浮体结构沉浮过程周围水流特性研究

崔贞　傅宗甫　吴柯凡

摘要：浮体结构作为一种环境友好型装置已广泛应用于平原防洪水利工程，但在浮体沉浮过程中，周围水流变化会影响浮体结构的安全运行。采用物理模型试验，对浮体结构长度以及吃水深度不同时浮体周围的水力特性及回流区进行了测量分析。结果表明：由于浮体的阻挡，靠近浮体背水面位置的水流流速减小；吃水深度增大导致过水断面减小，最大流速增大且位置下移，回流区范围增加；浮体结构长度变化对流速分布影响较小，但随着长度增加，回流区长度减小；浮体长度的增加以及吃水深度的减小会提高浮体结构的稳定性。

关 键 词：浮体结构； 吃水深度； 浮体长度； 水力特性； 回流区

中图法分类号： TV663+.5 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.025

0 引 言

随着中国水利建设的迅猛发展和对环境协调要求的提高，浮体结构作为一种适合于沿海地区以及内河水利枢纽工程建设中应用的新型构筑物，由于可在工厂制作和现场安装，且兼顾防洪、通航以及景观保护等优点，在水利工程中得到了广泛应用［1-3］。

浮体结构通常横跨于有限水域（河道），为两侧有岸墙约束的大宽长比的浮体结构，水域宽度为浮体结构的宽度，沿水流长度为浮体长度。浮体结构通常需要维持其在水平状态下沉浮运行，在水流的作用下浮体容易发生沿水流方向的倾覆，

影响工程安全［4-6］。因此，对浮体结构在沉浮过程中周围水流结构进行研究有着重要意义。王珊、崔贞等［7-8］曾对有限水域中浮体结构的周围流场进行了研究，得知浮体结构稳定性随着浮体结构体型、位置以及水位条件的变化而呈现不同的变化趋势。Cui等［9］的研究表明，淹没状态下浮体的稳定性受浮体结构体型、位置以及水力变化条件的影响，浮体参数的变化会影响浮体周围的水流流态。张李萍［10］通过物理试验和数值模拟相结合的方法对水流作用下浮体闸在启闭过程的水力学特性进行了系统描述，结果表明浮体闸所受转动阻力与吃水深度、转动速度以及来流流速之间存在正相关关系，浮体闸迎水面的压强分布明显大于下游背水面压强。崔贞等［11］还采用数值模拟及物理模型试验得到影响浮体结构稳定性的敏感性因素，并发现浮体表面所受压力以及水流特性受浮体结构及水力因素影响巨大。

但是，学者们对于浮体结构在动水中沉浮过程周围水力特性及阻水效应的研究目前还较少涉及。因此本文采用物理模型试验对浮体结构在动水中沉浮时周围的水流结构进行分析研究。通过控制变量法，对浮体长度以及来流条件变化引起的结构周围水流流态进行研究，测量水面线、特征断面流速分布并进行对比，分析回流区的长度变化，从而给出浮体结构运行过程中水力特性的变化规律，为浮体结构的控制运行提供参考依据。

1 试验装置及设计

试验装置采用自循环有机玻璃水槽，长×宽×高为10.00 m×0.30 m×0.50 m，浮体结构采用有機玻璃制成，位于水槽中心区域，具体结构如图1（b）所示。因试验所用流量较小，测量精度要求较高，因此在输水管处直接安装精度为±0.5%管道式电磁流量计进行流量监测；在上下游水面稳定处安装精度为0.10 mm的测针进行水位读取；采用步进式闸门调控系统控制浮体结构吃水深度，调控精度为1.00 mm；采用三维超声波多普勒测速仪（ADV）（0.02 m/s）测量流速。

为研究不同结构长度以及吃水深度下浮体周围水流特性分布，将来流单宽流量q以及下游水位H′分别固定为0.07 m2/s以及20 cm。浮体宽度B与水槽同宽，为30 cm，浮体高度a为10 cm，浮体结构沿水流方向的长度L分别设定为10，20，30以及40 cm。浮体结构吃水深度h分别选为2，4，6，8 cm。试验过程中对不同长度以及吃水深度下浮体周围的水位、流速分布以及回流区特性进行测量。图2为参数示意图，图中v为来流流速，H为上游水位，E为距底高度，H′为下游水位，ΔH为上下游水位差。表1为试验组次设计表。

