水電站調(diào)壓井快速閘門穩(wěn)定性及安全防范措施研究

趙建平，張維杰，嚴(yán)根華，胡去劣

水電站調(diào)壓井快速閘門穩(wěn)定性及安全防范措施研究

趙建平1，2，張維杰1，2，嚴(yán)根華1，2，胡去劣1，2

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029；
2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029）

水電站長管道引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)壓室快速閘門是確保機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷等故障時快速斷流的重要設(shè)備，確保其安全運(yùn)行具有舉足輕重的作用和地位。研究了調(diào)壓井阻抗孔體型尺寸布置和快速閘門穩(wěn)定性之間的相互關(guān)系，揭示了調(diào)壓井阻抗孔體型布置對快速閘門安全穩(wěn)定的主要影響因素及其變化規(guī)律，指出了快速閘門動力失穩(wěn)的原因，提出了確保快速閘門動力穩(wěn)定的控制方法和安全保障措施。

調(diào)壓井；阻抗孔；快速閘門；流激振動；水電站

0　概述

調(diào)壓井是水電站長管道引水發(fā)電系統(tǒng)為保障發(fā)電系統(tǒng)安全而經(jīng)常設(shè)置的調(diào)壓與水錘控制結(jié)構(gòu)，而快速閘門則是確保機(jī)組緊急甩負(fù)荷保障機(jī)組斷流的重要快速響應(yīng)設(shè)施。如何確保調(diào)壓井阻抗孔布置和快速閘門安全穩(wěn)定則是重要的研究課題［1］。本文從調(diào)壓井水力學(xué)和快速閘門結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定二方面出發(fā)，對調(diào)壓井快速閘門的穩(wěn)定性及其安全措施進(jìn)行試驗(yàn)研究，尋找存在問題，提出改善措施，確保工程安全。

某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)由電站進(jìn)水口、2條引水隧洞、1個長廊阻抗式上游調(diào)壓室、4條壓力管道、4臺機(jī)組和4條尾水連接管、1個長廊式尾水閘門室、2條無壓尾水洞和尾水出口組成，采用“兩機(jī)一室一洞”及“單機(jī)單管供水”布置。調(diào)壓室下部獨(dú)立，上部連通，單個調(diào)壓室凈長120 m，凈寬20 m，最大室高75.1 m，在調(diào)壓室底部設(shè)阻抗孔。2條圓形引水隧洞長約2 680 m，內(nèi)徑14.5 m。因引水隧洞較長，進(jìn)水口和機(jī)組之間設(shè)有調(diào)壓室，機(jī)組發(fā)生故障時，調(diào)壓室內(nèi)的快速閘門應(yīng)在4分鐘內(nèi)截斷水流，保護(hù)機(jī)組。引水發(fā)電系統(tǒng)壓力管道長約140 m，內(nèi)徑9.6 m。調(diào)壓室內(nèi)設(shè)快速閘門，孔口尺寸為8.6 m×9.6 m-47.64 m（寬×高-設(shè)計(jì)水頭），閘門平時懸吊在孔口上方約1 m處，由液壓啟閉機(jī)通過拉桿操作，當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故時要求在4 min內(nèi)快速關(guān)閉孔口。阻抗孔由快速閘門門槽后的門井兼用矩形阻抗孔和調(diào)壓室中部的圓形孔二部分構(gòu)成，其中圓形阻抗孔直徑4.4 m，門槽后矩形阻抗孔寬度 2.5 m，阻抗孔總面積約為引水隧洞面積的35.2%。

對于長距離輸水系統(tǒng)而言，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時調(diào)壓室內(nèi)強(qiáng)烈的涌浪會對待命狀態(tài)的閘門產(chǎn)生影響，閘門可能發(fā)生不穩(wěn)定浮動現(xiàn)象，并抬升閘門上部液壓啟閉機(jī)油缸機(jī)座，產(chǎn)生機(jī)械系統(tǒng)事故。此外機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速時，閘門快速下降過程也會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。為確保快速閘門安全穩(wěn)定運(yùn)行，需通過閘門水力學(xué)及流激振動模型試驗(yàn)研究，揭示存在問題，提出改善措施，使調(diào)壓室及閘門布置更趨合理，確保工程安全，為引水系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1　調(diào)壓井水力特性研究

