帶導流墻的門槽結構在閘門全開工況下的應用

劉國瑞，劉旭輝

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

0 引言

平面閘門由于門槽的設置，造成水流條件惡化，一定條件下還會產生空穴、空蝕和振動，危及閘門及水工建筑物的安全，特別是對于深孔泄水道的閘門，這一問題尤為突出，而業界人士也一直在努力探尋新的門槽形式，力爭消除平面閘門的這一主要缺陷。

1 一種帶導流墻的門槽結構

文獻［1］采用了一種帶導流墻的門槽結構，與一種新型的平面閘門相配合，用以改善泄水閘工作門局部開啟運行時的水流條件和降低門槽區的氣蝕危險性。其主要結構特點是:將上游的閘墻按倒梯形延伸至閘槽中，形成導流墻，在門槽下端設置錯距、斜坡及圓角，只在上游面設置閘門前緣及止水結構，以增加閘下出流沿邊墻的流程，防止泄流時水流沿水平方向大幅擴散，減小或避免水流沖擊下游門槽邊緣，使水流特性良好，宛如無門槽的弧形閘門的泄流狀態。其門葉、門槽的關系如圖1所示。

圖1 門葉門槽關系

該文強調的是帶導流墻的門槽結構在閘門局部開啟工況下的運用，但對此種門槽在閘門全開工況下的運用卻未提及。筆者認為，此種門槽在閘門全開工況下同樣可以起到改善流態、降低門槽受沖刷和空蝕危險性的作用。當閘門局部開啟時，此種帶導流墻的Ⅱ型門槽，由于導流墻起到增加流程和挑流的作用，可協助過槽水流越過門槽爬上斜坡段，因此槽內水流很小，可不對槽內水流做過多研究。但當閘門全開泄洪時，槽內必然充滿水流，槽內水力特性及水流流態的好壞就成為此種門槽在閘門全開工況下應用優越與否的關鍵，而門槽的水力特性又主要通過其空穴特性來表現。

2 空穴的定義和類型

水流經過門槽段時，形成壓力場和速度場，具有一定的壓力分布和速度分布。當溫度不變、流速增加時，壓力降低。當壓力降低到某臨界值后，水體內部含有的小氣泡就迅速膨脹而形成空氣泡或空腔，這就是空穴現象，也稱空化現象。當水流夾帶著空氣泡從低壓區流向下游高壓區時，空氣泡的內外壓差迫使其迅速發生潰滅，在局部產生巨大的瞬時沖擊力，反復作用于門槽邊界后，門槽表面因疲勞而產生剝蝕，這種現象就稱為空蝕，也稱氣蝕?？昭ㄊ钱a生空蝕的原因，而空蝕后的固體表面又會使空穴現象激化，加劇空蝕作用，在深孔泄水道內這種空蝕現象發展尤為迅速。水流空穴數與門槽初生空穴數的關系是判別空穴現象是否發生的依據。如果物體形狀不變，當水流空穴數降低到某一數值時，水流開始發生空穴現象，則這一水流空穴數就稱為這一體形的初生空穴數。初生空穴數反映物體形狀的空穴特性，初生空穴數越小說明體形越好，水流越不容易發生空穴現象。常見的門槽空穴形態有分離型空穴和漩渦型空穴2類。在分離型空穴中可見到非球形的空腔或單個球形空泡或空穴云。在漩渦型空穴中，一般在門槽內出現漏斗型立軸漩渦，當漩渦中心的壓力低于汽化壓力時，將發生漩渦型空穴，有時在門槽下游邊界上亦伴隨分離型空穴。門槽寬深比是影響門槽初生空穴數的主要參數，對槽內水流的空穴類型起決定性作用。寬深比為0．75～1．50時，門槽中水流特性為強漩渦區，此時漩渦型空穴的初生空穴數大于分離型空穴的初生空穴數，故漩渦型空穴起主導作用，盡管這時分離型空穴較少，但強漩渦將會引起空蝕破壞。寬深比為2．00～3．50時，槽內水流為弱漩渦區，此時分離型空穴的初生空穴數大于槽內漩渦型空穴的初生空穴數，故前者起主導作用。寬深比為1．50～2．00時，水流為上述2種特性的過渡形態，既非孤立漩渦型空穴，又非孤立分離型空穴，而且分離型空化數又相對較小，是規范中推薦的較優寬深比范圍。

根據前人的研究成果和實際工程中空蝕破壞的部位分析判斷，門槽的空蝕破壞主要是分離型空穴引起的，而漩渦型空穴所引起的門槽空蝕為數較少，破壞程度也較輕。這是因為漩渦中心雖然壓強較低，但漩渦型空穴的溢出和潰滅均發生在水層中，很少波及邊墻表面。而且，只要槽內漩渦不是過強，對過槽水流流線還起到一定的推移作用，對射流自由擴散起到一定的約束作用，可協助過槽水流越過門槽爬上斜坡段，而過強的漩渦可通過門槽寬深比的控制來有效避免。