2 试验结果及分析

水流受到浮体结构的阻挡，在浮体结构迎水面处产生壅水形成阻水效应，并对上、下游水面线产生影响。

2.1 浮体结构阻水效应

试验过程中，沿水流方向为Y方向，水深为Z方向，浮体结构中心位于Y=0处。不同试验条件下水面线测点位置Y选取为±150.00 cm、±120.00 cm以及±90.00 cm～±20.00 cm之间测点，间距为10.00 cm。试验中对浮体迎水面和背水面的水位进行了加密测量，同时对不同条件下浮体上游壅水起始点以及壅水长度进行测量，结果见表2。

2.1.1 不同浮体结构长度下水面线分布

浮体结构的存在，导致水流接近浮体结构时，靠近浮体结构迎水面出现小幅度的壅水，浮体的阻挡致使浮体处水面线突降，绕过浮体的水流属于孔流，仅在浮体下游约1倍浮体长度范围内水位有明显波动。吃水深度相同情况下，当浮体结构长度变化时，相应迎水面壅水位置起始点会发生变化，但对壅水长度影响并不大，且浮体长度变化对下游水面线变化趋势影响不大。

2.1.2 不同浮体结构下吃水深度水面线分布

上下游水面线受浮体结构不同吃水深度的影响。在相同浮体结构长度下，吃水深度较大时，迎水面的壅水长度增加。由于浮体的存在减小了过流断面的面积，水流流线在浮体迎水面收缩，在下游扩散，加上浮体本身的阻力等因素，使水流的局部阻力增大，造成局部水头损失，形成浮体上下游的水位差，吃水深度越大，则阻力越大。

由于水位差的存在，浮体迎水面的压强比背水面稍大，因此迎、背水面产生压差。随着吃水深度进一步增大，迎水面以及背水面所受压强整体增大，迎水面处出现小幅度壅水，压强明显增大；而浮体背水面位置出现小范围滞水，压强较小，迎、背水面的压强差增大，浮体表面所受压强的不均匀分布较明显，因此随着吃水深度的增加，浮体结构的稳定性减小。

2.2 浮体结构下游断面流速分布

在距离浮体结构上游较远位置处，来流流速分布均匀，受浮体结构的影响较小；靠近浮体结构时，流速分布开始出现不均匀，经过浮体的阻挡作用，浮体迎水面处水流流速减小，水流经浮体结构的下部进入下游，下层水流的流速增大。下游的流速分布中，在靠近浮体结构背水面位置处流速较小，下游流速分布呈现自上而下增大的变化趋势，最大流速发生在近底层处，在距离浮体结构背水面下游位置10～11倍浮体长度时，流速分布基本恢复均匀。试验过程中，对于浮体下游回流区中心断面处的流速分布进行了测量分析。

2.2.1 不同浮体结构长度时下游断面流速分布

图3中，y/H′为流速测点在下游回流区中心断面测点位置。其中，当h=2 cm、浮体结构长度为30，40 cm时，下游区域不存在回流区。当吃水深度相同时，不同浮体结构长度对断面流速分布几乎无影响，而受吃水深度的影响，流速分布变化较大，随着吃水深度的增加，最大流速增大，且最大流速发生位置逐渐下移。

2.2.2 不同吃水深度时下游断面流速分布

图4为不同吃水深度下回流区中心断面处的流速分布。从图4中可以看出：当浮体结构相同时，下游断面的最大流速随着吃水深度的增大呈下移趋势。当浮体结构下沉时，过水断面减小，引起浮体结构的主流区开始向下偏移，因此最大流速发生位置开始下偏。在高于位置y/H′=0.60处，随着吃水深度的减小，流速呈现增大的趋势，在h=2 cm时达到最大；而在低于y/H′=0.60处，随着吃水深度的增加，流速呈增大趋势。

