某工程閘門水力特性及閘門啟閉試驗(yàn)探討

欽立峰

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水工閘門是水利水電工程泄水建筑物的重要部分，隨著水工閘門類型的不斷發(fā)展變化，工作水頭越高，閘門門槽附近水流的水力學(xué)特征越復(fù)雜。在相應(yīng)水頭下附環(huán)閘門能否控制氣蝕及錯(cuò)臺(tái)所引發(fā)的不利水力現(xiàn)象，仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。文章主要結(jié)合具體水工閘門原型，通過大比尺水工模型進(jìn)行流道、閘門、通氣系統(tǒng)等運(yùn)行過程的模擬，以研究正常泄洪條件下附環(huán)閘門水流特性、水流摻氣效果、啟閉力變化，為水工閘門安全運(yùn)行提供借鑒參考。

1 模型設(shè)計(jì)

某水庫中孔長度約為105m，進(jìn)口處和出口處分別布置有檢修閘門和事故閘門、工作閘門，閘門間通過椎管連接，事故閘門和工作閘門附環(huán)尺寸半徑分別為2.72m和2.40m，沖壓伸縮式水封均布置在門槽上游面。試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸週r=18，邊壁糙率比尺1.62，工程邊壁糙率0.013，根據(jù)相似原則，換算成模型有機(jī)玻璃管道糙率為0.008。通過構(gòu)建模型主要進(jìn)行水庫、泄洪洞進(jìn)口段、洞身、漸變段、閘門門槽及閘室段等運(yùn)行工況模擬；通氣管在非事故工況下充滿水，且端部為封閉狀態(tài)，在事故門啟動(dòng)工況下則自由通水通氣。為進(jìn)行附環(huán)閘門門槽段水力特性、脈動(dòng)壓力及能譜等的檢測，分別將四個(gè)壓力傳感器和30個(gè)時(shí)均壓力測點(diǎn)布置在模型事故門槽上下游流道；還在模型事故閘門上下端及面板上設(shè)置15個(gè)壓力傳感器，檢測門槽段脈動(dòng)壓力分布。

2 閘門水力特性

2.1 閘門全開

閘門全開泄流試驗(yàn)在庫水位278.5m、285.2m及較低水位261.0m進(jìn)行。試驗(yàn)過程中，事故閘門附環(huán)段并未形成氣囊、旋滾等流態(tài)，且水體充盈事故門井。工作閘門流出的水體整體以規(guī)則圓柱狀平拋射出，且基本無擴(kuò)散，與空氣交界處無回卷。閘門附環(huán)門槽段時(shí)均壓力為正壓，取值在40×9.81kPa及以上，結(jié)合該段流速，可進(jìn)行水流空化數(shù)計(jì)算[1]，公式如下：

(1)

式中：h0為斷面動(dòng)水壓力水頭，m；hα為斷面大氣 壓力水頭，m；hv為斷面水汽化壓力水頭，m；v0為斷面特征流速，m/s。

根據(jù)式(1)可以求得該水庫事故閘門附環(huán)門槽前后流道水流空化數(shù)最小值為1.29，比規(guī)范值1.50小，不存在水流空化問題。流道脈動(dòng)壓力最值主要出現(xiàn)在事故閘門附環(huán)收縮段，且測點(diǎn)脈動(dòng)壓力均隨水位升高而增大。當(dāng)庫水位為285.2m時(shí)，脈動(dòng)壓力最大值均方根為1.3×9.81kPa，脈動(dòng)壓力系數(shù)最大取2.1%，其余測點(diǎn)脈動(dòng)壓力系數(shù)均在0.5×9.81kPa以下。

2.2 閘門附環(huán)與流道形成錯(cuò)臺(tái)

考慮到中孔泄洪情況下閘門屬于流道的一部分，故在事故閘門超、欠等情況下，門槽段流道頂部和底部均會(huì)表現(xiàn)出錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，且該水庫閘門設(shè)計(jì)的錯(cuò)臺(tái)高度最大為0.02m。庫水位分別為278.5m、285.2m、261.0m時(shí)進(jìn)行事故閘門附環(huán)和流道形成±0.02m錯(cuò)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 閘門附環(huán)與流道形成錯(cuò)臺(tái)時(shí)閘門前后壓力試驗(yàn)結(jié)果