由此可見，平面閘門門槽減小空蝕破壞的關鍵，就是在門槽寬深比取值在較優范圍的前提下，盡量避免水流與門槽邊壁分離而產生分離型空穴，而分離型空穴的產生又起源于門槽內的上游面附近局部低壓區的產生。因此，若帶導流墻的門槽結構能有效提高槽內上游面附近的水壓，就能夠在閘門全開工況下有效抑制分離型空穴和空蝕的產生。

3 帶導流墻門槽結構在閘門全開工況下的空穴特性及流態特征分析［2－4］

當閘門全開泄洪時，對于帶導流墻的門槽結構，最小壓強仍出現在槽內上游面，這和普通門槽是一樣的。這是由于水流的慣性作用，水流在門槽上游面附近出現邊壁分離，導致該處壓強降低，而門槽下游面受到水流的沖擊影響，時均壓力值較大。同時，水流受門槽下游面的阻擋而進入門槽內部，從而在門槽內部產生一個漩渦。

與常規門槽體形不同的是，由于上游側設置了導流墻，對槽內漩渦產生了阻擋作用，因此，槽內上游面的壓力值遠大于常規門槽體形，其壓力隨導流墻長度的增加而增大。因此，此種門槽形式能有效提高槽內上游面附近的水壓，減小其與門槽下游水流的水壓差，從而能夠有效抑制分離型空穴和空蝕的產生。而導流墻的設置也增加了水流的水平流程，有利于水流越槽。因水流漩渦是由門槽邊壁對水流的反射而形成的，因此，導流墻的設置在提高槽內上游面水壓的同時，還促進了槽內漩渦的充分發展。通過以上對于門槽空穴類型的分析可知，門槽內部的漩渦型空穴很少波及邊墻表面，而且槽內漩渦對過槽水流流線還能起到一定的推移作用，像導流墻的作用一樣可協助過槽水流越過門槽爬上斜坡段，因此，基本不會因漩渦而產生空蝕破壞。

相反，如果漩渦未能得到充分發展，漩渦外圍流線沒有得到充分約束而脫離了門槽邊界范圍，就會產生低壓區并造成流態紊亂。而漩渦外圍流線脫離門槽邊界后，就會沖擊到門槽下游的斜坡，下游側壁就相應地處在了漩渦較強的區域，最終導致門槽邊界至門槽下游斜坡上各點間的壓力變化幅度較大，容易引起空穴現象。因此，只有漩渦在門槽內部得到充分的發展，才能有效抑制槽內低壓區的產生，從而避免分離型空穴和空蝕的產生，而導流墻就能起到這個作用。當然，前面也提到，漩渦的利弊是辯證的，過強的漩渦同樣會引起門槽空蝕，因此，要選擇較優的門槽寬深比，以避免過強漩渦的發生。

導流墻的設置也增加了水流的水平流程，再加上槽內漩渦對過槽水流流線的推移作用，對射流自由擴散的約束作用，這些因素都可協助過槽水流順利越過門槽爬上斜坡段并使得槽內漩渦充分發展。因此，與普通的Ⅱ型門槽相比，帶導流墻門槽的過槽水流流線更加清晰，槽內漩渦邊界更加分明，流態更好。2種門槽的流態示意圖如圖2、圖3所示。

4 結束語

綜上所述，在閘門全開泄洪時，導流墻的設置提高了槽內上游面附近的水壓，有效抑制了造成門槽空蝕破壞的主要因素——分離型空穴的產生。增加導流墻的長度對增壓有利，但其長度同時受門葉尺寸的限制。此外，在保證門槽寬深比取值在較優范圍的前提下，導流墻的設置使得槽內漩渦充分而適度發展，在充分發揮漩渦對過槽水流流態所起積極作用的同時，有效避免了其漩渦過強所產生的消極作用。因此，這種帶導流墻的門槽型式在閘門全開泄洪的情況下可以起到改善流態、降低門槽受沖刷和空蝕危險性的作用，值得在深孔泄水道閘門及其他高水頭平面閘門中推廣應用。

［1］龔悅蓉．城東電站新型平面閘門設計［J］．金屬結構，2000(4):20－23．

［2］安徽省水利局勘測設計院．水工鋼閘門設計［M］．北京:水利出版社，1980．

［3］水利水電科學研究院，水電部第四工程局勘測設計研究院，水電部第十一工程局勘測設計研究院．防止閘門槽空蝕的試驗研究［J］．水利水電技術，1978(3):39－45．

［4］劉明軍．積石峽中孔泄洪洞工作門槽體型優化研究［D］．天津:天津大學，2007．