快速閘門的穩(wěn)定性受控于調(diào)壓室水錘波荷載傳播和涌浪特性等水力特性參數(shù)，因此研究閘門結(jié)構(gòu)流激振動問題，首先需要獲得調(diào)壓室運(yùn)行過程中水動力作用荷載。鑒于水電站機(jī)組甩負(fù)荷過程系非恒定流過程，因此需對其過程水流特性進(jìn)行正確模擬、測試與分析。

1.1水力過渡試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐?/p>

引水系統(tǒng)設(shè)有調(diào)壓室的水電站，在機(jī)組實(shí)行緊急甩負(fù)荷或增負(fù)荷時，應(yīng)當(dāng)考慮引水道內(nèi)的水流慣性和調(diào)壓室的水量補(bǔ)償作用，因此必須對引水系統(tǒng)和水輪機(jī)水流控制系統(tǒng)進(jìn)行相似性設(shè)計(jì)和模擬［2，3］。

1.1.1調(diào)壓室涌波試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐?/p>

水力過渡模型律應(yīng)當(dāng)從調(diào)壓室涌波及壓力鋼管水錘二組基本微分方程推得。圓柱形阻抗式調(diào)壓室涌波基本方程為

根據(jù)式（1）、（2），可得調(diào)壓室涌浪的相似律令λg=1，則

式（3）中有4個模型律、8個未知量，引入條件λL=λVλt，且令調(diào)壓室模型按正態(tài)設(shè)計(jì)，λD=λZ，則調(diào)壓室模型律變?yōu)?/p>

以上式（4）在水流重力、水流運(yùn)動和動力3方面滿足相似要求。

1.1.2水錘試驗(yàn)的模型律

水輪機(jī)流量的突然增加或減小，會導(dǎo)致兩種水力振蕩，一種是以較慢速度在調(diào)壓室內(nèi)傳播的水面波動振蕩；另一種是以極高波速在壓力管道中傳播的水錘波振蕩。水電站突然棄荷、增荷的水錘波基本方程為

式中，a為波速；n為引水道糙率；R為管道水力半徑；H為水頭。

令λg=1，經(jīng)推導(dǎo)和簡化，并利用尺度和諧性，從方程組（5）得到水錘試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐?/p>

1.2模型的設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)試驗(yàn)場地，模型比尺按如下比尺確定：引水隧洞直徑比尺1∶30，長度比尺1∶52；調(diào)壓室水頭比尺1∶36。壓力鋼管按比尺1∶30正態(tài)設(shè)計(jì)。模型采用有機(jī)玻璃制作，模型和原型的邊壁糙率和水流的慣性長度均保持相似。經(jīng)檢驗(yàn)，引水隧洞的λa= 5.71～6.00和λv=6.00，二者接近，基本滿足相等條件。

1.3調(diào)壓室水力特性

壓力管道的最大引水流量均為338.1 m3/s；導(dǎo)葉總關(guān)閉時間為12.5 s，導(dǎo)葉開啟規(guī)律：導(dǎo)葉從空載開度至全開時間為25 s。為取得水力過渡過程的水錘波、涌波等水動力參數(shù)，在調(diào)壓室及輸水管道設(shè)置若干動水壓力測點(diǎn)（見圖1），其中測點(diǎn)P1～P3布置在引水隧洞末端側(cè)壁，P4～P8布置在壓力管道側(cè)壁，P10～P13布置在調(diào)壓室底部，P14布置在調(diào)壓室側(cè)壁，P15布置在阻抗板下方位置。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在機(jī)組甩負(fù)荷時的水力過渡過程中，調(diào)壓室引水系統(tǒng)主要作用力有水流慣性力、水錘作用力、重力、邊界阻力或粘滯力，其中水流慣性力為涌浪發(fā)生、傳播主要動力。涌浪逆行傳播也是水流慣性力的作用所致。水錘壓力在調(diào)壓室反射尚充分，尚未發(fā)現(xiàn)水錘壓力穿室現(xiàn)象。由試驗(yàn)水力過渡過程壓力變化過程線可見，機(jī)組甩負(fù)荷時壓力鋼管末端出現(xiàn)大于調(diào)壓室涌浪的水錘壓力波（見圖2）；隨后水錘壓力波伴隨調(diào)壓室涌浪進(jìn)入調(diào)壓室后，進(jìn)行能量釋放和消能。

