有限流动水域浮体受力及侧倾研究

谭 箐，顾晓峰，傅宗甫，崔 贞，江 文，马永林

(1.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098;2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司， 江苏 苏州 215128)

浮体结构作为一种新型的环境友好装置，因其具有安装过程不断航，兼顾防洪，对环境影响小以及紧邻建筑物桩基产生的附加变形少等优点，已经广泛应用于潮汐电站，平原防洪工程以及检修闸门等工程当中[1-3]。现有的浮体结构大多在静水、波浪作用下或者流速很小的水域中运行，且大多数应用于无限水域中。当浮体结构在流动水域运行过程中，流态发生转变，水流特性变化复杂，极易发生倾覆，关于浮体结构在流动有限水域中的研究并不多见。Bai W等[4]模拟得到波浪在圆柱形浮体结构背水面的爬升受浮体尺寸影响巨大，固定浮体所受到水流的水平力远远大于自由移动的浮体结构，圆柱浮体结构半径的增大，会导致相同波浪力作用下的垂直力减小。陆志妹等[5]采用解析方法对V形贯底式防波堤的波浪力、力矩以及周围水流结构进行研究，得到防波堤两臂上的力和力矩对称分布，且波压力与水深、波长和防波堤张角成正相关。Remseth S等[6]对淹没浮动隧道结构与水流的动力响应进行分析，得到非垂直入射波可导致结构水平位移增大，响应的水平随着波能量的减小而减小。Shirkol A I等[7]通过研究超大型浮体结构与波浪的相互作用得到波浪与静水分别对浮体结构的作用相加远大于两者对浮体的联合作用，并且浮体结构的纵横比对波浪的响应影响巨大。Kao J H等[8]在相对较高的水深下，浮体结构宽度较大会得到更好的波浪反射效果；结构宽度的增加，会导致结构与水体的共振频率向低频移动；吃水深度的增加，会使得结构的俯仰运动增大，并使浮体结构的不稳定性增强。以上研究对无限水域中浮体结构在波浪以及较小流速中的影响因素进行了探究，对初步判别浮体结构的受力以及倾覆性进行了说明。然而，当浮体结构应用于河道时，其受力与无限水域并不相同，其需要在流速较大的河道运行，所受水流作用力以及倾覆力矩变化复杂。张欣宇等[9]研究了随机波浪作用下浮式网架结构的振动特性，并分析了尺寸参数对结构应力及承载力的影响，结果表明，受到附加质量影响的顶层球节点附近应力应变较大，结构振型由平动向扭转过渡。傅宗甫等[10-12]通过物理模型试验得到浮体闸在沉浮过程中所受阻力主要与浮体结构体型，水流流速，河道水位、重心高度以及沉浮速度等有关。陈长植等[13]对苏州河挡潮闸底板的沉放试验进行模拟，得到控制闸底板的形状体积以及重量分配，在较小的水流流速以及水位差下，不会产生过大的水流阻力。崔贞等[14-19]采用物理模型试验对流动水域浮体结构所受剪力及动水压力进行分析，得到剪力作用可以忽略不计，同时，通过对浮体体型、沉浮位置以及水力条件(来流流量以及水位条件)的比较，得到各影响因子对浮体结构倾覆性、敏感性以及对下游水流结构的影响作用大小，其中随着来流流量、水位差以及浮体体型的增加，倾覆力矩明显增大，浮体稳定性降低。但文中仅通过几组特定试验工况对倾覆力矩的变化特性进行了表述，且对浮体结构所受动水压力的变化并没有进行详细表述。黄树权等[20]采用数值模拟对流动水域中的浮体门在不同流速、水深下的受力进行分析，得到浮体门在运行过程中与吃水深度、水流流速以及关闭角度成正相关。

本文采用物理模型试验，对有限流动水域中淹没状态下的浮体结构在运行过程中受力以及倾覆力矩变化进行研究。通过浮体结构体型以及所在水域水流条件的改变，对浮体结构在不同方向作用力以及侧倾力矩的变化进行采集分析，同时，对不同影响因素变化下的浮体结构受力及侧倾的原因以及规律进行了对比分析，给出了增加浮体结构稳定性的建议，可为更好的研究浮体结构的稳定性提供参考依据。

