坝前淤泥对闸门启门力影响的模拟相似性及方法

摘要：水库泥沙淤积在闸门前，会增大闸门启门力。如何通过模型试验确定有泥沙淤积时闸门启门力，本文对此进行了探讨。认为淤积在坝前的细颗粒泥沙多数情况下可当做宾汉体泥浆，根据坝前淤泥受力平衡条件，导出淤泥相似准则，并论述了模拟试验方法。

关键词：水库泥沙 闸门淤堵 启门力 泥浆 相似准则 模型试验

1 问题的提出

　　水库建成之后，随着泥沙淤积的不断发展，最终将会淤积到坝前。为了排泄坝前淤泥及维持水库长期使用库容，往往需要设置底孔。在底孔关闭期间，门前会有泥沙淤积^[1]。淤积在门前的泥沙不仅增加了对闸门的水平压力，而且还增加了对闸门的附着力(粘结力)，导致闸门启门力增大。由于启门力是选择闸门启闭机容量的重要依据，所以泥沙淤积对闸门启门力的影响是设计人员所关注的重要问题之一。

　　在闸门前有泥沙淤积情况下，如何确定启门力，目前还几乎没有方法可循。工程设计中常常是在确定了清水启门力之后，然后考虑到门前泥沙淤积，再乘以一个大于1的系数，作为有泥沙淤积时的启门力，但该系数确定往往凭经验而定，带有相当的盲目性。文献[2]针对三门峡水库具体情况，曾给出一个有泥沙淤积时启门力经验公式，但在应用中也有一定的局限性。那么，解决该问题的另一途径就是模型试验。但由于模型试验中的一些关键技术问题至今未解决，如门前淤泥相似等，所以这方面的模型试验工作还未见诸报道，可以说还是一个空白。而工程设计又迫切需要模型试验研究人员提供有泥沙淤积时闸门启门力，因而尽早开展这方面的研究工作非常必要。本文对门前淤泥相似准则及模拟试验方法进行了探讨，以便能够更好地开展这方面研究工作，满足工程设计需要。

2 门前淤泥相似准则

　　粘性细颗粒淤泥，随着其固结程度，含水量不同，其所处的物理状态也不同。当淤泥未固结，含水量较多时，属于宾汉体泥浆。随着淤泥固结，含水量变小，其力学性质发生根本变化，不再具有泥浆性质，而属于土力学所研究的范围。淹没在水下的坝前粘性细颗粒新鲜淤积物多数情况下为宾汉体泥浆。文献[3]认为，如果淤泥的干容重在810kg/m³～1080kg/m³左右，那么就属于泥浆。表1统计了国内几座大型水库实测的坝前淤泥干容重^[4]。可见，这些水库坝前淤泥大部分为泥浆。

　　对于处在静止状态下的泥浆，作用的外力同时有重力、粘结力及压力，而粘结力起主导作用。由于影响粘结力的因素十分复杂，目前还难以用理论关系式表达，但粘结力与切力之间存在如下关系^[5]

式中：τ为泥浆切应力；p为压强；嘉泥沙内摩擦角；c为单位面积的粘结力。

表1 国内几座大型水库坝前淤泥干容重统计

　　泥浆的内摩擦角主要与相对干容重γ′/γ_s有关(其中γ′为泥浆干容重，γ_s为沙粒容重).根据γ′/γ_s可计算出泥浆的内摩擦角^[6，7]。通过调整模型泥浆稠度，改变其干容重，可以使模型与原型泥浆内摩擦角相同^[8]。如果模型与原型泥浆内摩擦角相同，则由式(1)可推导出如下相似关系

　　式(2)、式(3)表明，在泥浆内摩擦角相同情况下，若泥浆切应力比尺能够满足相似要求，就能保证泥浆粘结力和压力相似。

　　为了导出泥浆切应力相似比尺关系式，列出泥浆静态平衡方程式如下^[9]

式中：p、τ分别为法向应力(压强)和切应力，其下标第1个坐标表示应力分量所垂直的面，第2个坐标表示应力的方向，且有τ_xy=τ_yx，τ_xz=τ_zx，τ_yz=τ_zy；ρ为泥浆密度；x、y、z分别为单位质量力在x、y、z方向的分量，当质量力仅是重力时，则x=y=0,z=-g.

　　若模型与原型泥浆相似，则模型与原型对应的物理量必成同一比例，即

式中：脚标p表示原型；m表示模型。

　　将上述比例常数代入式(4)中，进行相似变换，得到

式中：λ_p为泥浆压强比尺；λ_τ为泥浆切应力比尺；λγ_m=λ_ρλ_g为泥浆容重比尺；λ_i为几何比尺。

　　宾汉体泥浆的切应力方程为

式中：τ为切应力；τ_b为极限剪应力；η为刚度系数；dv/dn为流速梯度。τ_b、η可通过流变试验确定。对于静态泥浆dv=0，则有

将式(9)代入式(6)中，得

　　满足式(10)就能保证泥浆粘结力和重力同时相似，而泥浆压力相似是粘结力和重力相似的必然结果。由式(5)可确定浆泥压强或压力比尺。

　　文献[8]在模拟坝前粘性淤积物局部冲刷漏斗时，正是按式(10)相似条件配制模型泥浆，并使模型与原型泥沙内摩擦角相同，进行冲刷漏斗试验，得到的试验成果较为合理。这表明若模型泥浆配制满足上述相似条件，就能保证模型与原型泥浆作用力相似。

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