超大型平板閘門(mén)局部開(kāi)啟控制泄流試驗(yàn)研究

魏 中 奉， 馮 德 強(qiáng)

(國(guó)能大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川 阿壩 624000)

1 概 述

金川水電站樞紐工程由混凝土面板堆石壩、左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸溢洪道、生態(tài)泄水道和右岸泄洪洞等建筑物組成，導(dǎo)流工程由右岸布置的兩條導(dǎo)流隧洞(一條導(dǎo)流洞常規(guī)導(dǎo)流，一條永久泄洪洞汛期共同導(dǎo)流)組成。為滿(mǎn)足工程蓄水時(shí)下泄生態(tài)流量的要求，采用導(dǎo)流洞平面封堵閘門(mén)局開(kāi)控泄的方式向下游供水，導(dǎo)流洞孔口尺寸為12.5 m×14.5 m(寬×高)，局開(kāi)最大水頭24.7 m。由于導(dǎo)流洞封堵閘門(mén)孔口尺寸大，局開(kāi)過(guò)程中可能引起閘門(mén)的振動(dòng)和門(mén)槽空蝕等問(wèn)題，須通過(guò)研究閘門(mén)局開(kāi)的動(dòng)水狀態(tài)，檢驗(yàn)閘門(mén)及底緣形式和門(mén)槽形式的合理性，制訂減振措施，為安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)。

2 試驗(yàn)研究

導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程為2 155 m，工程需要閘門(mén)最大局開(kāi)開(kāi)度為0.8 m，試驗(yàn)主要模擬上游5個(gè)水位高程2 163 m、2 171 m、2 179 m、2 182 m、2 184 m及閘門(mén)5個(gè)開(kāi)度0.1、0.2、0.3、0.5、0.8的試驗(yàn)狀態(tài)。

2.1 閘門(mén)、門(mén)槽原型

閘門(mén)采用平面焊接鋼閘門(mén)，滑動(dòng)支承，門(mén)葉為焊接結(jié)構(gòu)，門(mén)葉鋼材材料主要為Q355B，支承跨度14.2 m，封水尺寸為13.1 m×14.6 m(寬×高),最終擋水水頭為98 m。門(mén)槽型式采用Ⅱ型，主軌的軌頭面為貼焊不銹鋼，材料為2Cr13，水封座面材料為 12Cr18Ni9，其余埋件和鋼襯均為鋼板和型鋼的組合焊接件，鋼板材料均為 Q355B，型鋼的料均為Q235B。

閘門(mén)由固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉，啟閉機(jī)安裝平臺(tái)高程為2 201.50 m，固定卷?yè)P(yáng)式啟門(mén)動(dòng)力為2×10 000 kN，揚(yáng)程22 m，吊點(diǎn)距9.59 m，起升速度1.5 m/min。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

水力試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型用1∶25有機(jī)玻璃制作，模擬導(dǎo)流洞進(jìn)口及閘門(mén)后約300m洞身段；建立水池模擬電站水庫(kù)，水池內(nèi)配備可上下移動(dòng)的平水柵，用進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)控制穩(wěn)定水池中的水位，在導(dǎo)流洞末端設(shè)置阻力調(diào)節(jié)閥板，通過(guò)按設(shè)計(jì)流量值來(lái)調(diào)節(jié)阻力閥板，以滿(mǎn)足洞內(nèi)初始泄流流量的相似。

閘門(mén)模型按幾何比尺為L(zhǎng)r=25制作“全水彈性相似模型”；材料比重與原型結(jié)構(gòu)相同，對(duì)于鋼閘門(mén)(ρm=7.8 t/m3)；材料泊松比、阻尼比與原型一致；選擇合適長(zhǎng)度與截面的鋼絲繩，使封堵閘門(mén)模型吊耳與啟閉機(jī)連接的鋼絲繩剛度K=EA/L按原型閘門(mén)啟閉鋼絲繩的剛度縮小Lr2倍；閘門(mén)在閘門(mén)下游面板側(cè)設(shè)置4個(gè)滑輪，在閘門(mén)兩側(cè)各設(shè)置 2個(gè)導(dǎo)向輪。

