弧形閘門(mén)物理模型試驗(yàn)分析研究

冷 濤(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

弧形閘門(mén)具有啟閉力小、過(guò)流流態(tài)好、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、閘墩厚度小等優(yōu)點(diǎn)，因此在水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越多[1,2]。例如南京劃子口的大跨度弧形閘門(mén)[3]、嘉陵江新政航電泄洪弧形閘門(mén)[4]等。但是，弧形閘門(mén)在水工程中的服役受到多因素的干擾，當(dāng)弧形閘門(mén)在高淹沒(méi)度條件下啟閉時(shí)，水流脈動(dòng)壓力會(huì)對(duì)門(mén)體的安全運(yùn)行造成極不利的影響[5]。例如1966年浙江省某排澇擋潮閘和1971年江蘇省某節(jié)制閘弧形閘門(mén)的失事。前者失事是因?yàn)槌崩藳_擊使閘門(mén)發(fā)生支臂失穩(wěn)破壞，后者是因?yàn)轱L(fēng)浪沖擊門(mén)葉上部使閘門(mén)主梁上弦桿斷裂[6,7]。

某水利樞紐布置有18孔16 m×17.5 m(寬×高)弧形工作閘門(mén)，由于閘底板高程設(shè)置較低，該閘門(mén)需在高淹沒(méi)度條件下局部開(kāi)啟，運(yùn)行過(guò)程中將不可避免地要受到下游水流漩滾的沖擊，水流脈動(dòng)壓力將對(duì)門(mén)體的安全運(yùn)行造成不利的影響，而且該閘門(mén)接近超大型弧形閘門(mén)。為保證閘門(mén)的安全運(yùn)行，本文將結(jié)合該工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析、物理模型試驗(yàn)研究，完善閘門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，揭示其存在的問(wèn)題，提出合理化建議，為設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，確保閘門(mén)的運(yùn)行安全。

1 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 閘門(mén)物理模型基本資料

模型的設(shè)計(jì)與制作均按相關(guān)規(guī)范[8,9]中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。本試驗(yàn)選擇水力學(xué)模型幾何相似比尺為λl=25，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，幾何正態(tài)。相應(yīng)的其他物理量比尺見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)各物理量比尺及對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于本工程主要研究弧形工作閘門(mén)在啟閉及局部開(kāi)啟情況下的靜、動(dòng)力特性，因此閘門(mén)水力學(xué)模型模擬其中一個(gè)完整的泄洪閘孔，沿水流方向主要模擬范圍為泄洪閘進(jìn)口段、閘室段以及下游連接段，模型上游通過(guò)連接段與進(jìn)水池直接連接，下游增加一定的過(guò)渡段后與下游出水池相接，以保證閘室段前后的水流流動(dòng)相似，模型布置見(jiàn)圖1。

圖1 閘門(mén)水力學(xué)模型

1.2 閘門(mén)物理模型制作

由于本工程主要研究弧形工作閘門(mén)在啟閉及局部開(kāi)啟情況下的靜、動(dòng)力特性，因此閘門(mén)水力學(xué)模型模擬其中一個(gè)完整的泄洪閘孔(含泄洪閘進(jìn)口段、閘室段以及下游連接段，模型上游通過(guò)連接段與進(jìn)水池)。為了流態(tài)觀察方便，閘室段至消力池段(消力池尾坎樁號(hào)為壩橫0+107.0 m)全部采用有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，上下游連接段采用水泥沙漿進(jìn)行制作。閘門(mén)采用白鐵皮制作，模擬其結(jié)構(gòu)形式、鋼板厚度，布置見(jiàn)圖2。為了閘門(mén)啟門(mén)力測(cè)試的準(zhǔn)確性，閘門(mén)制作過(guò)程中準(zhǔn)確模擬閘門(mén)各部分的幾何尺寸、閘門(mén)重量以及閘門(mén)的質(zhì)量分布，制作完畢的模型閘門(mén)實(shí)測(cè)自重(換算到原型)約252 t。

圖2 閘室及上下游連接段模型

1.3 模型控制裝置及量測(cè)儀器

原型閘門(mén)的啟閉控制采用兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)油壓?jiǎn)㈤]機(jī)進(jìn)行同步控制，即雙吊點(diǎn)啟閉控制方式。閘門(mén)物理模型試驗(yàn)主要模擬閘門(mén)的啟閉過(guò)程，并且對(duì)啟閉機(jī)的啟閉力進(jìn)行測(cè)量。

