堤身軸線方向 的速度分量越大，由3. 1節(jié)分析不難發(fā)現(xiàn)，較大 的速度分量最終導(dǎo)致了作用在齒型構(gòu)件上的動水 壓力和堤身前后靜水壓力差也越來越大。規(guī)定a為水流入射方向與堤身軸線的夾角， 若假定。

19、=9 0。時，入射角度影響系數(shù)為1.0。則各 入射角度對應(yīng)的影響系數(shù)見表1。表1角度影響系數(shù)S。）01 53 04 56 0U9Fm0.0 00.0 50.1 50.2 40.6 00.8 21.0 03 . 3相對堤局影響相對堤高的因素有2個：水深h和堤身 高度p （ = p0 + P 1 ）,采取控制單一變量法，分別針 對不同的水深h和基床厚度p1進(jìn)行數(shù)值模擬，分 析不同相對堤高對翻壩水流力的影響。不同水深分析分別針對不同的水深6.3、8、9、10、11、 12、13、14m （對應(yīng)的相對堤高分別為1.0 0 0、 0.7 8 8. 0,7 0 0 . 0,6 3 0 . 0.5 7 3

20、. 0,5 2 5 . 0.4 8 5 . 0.4 5 0 ）, 通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構(gòu)件上的水流力， 分析水深對翻壩水流力的影響。不同水深情況下， 翻壩水流力與相對堤高的關(guān)系見圖10。相對堤高相對堤高圖1 0翻壩水流力與相對堤高（不同水深）關(guān)系曲線NW*畏瞧不同堤高分析為了方便對比，不改變齒型構(gòu)件的尺寸（即 Po為定值），僅通過改變齒型構(gòu)件下方基床厚度 p 1調(diào)整堤高，分別針對基床厚度0、0.7. 1.4、 2.1、 2.8、 3.5、 5. 5 m （對應(yīng)的相對堤高分別為0.3 8 9、0. 4 6 7 . 0, 5 4 4、0. 6 2 2、0. 7 0 0 . 0, 7 7 8

21、 .1.0 0 0 ）,通過數(shù)值模擬，提取作用在齒型構(gòu)件上 的水流力，分析堤高對翻壩水流力的影響。不同 基床厚度情況下，翻壩水流力與相對堤高的關(guān)系 如圖1 1所示。25000.81.01.2相對堤高圖1 1翻壩水流力與相對堤高（不同基床厚度）關(guān)系曲線綜合分析圖10、11可發(fā)現(xiàn)，無論是改變水 深還是改變堤高，作用在齒型構(gòu)件上的翻壩水流 力隨相對堤高的變化趨勢類似都是隨相對堤高 的增大而增大；關(guān)系曲線的斜率均是先增大后減 小相對堤高力在0.70。附近時，曲線斜率最 大即相對堤高在該位置附近變化時，其對作用 在齒型構(gòu)件上的翻壩水流力影響最大。主要因?yàn)?相對堤高越大，有效過流斷面積越小，堤頂流速 越大

22、作用在堤身上的動水壓力越大；與此同 時相對堤高越大，堤身壅水效果越明顯堤身 前后自由液面差越大導(dǎo)致堤身兩側(cè)的靜水壓差 也越大。將兩條關(guān)系曲線繪制于同一坐標(biāo)系，見圖12。 可發(fā)現(xiàn)，兩條關(guān)系曲線的變化趨勢基本相同，但 不完全重合。/0.70時1兩條曲線基本重合 即表明在本模型尺度下，相對堤高小于0,7。時, 改變水深或基床厚度，對作用在齒型構(gòu)件上的翻 壩水流力的影響效果相當(dāng)；當(dāng)相對堤高力 0.70 時基床厚度的變化對翻壩水流力的影響更大, 這主要是因?yàn)檩^厚的拋石基床對水流有明顯的挑 流作用，導(dǎo)致作用于齒型構(gòu)件上的流速較大，翻 壩水流力也更大。()1994-2022 China Academic J

23、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved, HYPERLINK -99 -貝建忠，等：齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力影響因素?cái)?shù)值分析圖1 2翻壩水流力與相對堤高關(guān)系曲線4結(jié)語1 ）翻壩水流力既包含水流的動水壓力，也包 含堤身前后自由液面差引起的靜水壓力差。2）隨著水流入射流速的增大，作用在齒型構(gòu) 件上的翻壩水流力越大，當(dāng)流速較小時，翻壩水 流力與入射流速近似成平方關(guān)系當(dāng)流速超過某 一限值（本模型尺度條件下約為2叱）,翻壩水流 力與入射流速近似成正比關(guān)系。）隨著水流入射角度的增大，垂直于堤身軸 線方向的速度分量越大，從而導(dǎo)致作用在齒

24、型構(gòu) 件上的翻壩水流力越大。）隨著相對堤高的增大，作用在齒型構(gòu)件上 的翻壩水流力越大，且相對堤高對翻壩水流力的影響有個敏感值（本文模型尺度條件下，相對堤高 的敏感值約為0.7）,相對堤高在該值附近變化時， 對翻壩水流力的影響最大，當(dāng)相對堤高超過該敏 感值后，齒型構(gòu)件下方的拋石基床對水流有明顯 的挑流作用，導(dǎo)致作用于堤身上的流速較大，翻 壩水流力也更大。參考文獻(xiàn)：1貝建忠,孫克俐，李元音，等基于CFX的齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流力分析J,港工技術(shù)，2 0 1 7, 5 4（ 1 ）: 7-1 1.2貝建忠齒型構(gòu)件混合堤翻壩水流流場模擬及水流力 影響因素分析D天津：天津大學(xué)，2016.3 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，中交第二航 務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司港口工程荷載規(guī)范： JTS 2010S,北京：人民交通出版社，2010.4楊靖培基于CFX的