2.3 閘門(mén)門(mén)槽段水力特性試驗(yàn)

2.3.1 閘門(mén)門(mén)槽段動(dòng)水壓強(qiáng)

在閘門(mén)門(mén)槽段底板、側(cè)邊墻及洞頂共布置24個(gè)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)(圖1)，測(cè)量導(dǎo)流洞正常泄水工況及閘門(mén)動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程，門(mén)槽段各測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓強(qiáng)值，重點(diǎn)分析門(mén)槽空化現(xiàn)象。D1～D9測(cè)點(diǎn)在門(mén)槽段底板中心線(xiàn)上，M1～M9測(cè)點(diǎn)在側(cè)邊墻上，U1～U6測(cè)點(diǎn)在導(dǎo)流洞中心線(xiàn)上。

圖1 壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

當(dāng)上游水位為2 163 m、2 171 m、2 179.2 m、2 182 m、2 184 m，閘門(mén)開(kāi)度為0.1、0.2、0.3、0.5、0.8時(shí)，閘門(mén)門(mén)槽測(cè)點(diǎn)平均壓強(qiáng)主要隨上游水位的升高而增大，閘門(mén)門(mén)槽段及下游部位測(cè)點(diǎn)平均壓強(qiáng)及脈動(dòng)壓強(qiáng)受閘門(mén)開(kāi)度影響，各測(cè)點(diǎn)平均壓強(qiáng)均為正壓。當(dāng)上游水位在 2 184 m，閘門(mén)開(kāi)度為 0.1時(shí)，實(shí)測(cè)壓強(qiáng)為280.18 kPa(D2測(cè)點(diǎn)位)。

閘門(mén)門(mén)槽段水流受門(mén)槽體型及閘門(mén)局部開(kāi)啟的影響，水流紊動(dòng)相對(duì)劇烈，脈動(dòng)壓力平均方根值相對(duì)較大。當(dāng)脈動(dòng)壓力平均方根最大值出現(xiàn)在上游水位 2 184 m，閘門(mén)開(kāi)度為 0.5時(shí)，實(shí)測(cè)壓強(qiáng)為 12.77 kPa(M4測(cè)點(diǎn)位)。

在不同試驗(yàn)工況下，導(dǎo)流洞門(mén)槽各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力的主頻主要集中在 2.0 Hz 以下的低頻部分，屬于低頻窄帶譜型。

2.3.2 閘門(mén)門(mén)槽段的水流空化數(shù)

水流高速流過(guò)門(mén)槽時(shí)，由于邊界突變?cè)陂T(mén)槽內(nèi)形成旋渦，且擴(kuò)散射流歸槽時(shí)流線(xiàn)發(fā)生彎曲，會(huì)引起門(mén)槽區(qū)水流壓力的急劇變化，產(chǎn)生負(fù)壓并導(dǎo)致水流空化現(xiàn)象。鑒于此，通常用水流空化數(shù)σ和門(mén)槽初生空化數(shù)σi進(jìn)行比較來(lái)判斷水流是否發(fā)生空化，判別條件如下：

σ≤σi

當(dāng)門(mén)槽水流空化數(shù)小于初生空化數(shù)時(shí)，就認(rèn)為水流會(huì)發(fā)生空化。在不考慮脈動(dòng)壓強(qiáng)影響的條件下，水流空化數(shù)用公式表示：

(1)

式中P為門(mén)槽區(qū)域某部位時(shí)均壓強(qiáng)(kPa)；Pa為大氣壓強(qiáng)(kPa)；Pv為汽化壓強(qiáng)(kPa)，其值與水溫有關(guān)，水溫 20 ℃時(shí)Pv= 2.29 kPa；V為某過(guò)流部位斷面的平均流速。

矩形方角門(mén)槽初生空化數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為：

σi= 0.38(W/D)