模型上下游水位觀測(cè)同時(shí)由振動(dòng)針式水位儀和水位測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)，前者可與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，后者由人工測(cè)量；閘門(mén)啟閉過(guò)程中的啟閉力和支鉸推力均采用有標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出(±5 V)的SF200系列拉壓力傳感器，通過(guò)CRAS V4.0X 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集與分析；閘門(mén)啟閉過(guò)程中閘門(mén)面板的位置隨閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程不斷發(fā)生變化，時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)難以采用傳統(tǒng)的測(cè)壓管法進(jìn)行測(cè)量，本試驗(yàn)中采用CYG1144型壓力傳感器作為一次儀表，由CRAS V4.0X數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集與分析；閘門(mén)啟閉過(guò)程中出閘水流流態(tài)通過(guò)拍照及攝像的方法進(jìn)行水流流動(dòng)的輔助測(cè)量。

2 閘門(mén)物理模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工況

本模型試驗(yàn)中采用固定一個(gè)下游水位，將上游水位進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)的方法進(jìn)行。共對(duì)10種工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，孔口高度按校核水位49.00 m與閘底板高程30.00 m的差計(jì)算，具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

2.2 過(guò)閘水流流態(tài)

工況9、工況10因閘下水位較低，閘門(mén)各開(kāi)啟高度下，過(guò)閘水流均為自由出流流態(tài)，閘后水躍躍首位于消力池池首及下游附近，屬于臨界或遠(yuǎn)驅(qū)水躍，閘下的水躍旋滾對(duì)閘門(mén)沒(méi)有沖擊等不利影響。

工況1～工況8由于下游水位較高，幾乎閘門(mén)所有開(kāi)啟條件下，過(guò)閘水流均處于閘孔淹沒(méi)出流狀態(tài)。上下游水位差較小時(shí)，閘門(mén)上下游水流平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小，過(guò)閘水流在閘門(mén)后形成的漩滾不明顯。上下游水位差較大，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟高度較小時(shí)(小于孔口高度的20%)，上下游水流仍然較平穩(wěn)，水面波動(dòng)不大，閘門(mén)后漩滾較弱；當(dāng)開(kāi)啟高度較大時(shí)(約孔口高度的50%)，上下游水流波動(dòng)劇烈，閘門(mén)后形成明顯的強(qiáng)烈漩滾，而且水流漩滾對(duì)閘門(mén)有明顯的拍擊作用。試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖3。

2.3 閘門(mén)面板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)

本工程閘門(mén)需在高淹沒(méi)度條件下局部開(kāi)啟，運(yùn)行過(guò)程中除了閘門(mén)上游面板受水流壓強(qiáng)的作用外，下游面板也受門(mén)后漩滾的沖擊作用。為了全面觀測(cè)閘門(mén)上下游面板的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布，模型中分別在上下游側(cè)閘門(mén)面板中線各布置了6個(gè)和5個(gè)壓力傳感器，其中1～6號(hào)測(cè)點(diǎn)布置于閘門(mén)上游側(cè)面板，7～11號(hào)測(cè)點(diǎn)布置于閘門(mén)下游側(cè)面板。閘門(mén)不同開(kāi)度各壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程見(jiàn)表3。由于閘門(mén)在不同開(kāi)度位置時(shí)各壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)的高程將隨閘門(mén)開(kāi)度的不同而變化，閘門(mén)不同開(kāi)度各壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程也將隨之變化。部分工況試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，典型工況特征開(kāi)度閘門(mén)面板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布見(jiàn)圖4。

圖3 淹沒(méi)出流過(guò)閘水流流態(tài)(上游水位49.00 m，下游水位44.13 m，閘門(mén)開(kāi)度0.6)

表3 閘門(mén)不同開(kāi)度壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)高程 m

表4 典型工況特征開(kāi)度閘門(mén)面板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng) kPa

注：“-”表示該測(cè)點(diǎn)在本工況下處于水位線以上，測(cè)點(diǎn)無(wú)測(cè)值。

圖4 典型工況特征開(kāi)度閘門(mén)面板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)分布

通過(guò)分析工況2～工況10共9種工況的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，閘門(mén)上下游面板的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)總體上呈底部大、上部小的規(guī)律分布。

2.4 閘門(mén)啟閉力

弧形閘門(mén)在啟閉過(guò)程中，閘門(mén)重心、作用在閘門(mén)上的水壓力荷載以及啟閉機(jī)的力臂均隨閘門(mén)開(kāi)度的變化發(fā)生變化，為了了解整個(gè)閘門(mén)啟閉過(guò)程中啟閉力的變化規(guī)律，驗(yàn)證啟閉機(jī)容量設(shè)計(jì)的合理性，試驗(yàn)中對(duì)8種(工況1～工況8)水位組合工況閘門(mén)在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中的啟閉力進(jìn)行了測(cè)試。