圖1　測點(diǎn)布置示意（單位：m）

圖2　壓力鋼管末端動水壓力過程

由于調(diào)壓室的消能和消剎作用，水錘波穿越調(diào)壓室后能量聚減，位于引水隧洞首部測點(diǎn)動水壓力在機(jī)組甩負(fù)荷時未見明顯的水錘壓力波（圖3）。說明調(diào)壓室起到了保護(hù)引水隧洞安全的作用。

圖3　引水隧洞端部動水壓力過程

試驗(yàn)結(jié)果顯示：不同機(jī)組甩負(fù)荷工況條件下調(diào)壓室最高涌浪水位約為1 490.8～1 492.2 m，低于1 494.6 m控制高程平臺2.4～3.8 m；調(diào)壓室最高涌浪水位高程比最大水錘壓力水頭高程約低2 m；水錘壓力在調(diào)壓室反射尚充分，未見水錘壓力穿越現(xiàn)象；水力過渡過程涌波隨時間衰減，過渡過程時間約20多分鐘；涌浪沿引水隧洞上游方向傳播，其波動壓力作用沿程減弱。但該布置方案快速閘門出現(xiàn)低頻振蕩和失穩(wěn)上抬現(xiàn)象，最大上抬高度達(dá)180 mm，這對快速閘門上部結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

2　快速閘門的穩(wěn)定性及流激振動特性研究

鑒于調(diào)壓室在水力過渡狀態(tài)下水動力作用荷載突出，快速事故閘門的振動特征將發(fā)生明顯變化，因此在調(diào)壓室水力過渡試驗(yàn)過程中進(jìn)行了閘門停放穩(wěn)定性和流激振動特性的試驗(yàn)研究［4］。

2.1模型設(shè)計(jì)技術(shù)與方法

閘門動力失穩(wěn)試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注在不同上下游水位、閘門開度等水力學(xué)參數(shù)下，閘門運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的不利振動和待命停放穩(wěn)定問題，對存在問題提出處理方法和措施。

從本質(zhì)上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇，在動水作用下的運(yùn)行符合如下動力方程：

式中，｛D｝、｛D.｝、｛.D.｝分別為結(jié)點(diǎn)的位移向量、速度向量和加速度向量；［M］、［C］、［K］分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛F｝為作用在流—固接觸界面上的動水壓力向量，一般包括 ｛F1｝和｛F2｝，｛F1｝表示閘門所受的水流動荷載向量，｛F2｝是由閘門振動引起的擾動流場作用在流固界面上的附加荷載。

圖4　振動測點(diǎn)布置示意（單位：mm）

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程及振動試驗(yàn)一般在水介質(zhì)中進(jìn)行，因此閘門的水彈性模型應(yīng)同時滿足水流動力、幾何尺寸、質(zhì)量密度、彈性模量、阻尼等參數(shù)的相似性［5-7］。根據(jù)相似原理，經(jīng)推導(dǎo)可得如下各參數(shù)的比尺要求：幾何比尺Lr；質(zhì)量密度比尺ρr= 1；彈性模量比尺Er=Lr；泊松比比尺μr=1；阻尼比尺Cr=L2.5r。

根據(jù)上述閘門結(jié)構(gòu)相似性要求，該模型具有高密度和低彈模特性，需要進(jìn)行專門研制。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜芍亟饘俜邸⒏叻肿硬牧系忍貏e研制的特種水彈性材料，并對該材料進(jìn)行測試。結(jié)果表明：所選水彈性材料特性基本達(dá)到材料密度ρm=ρp，結(jié)構(gòu)彈模比尺Er=Lr的要求，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)彈性模量和質(zhì)量密度的相似條件。

閘門門體采用完全水彈性模型進(jìn)行制作，并進(jìn)行動水作用下閘門流激振動特性研究。全水彈性模型既滿足水動力學(xué)相似，同時滿足結(jié)構(gòu)動力學(xué)相似及其流固耦合振動相似，能夠較好地預(yù)報閘門結(jié)構(gòu)的流激振動特性。

