某工程閘門水力特性及閘門啟閉試驗探討

欽立峰

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，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展變化，工作水頭越高，閘門門槽附近水流的水力學特征越復雜。在相應水頭下附環閘門能否控制氣蝕及錯臺所引發的不利水力現象，仍有待進一步驗證。文章主要結合具體水工閘門原型，通過大比尺水工模型進行流道、閘門、通氣系統等運行過程的模擬，以研究正常泄洪條件下附環閘門水流特性、水流摻氣效果、啟閉力變化，為水工閘門安全運行提供借鑒參考。

1 模型設計

某水庫中孔長度約為105m，進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。試驗模型比尺Lr=18，邊壁糙率比尺1.62，工程邊壁糙率0.013，根據相似原則，換算成模型有機玻璃管道糙率為0.008。通過構建模型主要進行水庫、泄洪洞進口段、洞身、漸變段、閘門門槽及閘室段等運行工況模擬；通氣管在非事故工況下充滿水，且端部為封閉狀態，在事故門啟動工況下則自由通水通氣。為進行附環閘門門槽段水力特性、脈動壓力及能譜等的檢測，分別將四個壓力傳感器和30個時均壓力測點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置15個壓力傳感器，檢測門槽段脈動壓力分布。

2 閘門水力特性

2.1 閘門全開

閘門全開泄流試驗在庫水位278.5m、285.2m及較低水位261.0m進行。試驗過程中，事故閘門附環段并未形成氣囊、旋滾等流態，且水體充盈事故門井。工作閘門流出的水體整體以規則圓柱狀平拋射出，且基本無擴散，與空氣交界處無回卷。閘門附環門槽段時均壓力為正壓，取值在40×9.81kPa及以上，結合該段流速，可進行水流空化數計算[1]，公式如下：

(1)

式中：h0為斷面動水壓力水頭，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。

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

2.2 閘門附環與流道形成錯臺

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表現出錯臺現象，且該水庫閘門設計的錯臺高度最大為0.02m。庫水位分別為278.5m、285.2m、261.0m時進行事故閘門附環和流道形成±0.02m錯臺試驗，結果見表1。

表1 閘門附環與流道形成錯臺時閘門前后壓力試驗結果

由上表試驗結果可知，事故閘門槽段水流較為順暢，且不存在氣囊、脫空等問題，門井內水體較為充盈。工作閘門后水舌射流形態不受錯臺影響，且射流水舌和閘室邊壁存在安全距離，閘室段也不會受到水體擊打影響。當事故閘門抬升0.02m，門槽管底和管頂分別形成凸坎和凹槽，時均壓力取值表現為較大正壓，閘門附環和流道局部范圍內，時均壓力有所下降，但降幅不大。閘門前流道收縮段時均壓力變動趨勢相對較弱[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，且各個測點時均壓力均表現出下降趨勢，且在閘門附環和流道凸坎以上測點，時均壓力和脈動壓力均方根卻呈增大趨勢。凸坎后時均壓力值降低，但是脈動壓力均方根值變化較為穩定?？紤]到試驗段流道水流空化數變化不大，產生空化空蝕的可能性較小。只要嚴格控制附環閘門和流道間錯臺，則附環門槽水流空化現象便能得到有效控制。

3 閘門啟閉試驗

3.1 動水啟閉力

水工閘門動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

水工閘門初始關閉時，椎管段水體表現出劇烈旋滾和紊動，且水體充盈門井，待通氣管內水平面降至與流道管頂齊平后開始進氣，且閘門后水舌上端以25°角上揚，少量水體能接觸到閘門后凸擴洞頂部。當閘門開度降至0.5以下，閘門后凸擴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時閘門閉門力試驗過程線

圖2 庫水位285.2m時閘門閉門力和水平動水總荷載曲線

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試驗值必須經過轉換后才能符合工程實際。閘門動水關閉時閉門力過程線和扣除摩擦力后閉門力過程線、水平動水總荷載過程線具體見圖1和圖2所示。當庫水位為285.2m時，閘門開度在0.1-0.85之間，閉門力緩慢增大，當閘門連接桿拉力值達到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時接近零，此后閘門連接桿表現出受壓特性。在閘門閉合過程中，閘門水平向動水總荷載隨閘門開度的減小而呈增大趨勢，最大值可達到37852kN[3]。

4 結 論

綜上所述，該工程水工閘門中孔全開工況下附環閘門區域并無水流空化現象出現；當閘門附環與流道錯臺高度不超出0.02m時，門槽水流空化指標取值均滿足規范要求，可確保水力安全；閘門啟閉時，通氣管內風速最大不超出40m/s，且門槽后椎管內水流表現為明流射流狀態，并無氣囊、旋滾等惡劣流態。啟閉試驗結果表明，最高庫水位控制泄洪中孔閘門閉門力，閘門閉門過程中，拉應力和壓應力主要由閘門連接桿承受，并據此進行閘門啟閉力容量的選擇和確定。