1 试验装置及参数设计

浮体结构所受作用力以及力矩是浮体结构能否安全稳定运行的重要指标，采用物理模型试验，探究淹没状态下的浮体结构在运行过程中由于体型以及来流流速变化所受作用力以及倾覆力矩的变化规律。试验装置主要由四部分组成：自循环供水系统、稳流装置、有机玻璃水槽(包括浮体结构试验区域)、溢流设备(可自动调节上下游水位差为固定值)。有机玻璃水槽的长宽高分别为10.00 m，0.30 m和0.50 m。浮体结构位于水槽中间区域。采用选择闸门调速装置对浮体结构的位置及运行进行精确控制，对流速采用三维超声波多普勒测速仪(ADV)进行采集，并采用电磁流量计进行流量的监测。对于浮体结构在沉浮过程中倾覆力矩的测量，配有整套动态测量系统。

试验过程中，对于浮体结构所受作用力，通过在浮体结构中心位置的水平与垂直方向分别安装精度为±0.5‰的CYL-211力传感器，采集浮体结构所受水流作用力。通过在浮体结构上表面上下游两端分别安装力传感器，设计间接测量倾覆力矩的试验装置，依据牛顿第二定律，得到浮体结构的倾覆力矩MX。试验过程中对采集数据进行相邻32个点的平滑滤波方式进行处理。设定浮体的沉浮速度为0.005 m/s。浮体结构在流动水域运行过程中，浮体结构体型以及流速变化是影响其安全稳定的重要因素。试验过程中浮体结构高度a为0.10 m，上游水位H保持为0.29 m。为探究浮体结构体型以及流速的变化对浮体结构刚完全浸入水体以及在淹没状态下受力以及侧倾力矩的影响，通过改变浮体结构的长度l以及来流单宽流量q，分别设定四种不同高比δ(l/a)以及水流流速v，对两种因素的影响展开研究。图1为试验参数示意图，表1为试验工况表。浮体结构中心点在水槽底部投影为坐标原点，浮体结构在沉浮过程中沿Z轴做上下平动运动，表2为浮体结构在不同时间T下浮体结构底面的位置z。试验过程中，通过闸门调速控制装置对z进行实时测量控制。同时，通过控水流量与水位，调节得到固定的来流流速，通过流速仪对流速进行监测。

表1 试验工况表

图1 参数示意图

2 结果分析与讨论

浮体结构横跨水槽，其两侧通过滑槽与河道水槽连接，因此X方向受力不会对浮体稳定性产生影响。对此，将浮体结构在沉浮过程中，对影响其稳定性的沿水流方向(Y)受力、垂直方向受力(Z)以及侧向力矩MX(绕X轴产生的力矩)进行采集分析。采用控制变量法，对浮体结构体型以及来流流速变化引起的浮体结构受力及力矩变化规律进行探究。

2.1 浮体结构体型

2.1.1Y方向受力

图2为不同浮体体型下沿水流方向浮体结构所受作用力FY图。在相同的流速(v=0.21 m/s)下，不同长高比δ的浮体结构在沿水流方向产生的压力FY并无明显差别。浮体结构自入水至临近水槽底部，之后上浮至临近水面，相同体型下的浮体结构在FY受力上的变化并不明显。在浮体结构完全浸入水体中，沿水流方向，浮体结构主要受到迎、背水面的水体压力以及水流作用，当浮体结构沿水流长度方向发生变化时，对浮体结构上下游位置处的水流流态以及水体压力并不产生影响，因此FY并不随着浮体长度的变化而变化，不同浮体结构受到水流作用，FY大小保持在1.55N左右。且当浮体结构在不同吃水深度下运行时，由于流速水头产生的作用在浮体结构表面的作用力较静水压力而言较小且变化并不大，因此相同浮体结构体型下样水流方向产生的FY变化并不明显。