由上表試驗(yàn)結(jié)果可知，事故閘門槽段水流較為順暢，且不存在氣囊、脫空等問題，門井內(nèi)水體較為充盈。工作閘門后水舌射流形態(tài)不受錯(cuò)臺(tái)影響，且射流水舌和閘室邊壁存在安全距離，閘室段也不會(huì)受到水體擊打影響。當(dāng)事故閘門抬升0.02m，門槽管底和管頂分別形成凸坎和凹槽，時(shí)均壓力取值表現(xiàn)為較大正壓，閘門附環(huán)和流道局部范圍內(nèi)，時(shí)均壓力有所下降，但降幅不大。閘門前流道收縮段時(shí)均壓力變動(dòng)趨勢相對較弱[2]?？傊?，事故閘門抬升對門槽段水流空蝕變化影響較小。

當(dāng)事故閘門降低0.02m，門槽管底和管頂分別形成凹槽和凸坎，且各個(gè)測點(diǎn)時(shí)均壓力均表現(xiàn)出下降趨勢，且在閘門附環(huán)和流道凸坎以上測點(diǎn)，時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力均方根卻呈增大趨勢。凸坎后時(shí)均壓力值降低，但是脈動(dòng)壓力均方根值變化較為穩(wěn)定?？紤]到試驗(yàn)段流道水流空化數(shù)變化不大，產(chǎn)生空化空蝕的可能性較小。只要嚴(yán)格控制附環(huán)閘門和流道間錯(cuò)臺(tái)，則附環(huán)門槽水流空化現(xiàn)象便能得到有效控制。

3 閘門啟閉試驗(yàn)

3.1 動(dòng)水啟閉力

水工閘門動(dòng)水啟門力和閉門力可通過下式確定：

(2)

F閉=G+Ws-f+Px-Pt

(3)

(4)

F閉=G-f+Wy

(5)

3.2 啟閉試驗(yàn)

水工閘門初始關(guān)閉時(shí)，椎管段水體表現(xiàn)出劇烈旋滾和紊動(dòng)，且水體充盈門井，待通氣管內(nèi)水平面降至與流道管頂齊平后開始進(jìn)氣，且閘門后水舌上端以25°角上揚(yáng)，少量水體能接觸到閘門后凸擴(kuò)洞頂部。當(dāng)閘門開度降至0.5以下，閘門后凸擴(kuò)洞段頂部不再受到水舌摻氣水流的影響和沖擊。

圖1 庫水位285.2m時(shí)閘門閉門力試驗(yàn)過程線

圖2 庫水位285.2m時(shí)閘門閉門力和水平動(dòng)水總荷載曲線

如果閘門幾何邊界條件與水工模型完全一致，則模型閘門上所作用的各種水力要素均符合相似要求，但閘門和門軌間摩擦系數(shù)試驗(yàn)值必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能符合工程實(shí)際。閘門動(dòng)水關(guān)閉時(shí)閉門力過程線和扣除摩擦力后閉門力過程線、水平動(dòng)水總荷載過程線具體見圖1和圖2所示。當(dāng)庫水位為285.2m時(shí)，閘門開度在0.1-0.85之間，閉門力緩慢增大，當(dāng)閘門連接桿拉力值達(dá)到4155kN后隨著閉門力的增大，拉力逐漸減小，并在閘門開度為0.15時(shí)接近零，此后閘門連接桿表現(xiàn)出受壓特性。在閘門閉合過程中，閘門水平向動(dòng)水總荷載隨閘門開度的減小而呈增大趨勢，最大值可達(dá)到37852kN[3]。

4 結(jié) 論

綜上所述，該工程水工閘門中孔全開工況下附環(huán)閘門區(qū)域并無水流空化現(xiàn)象出現(xiàn)；當(dāng)閘門附環(huán)與流道錯(cuò)臺(tái)高度不超出0.02m時(shí)，門槽水流空化指標(biāo)取值均滿足規(guī)范要求，可確保水力安全；閘門啟閉時(shí)，通氣管內(nèi)風(fēng)速最大不超出40m/s，且門槽后椎管內(nèi)水流表現(xiàn)為明流射流狀態(tài)，并無氣囊、旋滾等惡劣流態(tài)。啟閉試驗(yàn)結(jié)果表明，最高庫水位控制泄洪中孔閘門閉門力，閘門閉門過程中，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力主要由閘門連接桿承受，并據(jù)此進(jìn)行閘門啟閉力容量的選擇和確定。