式中W/D為門(mén)槽的寬深比。

該導(dǎo)流洞閘門(mén)門(mén)槽W/D=1.8，其初生空化數(shù)σi= 0.684 。

試驗(yàn)顯示，在不同水位及封堵閘門(mén)不同開(kāi)度組合下，閘門(mén)門(mén)槽各測(cè)點(diǎn)水流空化數(shù)均大于矩形方角門(mén)槽初生空化數(shù) 0.684，因此，可以判斷在不同運(yùn)行工況下，該導(dǎo)流洞閘門(mén)門(mén)槽水流不會(huì)發(fā)生空化。

2.4 閘門(mén)動(dòng)靜特性有限元分析

試驗(yàn)采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元?jiǎng)恿τ?jì)算兩種方法，驗(yàn)證有限元計(jì)算的可靠性。試驗(yàn)三維有限元計(jì)算模型模擬了面板、縱梁、橫梁、吊耳以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、鋼絲繩等各個(gè)構(gòu)件。模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為482 335個(gè)，單元總數(shù)為489 500個(gè)。

2.4.1 有限元模態(tài)分析

封堵閘門(mén)前8階三維有限元干模態(tài)頻率值(表1)。根據(jù)計(jì)算，封堵閘門(mén)前三階自振頻率分別為 21.621 Hz、24.242 Hz、25.954 Hz，均為吊耳結(jié)構(gòu)的局部振型；封堵閘門(mén)第四階自振頻率為32.244 Hz，對(duì)應(yīng)的振型為整體扭轉(zhuǎn)振型；第七階自振頻率為 34.473Hz，對(duì)應(yīng)的振型為整體順?biāo)飨蛘裥汀?/p>

表1 閘門(mén)三維有限元干模態(tài)頻率值

2.4.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

試驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量的方法進(jìn)行，將閘門(mén)“全水彈性模型”劃成30個(gè)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)90個(gè)自由度。試驗(yàn)時(shí)，將其中一節(jié)點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)移動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)對(duì)激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行4次激勵(lì)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行橫向、豎向、順?biāo)较驕y(cè)量。

試驗(yàn)測(cè)得封堵閘門(mén)前2階主模態(tài)頻率值和振型階數(shù)(表2)，閘門(mén)前2階自振頻率分別為31.26 Hz和36.52 Hz，對(duì)應(yīng)的振型均為順?biāo)飨蛘裥?。全水彈性相似模型與有限元法計(jì)算的干模態(tài)前階頻率值和振型基本吻合，表明有限元模型具有足夠精度。

表2 封堵閘門(mén)試驗(yàn)主模態(tài)頻率值及振型階數(shù)

2.4.3 靜力特性分析

有限元模型計(jì)算得出，閘門(mén)整體應(yīng)力水平98 m水頭工況大于27 m水頭工況，吊耳局部應(yīng)力27 m水頭工況大于98 m水頭工況，主要應(yīng)力兩工況各部位均在容許應(yīng)力范圍內(nèi)。變形結(jié)果98 m水頭工況大于27 m水頭工況，兩種工況下封堵閘門(mén) X、Y、Z 三個(gè)方向的最大變形分別為4.695 mm、-6.952 mm、-18.274 mm，98 m水頭工況閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)受彎產(chǎn)生的最大撓度與跨度之比為 1/758，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的小于 1/750 容許撓度要求。

2.5 閘門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)

閘門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)分別測(cè)試上游水庫(kù)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)水位高程分別為2 163 m、2 171 m、2 179.2 m、2 182 m 和 2 184 m，閘門(mén)開(kāi)度0.1、0.2、0.3、0.5、0.8 時(shí)，在組合試驗(yàn)工況下能準(zhǔn)確測(cè)出閘門(mén)代表性點(diǎn)位的動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度及振動(dòng)位移響應(yīng)的譜型。

