人字門啟閉力影響分析及Z值選取

陳景祥，楊美潔，楊 磊

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510611；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西 南寧 537226)

目前國內(nèi)人字門啟閉力計算多采用《船閘閘閥門設計規(guī)范》[1]規(guī)定的公式：

(1)

式中：T為人字門啟閉力；k為安全系數(shù)；R為啟閉力臂；M為總阻力矩，其計算公式：

M=M1+M2+M3+M4

(2)

式中：M1為頂樞和底樞摩擦阻力矩；M2為風力阻力矩；M3為運動慣性阻力矩；M4為水位壅高阻力矩。

由式(1)可知，在啟閉機布置確定后，人字門啟閉力大小主要受總阻力矩M影響。其中摩擦阻力矩M1、風力阻力矩M2和運動慣性阻力矩M3之和占總阻力矩約10%，水位壅高阻力矩M4占總阻力矩約90%[2]。人字門啟閉力大小主要受水位壅高阻力矩影響。

人字門水位壅高阻力矩M4的計算公式：

M4=0.5h2L2Z

(3)

式中：h2為門扇淹沒水深高度；L為門扇寬度；Z為人字門啟閉時門前后水壓差。Z值在規(guī)范中推薦取0.5～1.5 kPa，最大值為最小值的3倍，且規(guī)范未對Z值選取依據(jù)做出具體說明，與此相關的文獻甚少。目前設計人員計算啟閉力時，多偏保守考慮而取大值，啟閉機容量富余較多，造成工程浪費。國內(nèi)一些大型船閘原型觀測結(jié)果也表明人字門工作啟閉力遠小于額定啟閉力[3-5]。且人字門啟閉力選取過大，若遇到門葉阻卡事故時，還容易造成門葉和頂樞拉桿破壞[6]。

本文依托大藤峽船閘下閘首人字門數(shù)值模擬計算和物理模型試驗成果，通過定量分析啟閉力影響因素的效果，為船閘人字門啟閉力計算時Z值選取提供科學依據(jù)，使計算結(jié)果更符合實際。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×5.8 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)。船閘下閘首人字門，門高47.50 m。最大擋水高度46.05 m，最大淹沒水深26.29 m，單扇閘門寬20.2 m，門厚3.234 m，門質(zhì)量約1 200 t，由臥式直聯(lián)液壓啟閉機操作。該人字門是目前國內(nèi)最大的船閘人字門，對其啟閉力分析研究具有很強的借鑒意義。

2 研究思路及方法

船閘人字門啟閉過程中所受阻力及產(chǎn)生機理十分復雜，影響船閘工作閘門水動力特性的因素眾多，其中門底間隙、門龕體形和運動參數(shù)是最為典型的3個因素，直接影響啟閉過程在門體前后產(chǎn)生水位差，進而影響啟閉力。

本文主要采用三維數(shù)學模型模擬計算和物理模型試驗相結(jié)合的方法進行研究。首先通過三維數(shù)值模擬計算，模擬計算與分析人字閘門啟閉運行過程門體附近局部水流流態(tài)和三維流場結(jié)構的基礎上，研究門底間隙和門龕體形對動水阻力矩的影響，分析邊界條件改變對大藤峽船閘人字閘門水動力特性的影響，在此基礎上建立物理模型研究閘門啟閉運行方式對啟閉力的影響。

2.1 人字門啟閉流場分布

人字門是靜水啟閉，但水流受門體旋轉(zhuǎn)擾動為非恒定流問題，在人字門迎水面產(chǎn)生水位壅高。通過選用彈簧光順法與局部網(wǎng)格重構法相結(jié)合的非結(jié)構動網(wǎng)格計算機技術對流體力學問題進行數(shù)值模擬分析。以人字閘門勻速運動時間180 s為例，實際過程啟閉必然有初期加速及后期減速階段，數(shù)值模擬時將人字門運動方式等價簡化為1～2 s勻加速、2～179 s勻速、179～180 s勻減速3個階段，得出人字門啟閉過程中的流場分布[7]。

閉門初期，人字門從門龕位置開始推動水體，因此啟動初期必然會導致門龕內(nèi)水位下降，門體前后產(chǎn)生水位差，引起門前水流通過底部、門頭及門尾位置處間隙向門內(nèi)補水，門底形成橫軸漩渦。補水水流在門后形成交匯，由于門龕體形是“窄長”且閘門門頭處水流不暢，在門龕中往復振蕩形成水面波動，流場分布見圖1a)。

隨著人字門門體關閉，水流繞過門頭同開門階段一樣發(fā)生分離，在背離閘門運動方向面形成一個豎軸漩渦，當人字門的門體和門頭離開門龕時漩渦迅速發(fā)展，此漩渦尺寸隨著人字門的門體靠近全關位而逐漸變大，漩渦中心逐漸向全關位移動，流場分布見圖1b)。