試驗(yàn)分析表明，閘門(mén)啟閉過(guò)程中，相同開(kāi)度條件下啟門(mén)力大于閉門(mén)力。閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中總體上啟門(mén)力隨著開(kāi)度的增加而增加，在開(kāi)度0.6附近啟門(mén)力達(dá)到最大值，之后啟門(mén)力稍有減小后再有所增加。最大啟門(mén)力出現(xiàn)在工況4的0.6開(kāi)度，啟門(mén)力為3 145 kN，沒(méi)有超過(guò)啟閉機(jī)的容量。根據(jù)項(xiàng)目要求，試驗(yàn)中對(duì)工況9、工況10閘門(mén)從關(guān)閉狀態(tài)開(kāi)啟瞬時(shí)的啟門(mén)力進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)得閘門(mén)擋水開(kāi)啟瞬時(shí)最大啟門(mén)力出現(xiàn)在工況9，最大啟門(mén)力為3 169 kN。

2.5 閘門(mén)支鉸推力

(1)閘門(mén)擋水支鉸推力。試驗(yàn)中對(duì)閘門(mén)另設(shè)5種擋水工況，進(jìn)行支鉸的推力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 閘門(mén)擋水時(shí)支鉸推力

表5中的結(jié)果表明，在閘下水位不超過(guò)閘底板高程(30.00 m)時(shí)，隨著閘門(mén)擋水水位的升高，支鉸推力也隨之增加；相同上游水位，閘下水位超過(guò)閘底板高程(30.00 m)時(shí)，支鉸推力隨下游水位的升高而減小。

(2)閘門(mén)啟閉過(guò)程支鉸推力。試驗(yàn)中對(duì)工況A、工況C和工況E 3種水位組合下閘門(mén)啟閉過(guò)程的支鉸推力進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 閘門(mén)啟閉過(guò)程支鉸推力變化 kN

由表6中的結(jié)果可以看出，與擋水工況相比，閘門(mén)啟閉過(guò)程中支鉸推力總體上不大。閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，支鉸推力基本一致，同一開(kāi)度條件下，上下游水位差對(duì)支鉸推力的影響較顯著。

(3)閘門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)支鉸推力。由于閘門(mén)擋水時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟的瞬間，啟閉機(jī)桿的拉力也會(huì)傳遞至支鉸，增加支鉸的推力，因此試驗(yàn)中為觀測(cè)啟閉瞬時(shí)支鉸推力，添加了3種擋水工況，閘門(mén)啟閉瞬時(shí)的支鉸推力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 閘門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)支鉸推力

從表7中的結(jié)果可以看出，閘門(mén)擋水啟閉瞬時(shí)支鉸推力比相應(yīng)擋水工況有較大的增加，實(shí)測(cè)最大支鉸推力為12 475 kN。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文考慮到弧形閘門(mén)在高淹沒(méi)度條件下啟閉時(shí)下游水流漩滾所引起水流脈動(dòng)壓力對(duì)門(mén)體安全的不利影響，結(jié)合某水利樞紐工程實(shí)例進(jìn)行弧形閘門(mén)的物理模型試驗(yàn)，以不同的閘門(mén)啟閉狀態(tài)、閘門(mén)開(kāi)度、上下游水位組合出10種工況，并對(duì)閘門(mén)在不同工況下的流態(tài)、動(dòng)水壓強(qiáng)、閘門(mén)啟閉力和支鉸推力進(jìn)行了觀測(cè)或分析。

給出了上下游水位與閘門(mén)開(kāi)度對(duì)流態(tài)的影響及面板時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)總體上呈底部大、上部小的分布規(guī)律；測(cè)出啟閉過(guò)程中最大啟門(mén)力為3 145 kN，瞬時(shí)最大啟門(mén)力3 169 kN，沒(méi)有超過(guò)啟閉機(jī)的容量；試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知在擋水位較低或者水位差較小時(shí)啟閉閘門(mén)可減小閘門(mén)支鉸推力。該試驗(yàn)結(jié)論對(duì)其他類似工程的分析研究具有一定的參考價(jià)值。

□

[1] 牛志國(guó)，李同春，趙蘭浩，等.弧形閘門(mén)參數(shù)振動(dòng)的有限元分析 [J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008,27(6)：101-104.

[2] 劉晨生.淺談大洑潭水電站溢流壩弧形閘門(mén)制造工藝 [J].廣東水利水電，2007,(5):64-66.

[3] 陳錫林，沈長(zhǎng)松.江蘇水閘工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[4] 李火坤，練繼建，楊 敏.新政航電泄洪弧形閘門(mén)水動(dòng)力特性模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006,(10)：61-65.

[5] 張燎軍，陳文龍.吉林臺(tái)深孔弧形閘門(mén)動(dòng)力特性研究 [J].廣西水利水電，2003,(1)：8-11.

[6] 章繼光，劉恭忍.輕型弧形鋼閘門(mén)事故分析研究 [J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1992,(3)：50-57.

[7] SL265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] SL155-95，水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[9] SL159-2012，閘門(mén)水力模型試驗(yàn)規(guī)程[S].