2.5.1 閘門(mén)的動(dòng)應(yīng)力

試驗(yàn)共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)在各節(jié)門(mén)葉的主橫梁翼緣板、主縱梁翼緣板上。試驗(yàn)結(jié)果反映在相同運(yùn)行工況下，閘門(mén)動(dòng)應(yīng)力平均方根較大值主要出現(xiàn)在靠近閘門(mén)底緣部位測(cè)點(diǎn)。當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度一定時(shí)，相同測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力平均方根值隨上游水位的升高有增大的趨勢(shì)。本工程所采用閘門(mén)鋼板其局部振動(dòng)的按規(guī)范允許動(dòng)應(yīng)力值不大于20 MPa，實(shí)測(cè)閘門(mén)各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力平均方根值均在較小值范圍內(nèi)，大部分測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力平均方根值不超過(guò)1.50 MPa；

當(dāng)上游水位為2 184 m，閘門(mén)開(kāi)度為 0.3 時(shí)，門(mén)槽各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力平均方根值最大為 2.66 MPa，動(dòng)應(yīng)力都在此容許范圍內(nèi)，且閘門(mén)門(mén)體動(dòng)應(yīng)力的主頻在4.0 Hz 以下，屬低頻窄帶譜型。閘門(mén)開(kāi)度0.3時(shí)門(mén)槽各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力平均方根值見(jiàn)表3。

表3 閘門(mén)開(kāi)度0.3時(shí)門(mén)槽各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力平均方根值 /kPa

2.5.2 閘門(mén)振動(dòng)加速度及在振動(dòng)位移響應(yīng)

試驗(yàn)共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)在模型頂橫梁翼、底緣模梁位置，測(cè)量閘門(mén)結(jié)構(gòu)豎向、順?biāo)飨蚣皞?cè)向的加速度響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同運(yùn)行工況下，閘門(mén)底緣部位測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值略大于其門(mén)頂部位的測(cè)點(diǎn)。閘門(mén)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度及振動(dòng)位移平均方根值均在較小值范圍內(nèi)，當(dāng)實(shí)測(cè)閘門(mén)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度平均方根最大值出現(xiàn)在上游水位 2 184 m、閘門(mén)開(kāi)度0.5時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為181 mm/s2。

在閘門(mén)局開(kāi)運(yùn)行工況下，當(dāng)振動(dòng)位移平均方根最大值出現(xiàn)在為上游水位 2 184 m，閘門(mén)開(kāi)度 0.3時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為103.6 μm，屬微小振動(dòng)；從閘門(mén)門(mén)體各測(cè)點(diǎn)動(dòng)位移功率譜分析結(jié)果可知，閘門(mén)門(mén)體動(dòng)應(yīng)力的主頻基本在 1.0 Hz 以下，屬于低頻窄帶譜型。

3 結(jié) 語(yǔ)

研究結(jié)果表明：支承跨度達(dá)14.2m的超大型平面焊接鋼閘門(mén)在動(dòng)水局開(kāi)(最大開(kāi)度0.8 m)時(shí)，撓度、動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)均在規(guī)范要求范圍內(nèi)；Ⅱ型門(mén)槽各工況、各測(cè)點(diǎn)的水流空化數(shù)均大于矩形方角門(mén)槽初生空化數(shù)0.684，平板閘門(mén)動(dòng)水局開(kāi)運(yùn)行時(shí)門(mén)槽不會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象；同時(shí)也表明超大型平面焊接鋼閘門(mén)動(dòng)水啟閉局開(kāi)控泄可行。

鑒于金川水電站導(dǎo)流洞封堵閘門(mén)尺寸較大，以及它在運(yùn)行中不可避免地有紊動(dòng)水流，原型振動(dòng)觀測(cè)十分必要，觀測(cè)不僅能指導(dǎo)安全運(yùn)行，也能檢驗(yàn)試驗(yàn)成果，在閘門(mén)實(shí)際運(yùn)行時(shí)須進(jìn)行閘門(mén)振動(dòng)觀測(cè)，避開(kāi)振動(dòng)較大開(kāi)度，為閘門(mén)安全運(yùn)行提供可靠保障。