閉門末期，人字門運動推動水體至全關位階段，門體、另一側(cè)人字門邊界及門底門檻共同作用，使閘門前水位壅高，水流受擠壓向門底、門頭及門尾處間隙流動，此時門前水流垂向速度向下，水平流速向門體門頭及門尾兩側(cè)，受擠壓水體通過門頭處流動方向與關門過程中形成豎軸漩渦方向一致，此水體沿閘墻流動并與漩渦匯合。通過門尾縫隙流向閘門另一側(cè)，水體運動方向與漩渦旋轉(zhuǎn)方向相反，與漩渦充分能量交換后速度逐漸較小。門底、門頭及門尾處間隙流動均形成較大的流速，流場分布見圖1c)。

圖1 關門時3個典型時刻的表面流場分布

啟門過程的流場與閉門過程流場壓力分布相似，方向相反。由圖1可知，人字門啟閉過程水位壅高峰值主要出現(xiàn)在人字門開關初、末期，這與人字門啟閉力過程線呈馬鞍形分布是相吻合的。

2.2 門底間隙對啟閉力影響

根據(jù)人字門的表面流場分析可知，門底間隙大小影響水流通過底部的通暢與否，繞流形成的橫軸漩渦影響豎軸漩渦的長度。門底間隙越大，豎軸漩渦長度越短，門體運行受力越小，在開關門初期和末期影響尤為突出。通過數(shù)值計算門底間隙1.0、2.0、2.5和3.0 m 4個工況下人字門勻速180 s啟閉過程各階段動水阻力矩，計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同門底間隙下動水阻力矩峰值計算值

開門階段，當門底間隙由1.0 m增加到2.0 m，開門初動水阻力矩峰值及開門末期動水阻力矩峰值分別下降5%、1%；由1.0 m增加到2.5 m，開門初動水阻力矩峰值及開門末動水阻力矩峰值均下降7%。以上結(jié)果說明，門底間隙對開門初期動水阻力矩峰值影響較為明顯，主要是因為人字門開門初期兩扇閘門門頭間縫隙小，若門底間隙過小，在此階段門前后水位差必然迅速增大，門前水位在此門位之前將持續(xù)壅高。當門底間隙由2.5 m繼續(xù)增大時，阻力矩趨于平穩(wěn)，降低不明顯。

關門階段，門底間隙由1.0 m增加到2.0 m時，關門初及關門末阻力矩峰值分別下降31%、3%；由1.0 m增加到2.5 m時，關門初及關門末阻力矩峰值分別下降36%、3%；由1.0 m增加到3.0 m時，關門初及關門末阻力矩峰值分別下降39%、4%。以上結(jié)果說明，關門初期動水阻力矩峰值對門底間隙大小更為敏感，隨著門底間隙增大，關門初期的阻力矩峰值有明顯降低。

2.3 門龕體形對啟閉力影響

除門底間隙外，門龕本身的體形和尺寸也直接影響到人字門啟閉過程的水流流態(tài)，特別是人字門啟閉運行初、末期的水流流暢與否，進而影響到動水阻力矩峰值，門龕體形和尺寸見圖3。為降低大藤峽船閘人字門運行動水阻力矩峰值，在初步設計門龕布置基礎上，針對門龕不同的深度，通過數(shù)值模擬計算人字門啟閉運行初、末期動水阻力矩峰值，見表1(工況為最大淹沒水深條件下，直聯(lián)式啟閉機勻速180 s開關門)。

圖3 門龕體形和尺寸(單位：mm)表1 人字門啟閉運行初、末期動水阻力矩峰值

體形方案門龕與邊墻間隙a∕mm阻力矩峰值∕(MN·m)開門初開門末關門初關門末11 0007.502.1412.675.8921 5007.201.2810.393.9432 0007.051.079.123.1242 5007.051.078.233.1253 0007.051.077.473.12

方案2與方案1相比，人字門運行過程開門初動水阻力矩峰值降低4%，開門末動水阻力矩峰值降低40%；關門初動水阻力矩峰值降低18%，關門末動水阻力矩峰值降低33%，阻力矩峰值下降十分顯著。方案3與方案2相比，人字門運行過程開門初動水阻力矩峰值降低2%，開門末動水阻力矩峰值降低17%；關門初動水阻力矩峰值降低12%，關門末動水阻力矩峰值降低21%，阻力矩峰值還是有明顯下降。隨著門龕深度進一步加大，關門初力矩峰值有所下降，其余力矩峰值不受影響。

2.4 啟閉方式對啟閉力影響

水位壅高本質(zhì)是人字門推動水體，門后水體來不及補充，從而在門體前后產(chǎn)生較大水位差。目前人字門啟閉方式主要有勻速運行和變速運行兩種方式。勻速運行是啟閉機一直保持一個速度，加速和減速時間很短。變速運行是啟閉機先從零勻加速到某一個速度，勻速運行一段時間后再勻減速到零，見圖4。