图2不同δ影响下的FY

2.1.2Z方向受力

图3为浮体结构在相同流速的沉浮过程中Z方向的受力FZ示意图。浮体结构在刚开始下沉过程中，由于吃水深度的突然增大，导致水面出现波动，浮体上半部分在下沉过程中逐渐淹没，因此浮力增大，至完全淹没之后FZ方向受力基本不变，四种浮体结构下，Z方向受力均值分别为28.94 N、59.21 N、88.35 N和118.95 N。在临近水槽底部时(T=40.00 s)，由于浮体由下沉突然变为上浮状态，此位置受力出现突变，四种不同体型下的浮体结构突变值随着δ的增加而增加，其中当δ=4.00时，突变值最大为135.46 N,变化幅度较大，较下降过程比较，增加幅度为11.00%；而δ=1.00时，突变值很小，仅为29.48 N，变化幅度很小，较下降过程比较，增加幅度为1.15%。而δ=2.00和3.00时，突变值较下降过程增加幅度分别为3.35%和5.29%。浮体结构之后匀速上浮，受力逐渐平衡，在临近水面时，水面波动较大，FZ出现轻微减小。整个过程中，由于迎、背水面阻力作用的存在，FZ在下降过程中的受力略大于上浮过程受力，但基本以临近水槽底部为中心点呈现对称分布的趋势。随着浮体结构体型δ的增大，FZ呈现增大的趋势，当浮体沿水流长度增大，导致水体作用在浮体结构的面积增大，从而使所受水体压力增大。

图3不同δ影响下的FZ

2.1.3 侧倾覆力矩

图4为流速不变时，浮体结构在沉浮过程中所受侧向倾覆力矩MX的变化规律。不同体型的浮体结构在沉浮过程中所受到的侧倾覆力矩变化并不相同。随着浮体结构的增大，MX变化较大。在浮体结构刚开始下沉至完全浸水过程中，MX出现突变，随着δ由1.00增加到4.00，MX的突变值随之增大，突变值分别为0.02 N·m、0.13 N·m、0.23 N·m和0.50 N·m。随着吃水深度的增加，浮体结构出现向下游倾斜的趋势，且浮体结构体型越大，侧倾力矩值越大。在最低点时，倾覆力矩达到最大值，当δ为1.00时，倾覆力矩值较小，仅为-0.02 N·m；而当δ为1.00时，浮体结构力矩值达到-0.45 N·m。当浮体结构开始上浮过程中，倾覆力矩快速减小，随着吃水深度的减小，倾覆力矩值出现向上游倾斜的趋势，同样随着浮体结构体型的增大，倾覆力矩值增大，在浮体结构上表面临近出水时，MX同样出现突然变化。在出水以及入水临近过程中，浮体结构较易发生倾覆，且体型越大，变化幅度越大。浮体结构在运行过程中表面所受作用力并不均匀，因此产生压强差，由于体型的增大导致压差点距浮体中心点的距离增大，从而导致倾覆力矩的增大。在浮体结构靠近底部时，浮体结构下部无水流通过，浮体结构上下表面受力不均匀性增大，从而使得浮体结构的侧倾性增大。在出水以及入水瞬间，由于浮体结构迎、背水面所受水压力不同，迎水面处水面与浮体结构上表面齐平，而背水面由于浮体结构的阻挡水面并没有达到浮体结构上表面，因此静水压力差增大；同时在背水面产生的回流区同样增大了浮体结构表面的压强差，所以在出水以及入水瞬间倾覆力矩较大，浮体结构失稳性增大。

图4不同δ影响下的MX

2.2 来流流速

2.2.1Y方向受力

图5为相同浮体结构在不同流速下沿Y方向所受作用力FY示意图。不同的流速下，FY随着流速的增大而增大。由于浮体结构的阻挡作用，水流绕流并经浮体结构上、下泄流经过，主流分散，在浮体结构前部水体流速较大，在浮体背水面区域产生回流区，浮体结构在Y方向所受作用力包括静水压力及水流作用力。在迎水面，速度动能转化成势能作用于浮体结构上，来流流速越大，转化成势能作用在浮体结构的作用力越大，因此FY随着水流流速的增大而增大，四种不同来流流速下，FY的值由小到大分别1.11 N、1.57 N、2.14 N和2.82 N。从图5中可以看出，当浮体结构吃水深度变化时，在沿水流方向产生的作用力大小几乎不受影响。