與水力過渡過程水力學(xué)試驗(yàn)相結(jié)合，同步進(jìn)行了閘門流激振動試驗(yàn)。共布置4個振動測點(diǎn)，見圖4，其中1號測點(diǎn)位于下部橫梁，2、3、4號測點(diǎn)位于閘門頂部，每個測點(diǎn)分別測取x（側(cè)向）、y（垂向）和z（順?biāo)鞣较颍┤齻€方向的振動量，主要用于觀察水力過渡過程中的閘門振動情況。

2.2快速閘門流激振動特性及穩(wěn)定性問題

2.2.1水力過渡狀態(tài)下閘門結(jié)構(gòu)振動和穩(wěn)定性

將閘門門體、啟閉機(jī)和拉桿等結(jié)構(gòu)按原型進(jìn)行相似性模擬后，進(jìn)行不同機(jī)組甩負(fù)荷狀態(tài)下的閘門流激振動試驗(yàn)。機(jī)組甩負(fù)荷時的閘門待命高度位于孔口上方1 m處。試驗(yàn)結(jié)果顯示，原布置調(diào)壓井阻抗孔尺寸條件下，機(jī)組甩負(fù)荷時的閘門振動量約為正常發(fā)電工況時的15～30倍，同時閘門出現(xiàn)向上抬升的低頻振蕩和失穩(wěn)現(xiàn)象，最大抬升高度達(dá)180 mm。當(dāng)兩臺機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時丟棄全部負(fù)荷時，閘門結(jié)構(gòu)下部最大振動加速度值為5.7～8.11 m/s2，頂部振動量為2.22～6.42 m/s2，振動量由下至上呈現(xiàn)遞減趨勢，且垂向振動大于水平向和側(cè)向，符合力傳遞規(guī)律。典型機(jī)組甩負(fù)荷工況下閘門振動加速度時域過程繪于圖5。由圖可見，機(jī)組甩負(fù)荷初期閘門振動量顯著增加，隨后逐漸減小，符合水力過渡過程水動力振蕩衰減特征。從閘門振動量和失穩(wěn)角度考查，原布置調(diào)壓井阻抗孔尺寸不滿足快速閘門的穩(wěn)定性要求，上部液壓啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)存在破壞風(fēng)險。

2.2.2阻抗孔體型優(yōu)化和閘門抗振研究

原設(shè)計(jì)阻抗孔布置方案水力過渡過程特性和快速閘門失穩(wěn)現(xiàn)象顯示，由于快速閘門后門井矩形阻抗孔尺寸偏小，機(jī)組甩負(fù)荷時的水錘波在遭遇該阻抗孔進(jìn)行壓力釋放時產(chǎn)生巨大的上舉力，導(dǎo)致大部分能量將閘門抬起，引起快速閘門振蕩和失穩(wěn)上抬，嚴(yán)重威脅上部啟閉機(jī)座的安全。為了有效解決閘門失穩(wěn)問題，進(jìn)行了不同矩形阻抗孔尺寸的優(yōu)化試驗(yàn)研究。優(yōu)化比較試驗(yàn)結(jié)果指出，圓形阻抗孔對引水隧洞處水錘壓力的減小和控制作用比門槽后阻抗孔面積的影響要大些，約在1.34倍左右。但門井阻抗孔面積的增加對快速閘門的穩(wěn)定性卻起到至關(guān)重要的作用。不同阻抗孔布置下的閘門低頻振蕩和水錘作用下門體失穩(wěn)上抬距離列于表1。由表1可見：當(dāng)門槽阻抗孔寬度為2.5 m（原方案）時，機(jī)組甩負(fù)荷時由于水錘壓力波的沖擊作用，快速閘門出現(xiàn)上抬和低頻振蕩現(xiàn)象，最大上浮量達(dá)180 mm，此時閘門結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)門槽阻抗孔寬度調(diào)整為3.175 m后，阻抗孔總面積占引水隧洞面積40.7%以上時，閘門失穩(wěn)現(xiàn)象消失，已處于穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)成果指出，快速閘門門井阻抗孔尺寸對閘門的停放穩(wěn)定性具有重要影響，太小的阻抗孔尺寸將導(dǎo)致快速閘門的嚴(yán)重失穩(wěn)，并引起上部結(jié)構(gòu)尤其是啟閉機(jī)座的損壞。