2.3 回流区长度

浮体结构在流动水域运行过程中，其背水面会产生回流区，回流区内流速较小，且存在负流速，随着浮体结构长度以及吃水深度的变化，回流区的长度D会发生变化，表3给出了不同试验条件下回流区长度分布。

当吃水深度较小时，较长的浮体结构下游区域不产生回流区。而当吃水深度增加時，随着浮体结构长度的增加，回流区长度减小，在长度L=40 cm时，回流区长度最小。流经浮体结构下部的水流进入到下游区域迅速扩散，当浮体长度较小时，主流由于惯性作用进入到下游区域，对浮体结构背水面回流区影响较小，因此回流区较长，造成浮体背水面压强减小，迎背水面的压差增大，浮体结构的稳定性降低。当浮体结构长度相同时，随着吃水深度的增加，回流区长度明显增加，在吃水深度为8 cm时，回流区长度达到最大。当浮体结构吃水深度增大时，流经浮体结构下部的主流流速增加，对回流区影响范围变小，背水面回流区范围增大，因此回流区较长。

3 结 论

本文采用物理模型试验，分析了不同吃水深度以及长度的浮体结构在有限流动水域内沉浮过程中的阻水效应及水流特性，得到以下结论：

（1） 在水流接近浮体结构时，上游水面开始出现壅水；浮体结构长度的变化对壅水长度影响并不大；而随着吃水深度的增加，上游壅水长度明显增加，导致上下游水位差增大，浮体的阻水效果更明显，浮体的稳定性较小。

（2） 浮体结构长度不同时，下游断面流速分布规律基本相同，自下而上流速先增大后减小；随着浮体结构吃水深度的增加，下游回流区断面处的最大流速发生位置向下移动，且由于过流断面的减小，最大流速增大。

（3） 随着浮体结构长度的减小以及吃水深度的增大，回流区范围呈现增大的趋势，进而导致迎、背水面压强差增大，浮体结构的稳定性降低。

参考文献：

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［9］CUI Z，PAN S，CHEN Y.The hydrodynamic moment of a floating structure in finite flowing water［J］.Fluids，2021，6（9）：307.

［10］张李萍.浮体闸定位过程水力特性研究［D］.南京：河海大学，2007.

［11］崔贞，傅宗甫，顾晓峰，等.浮体结构对下游水流结构影响［J］.河海大学学报（自然科学版），2018，46（5）：433-437.

（编辑：胡旭东）

Surrounding water flow characteristics in sinking and floating process of floating structures

CUI Zhen1，FU Zongfu2，WU Kefan1

（1.School of Civil Engineering and Architecture，Changzhou University of Technology，Changzhou 213032，China； 2.College of Water Conservancy & Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract： As an environmentally friendly device，floating structures have been widely used in plain flood control water conservancy projects.However，during the sinking and floating process of a floating structure，the change of surrounding water flow will affect the safety operation of the floating structure.In this paper，the physical model test was carried out to measure and analyze the hydraulic characteristics and recirculation zone around the floating structure when the floating structure length and draft depth were different.The results showed that the flow velocity near the back surface of the floating structure decreased due to the blocking of the floating body.The increase of draft depth led to the decrease of cross section，so the maximum velocity increased and the position moved down，and the range of the recirculation zone increased.The change of the floating structure length had little effect on the flow velocity distribution，but the recirculation zone length decreased with the increasing of the floating structure length.The increase of the floating structure length and the decrease of the draft depth would improve the stability of the floating structure.

Key words： floating structure；draft depth；floating structure length；hydraulic characteristics；recirculation zone

收稿日期：2022-07-15

基金項目：国家重点研发计划项目（2018YFD0900805）；江苏省高校自然科学面上项目（20KJD430002）；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（202211055068X）

作者简介：崔 贞，女，讲师，博士，研究方向为工程水力学。E-mail：cuiz@cit.edu.cn

通信作者：傅宗甫，男，副教授，博士，研究方向为工程水力学。E-mail：zffu@hhu.edu.cn