图5不同流速下的FY

2.2.2Z方向受力

图6为相同浮体结构体型在不同的流速下沿Z方向受力FZ示意图。从图6中可以看出，不同的流速作用下，FZ与水流流速并无明显关系。且FZ以浮体结构位于水槽底部时为中心呈现对称分布。当浮体结构开始向下运行，随着吃水深度的增大，浮体结构所受水体浮力逐渐增大直至浮体结构全部浸入水体中，浮体结构在垂直方向所受作用力并不因为浮体结构所在水域流速以及浮体结构位置变化产生变化。而当浮体结构位于水槽底部时，因为浮体结构突然由下沉转变为上浮，迎、背水面的水流阻力由垂直向上变为垂直向下，因此FZ出现突变，且上浮的作用力略小于下沉过程作用力，突变值同样随着来流流速的增加而增加，四种不同流速下从小到大的FZ突变值分别为91.00 N、94.78 N、95.00 N、98.17 N。从图6中可以看出，以浮体结构位于水槽底部时为对称点，FZ呈现对称分布。

图6不同流速下的FZ

2.2.3 侧倾覆力矩

图7为相同体型的浮体结构在不同流速下沉浮过程中的侧倾覆力矩MX变化趋势图。浮体结构在刚开始运行由于表面所受作用力不平衡，浮体结构所受倾覆力矩MX呈现较大的波动趋势，且突变值随着来流流速的增大而增大。到临近水槽底部时，浮体结构呈现反向增大的趋势，且来流流速越大，浮体结构越容易发生倾覆，在水槽底部，MX达到最大值。在浮体结构位于底部时开始反向运行，由于惯性力的存在，浮体结构上下表面剪力方向突然发生变化，且下部无水流通过，因此浮体结构表面受力不均匀性增大，从而使得浮体结构的侧倾性突然增大。四种不同来流流速下，浮体结构位于底部的力矩突变值分别为-0.20 N·m、-0.28 N·m、-0.30 N·m和-0.48 N·m之后浮体结构反向向上运行，浮体结构开始出现向上游倾覆趋势，力矩开始增大，且随着来流流速的增大力矩值变化增大。当来流流速增加时，作用在浮体结构表面的作用力增加，因此浮体受力的不均匀性增加，因此导致倾覆力矩增加。因此，在浮体结构沉浮过程中，应注意在水域来流流速较大时，浮体结构在出水、入水的瞬间以及浮体结构位于底部时，浮体结构力矩变化引起的倾覆问题。

图7不同流速下的MX

3 结 论

采用物理模型试验，通过设定不同水流流速以及长高比，对有限流动水域中浮体结构运行至完全入水及淹没状态下的受力以及侧力矩进行了对比研究。主要得到以下结论：

(1) 不同长高比下的浮体结构，对来流方向的受力影响并不大；而随着长高比的增加，由于所受压力面积以及压力差的增加，垂直方向的受力以及侧倾力矩出现明显增大趋势，且垂直方向受力增加率与体型增加率几乎相同。

(2) 不同流速下的浮体结构对来流方向的受力作用明显，随着来流流速的增加作用力同样增大。当来流流速增加时，浮体结构的倾覆力矩同样出现增加趋势，不稳定性明显增加。

(3) 浮体结构在临近入水以及出水的过程中，受力及倾覆特性出现突变，在实际工程的应用过程中需进行考虑，且突变值随着浮体结构体型以及来流流速变大出现增加。

(4) 浮体结构位于水槽底部时，受力特性以及倾覆性出现突变，且突变值同样随着浮体结构体型以及来流流速变大出现增加；且浮体结构在下沉上浮过程中，以此位置为对称点，浮体结构受力基本呈现对称分布。