圖4 兩種運行方式的時間-速度曲線

本文物理模型比尺為1:20，按照相關規(guī)范的要求，考慮到人字閘門運轉(zhuǎn)時可能的影響范圍，其模型制作范圍包括閘首及上、下游5倍以上閘首口門寬度的水域。人字門液壓啟閉機系統(tǒng)由一套動力油源系統(tǒng)、油缸及組件(含液壓油路集成塊、管路、連接裝置、輔件等)、活塞桿、水位傳感器、壓力傳感器和角位移傳感器等部分組成。啟閉機控制系統(tǒng)由計算機、油缸活塞桿、PLC控制系統(tǒng)、活塞桿內(nèi)置式磁滯伸縮位移傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)給定的各種勻速和無級變速要求。通過模型試驗分別測得人字門在不同運行方式啟閉力峰值(門底間隙1.5 m，門龕邊墻間隙1.5 m，淹沒水深26.29 m)，檢測結(jié)果見表2。

表2 不同運行方式下的啟閉力峰值

由表2可知：

1)動水阻力矩峰值隨著人字門勻速啟閉總時間的增大而減小，閘門角加速度與活塞桿勻速運行的速度大小密切相關，初始角速度與角加速度與活塞桿的初始速度及加速度成正比。當閘門勻速啟閉時間由3 min延長到6 min時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值分別降低38%、15%、41%和29%。

2)相同啟閉時間下的勻速運行相比，一級無級變速運行的動水阻力矩峰值有了明顯降低。其中3 min啟閉運行時開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值最大降低幅度分別為56%、23%、68%和39%；5 min啟閉運行時開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值最大降低幅度分別為63%、15%、62%和43%。

3)一級無級變速運行方式人字門啟閉時間一定的條件下，動水阻力矩峰值隨著變速時間的增大而呈現(xiàn)緩慢減小趨勢。啟閉時間為3 min變速時間由45 s延長至75 s時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值降幅分別為8%、3%、9%和4%；啟閉時間為5 min變速時間由60 s延長至120 s時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值降幅分別為17%、4%、2%和5%。

4)一級無級變速(變速時間60 s)運行方式，人字門開啟時間由3 min延長到5 min時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值分別降低20%、2%、28%和23%。

2.5 Z值選取

人字門按不同布置條件和運行方式分為以下工況：門底間隙1.0、2.0、2.5 m分別對應工況為A1、A2、A3；門龕與邊墻間隙1.0、1.5、2.0 m分別對應工況B1、B2、B3；勻速啟閉3、6 min與變速啟閉3 min分別對應工況C1、C2、C3。以A1B1C1為標準工況，單因素變換對啟閉力峰值下降的影響見表3。

表3 單因素變換對啟閉力峰值下降的影響

假定A1B1C1組合為最不利工況，Z值按規(guī)范取大值1.5 kPa。則其余不同工況組合Z值選取原則按表3下降值折算。例如A2B2C2組合工況，先計算人字門4個時刻的折算值：開門初為0.85 kPa，開門末為0.76 kPa，關門初為0.50 kPa，關門末為0.69 kPa。

Z值偏安全考慮取4個折算值中的最大值，所以A2B2C2組合工況Z值取0.85 kPa。將Z=0.85 kPa代入式(1)計算大藤峽人字門啟閉力結(jié)果為1 147 kN，與模型試驗結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)語

1)門底間隙從1.0 m增加到2.5 m過程，人字門啟閉力矩成線性遞減，2.5 m后曲線趨于水平，趨于收斂，因此門底間隙合理的取值范圍1.5～2.5 m，規(guī)模小的門可適當減小。

2)門龕邊墻間隙1.0 m增加到2.0 m，人字門啟閉力矩下降明顯，2.0 m后減小不明顯，趨于收斂，因此門龕間隙合理的取值范圍1.5～2.0 m，由于門龕間隙過大會影響水工布置，取1.5 m是比較合適的。

3)不管是采用在勻速運行還是變速運行，啟閉力峰值隨啟閉時間增大成線性遞減。相同的啟閉時間，變速運行啟閉力峰值明顯小于勻速運行啟閉力峰值，可知變速運行能有效減小啟閉機容量。

4)通過數(shù)值模擬計算和物理模型試驗數(shù)據(jù)總結(jié)歸納出Z值的選取方法，按照此方法能得到比較合理的Z值，提高啟閉力計算的準確性。

5)合理布置門底間隙、門龕尺寸和選擇變速運行方式，有利于閘門前后水體流動順暢，在閘門啟閉過程中形成的門前后水位差則較小，相應的門體受到的阻力也小，優(yōu)化了啟閉機容量。