圖5　典型機(jī)組甩負(fù)荷工況閘門振動加速度時域過程

表1　機(jī)組甩負(fù)荷時快速閘門低頻振蕩和抬升情況比較

3　調(diào)壓井快速閘門穩(wěn)定性措施

模型試驗(yàn)成果指出，長管道輸水系統(tǒng)調(diào)壓井阻抗孔位置尺寸和閘門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有高度相關(guān)的特性關(guān)系，尤其是快速閘門門槽阻抗孔尺寸對閘門的安全穩(wěn)定起到?jīng)Q定性影響作用。

對于調(diào)壓井控制水錘壓力波傳 遞和保證快速閘門停放穩(wěn)定及閉門安全性而言，需要同時兼顧兩者之間的關(guān)系。其保證措施需要滿足：

（1）調(diào)壓井阻抗孔的尺寸需要滿足控制水錘壓力波穿越傳遞問題；

（2）快速閘門需要克服水錘壓力波沖擊作用，保證動力穩(wěn)定所需的門槽阻抗孔合理尺寸選取問題。

通過模型系列試驗(yàn)論證，為確保機(jī)組甩負(fù)荷時水錘壓力波在經(jīng)過調(diào)壓井時盡快消減和攔截，阻抗孔面積可取引水隧洞總面積的40.7%，圓形阻抗孔與門槽阻抗孔的面積比為1∶2.18。此時水錘壓力波穿越調(diào)壓井的量值已經(jīng)控制在較小范圍，取得明顯效果。此外，快速閘門的穩(wěn)定性也顯著提高，強(qiáng)烈振動和上抬現(xiàn)象消失，可確保快速閘門在待命高度1 m以上安全平穩(wěn)的目標(biāo)。

4　結(jié)語

研究成果顯示，水電站長管道引水系統(tǒng)調(diào)壓井快速閘門停放穩(wěn)定性及閉門可靠性主要受控于門井阻抗孔尺寸以及調(diào)壓井總的阻抗孔面積，此外尚有閘門結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)問題。而快速閘門安全停放可靠性和不穩(wěn)定振蕩問題，與阻抗孔布置位置和尺寸密切相關(guān)。本項(xiàng)研究實(shí)例要求調(diào)壓井總阻抗孔面積約為引水隧洞的40%，相應(yīng)的圓形阻抗孔與門槽阻抗孔的面積比需滿足1∶2要求。這樣快速閘門結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定安全的，并避免上部啟閉機(jī)的不穩(wěn)定抬動，導(dǎo)致啟閉機(jī)損壞事故的產(chǎn)生。

研究成果指出，電站調(diào)壓井快速閘門安全穩(wěn)定性不僅與調(diào)壓井阻抗孔布置尺寸密切相關(guān)，其閉門可靠性還與閘門結(jié)構(gòu)的體型布置、抗振特性及水動力作用條件等密切相關(guān)。因此閘門閉門可靠性和流激振動抗振性能尚需另行論證。

［1］嚴(yán)根華.水動力荷載與閘門振動［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報，2001 （6）：10-15.

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（責(zé)任編輯高瑜）

Research on Stability and Safety Precautions of Surge Tank Stop Gate for Hydropower Station

ZHAO Jianping1，2，ZHANG Weijie1，2，YAN Genhua1，2，HU Qulie1，2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，Jiangsu，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210029，Jiangsu，China）

The surge-chamber stop gate of diversion and power system of hydropower station is an important device to ensure quick stop when a failure happens on power units and plays a decisive role to ensure the safe operation of units.The relationship between impedance hole size of surge tank and the stability of stop gate is studied herein，which reveals the main influence factors and change rules of impedance hole size on the security and stability of stop gate and points out the reason of dynamic instability of stop gate.The control methods and safety precautions to ensure dynamic stability of stop gate are put forward.

surge tank；resistance hole；stop gate；flow-inducing vibration；hydropower station

TV663

A

0559-9342（2016）02-0070-05

2015-08-29

趙建平（1980—），男，江蘇丹徒人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)流激振動研究.