泄洪洞弧形閘門動水啟門力試驗及數值模擬

李澤同

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆葉城縣柯克亞鄉境內莫莫克水利樞紐是所在流域—提孜那莆河上的主要控制性水利工程，擔負著流域日常防洪、農業灌溉、水力發電等任務。水庫屬于中型Ⅲ等規模，設計庫容9 200萬m3，其水電站總設計裝機容量達到26 MW，年發電量均值達到0.77×108（kW·h）。該水利樞紐主要包括擋水壩、溢洪道、泄洪沖沙洞、發電引水系統及廠房等建筑物。其中，泄洪沖沙閘為弧形工作閘門設計，閘門孔口長5.50 m、寬5.50 m，共1扇，總重69.24 t，其中門葉重24.31 t。該水利樞紐工程規模大，泄洪洞所承擔的洪水宣泄量在樞紐工程總洪水宣泄量中占比20%左右，且其弧形工作閘門孔口尺寸大、工作水頭高，按照動水啟閉，局部開啟的條件操作。工作閘門基本參數見表1。

表1 泄洪沖沙閘弧形工作閘門基本參數表

2 弧形閘門原型受力分析

以弧形閘門開啟為例，在其開啟過程中，閘門門體同時承受自身重力、止水摩擦力、動水壓力、啟閉力、支絞反力等的作用。弧形閘門開啟過程中實際受力情況具體見圖1。

圖1 弧形閘門開啟過程中實際受力簡圖

弧形閘門開啟過程中速度均勻，故其受力過程必須符合力矩平衡和力平衡條件。力矩平衡對于閘門支絞O而言，∑M（O）i=0，也即：

式中字母含義同規范。

式（1）中：Fq—閘門開啟過程中實際啟門力（kN）；G—閘門結構自重所產生的重力（kN）；rq—啟門力對閘門支絞O作用的力臂（m）；rG—閘門結構重力對閘門支絞O的作用力臂（m）；Mf—閘門開啟過程中支絞O所承受的止水摩擦力產生的轉動力矩（kN·m）；MPf—閘門開啟過程中支絞O所承受的動水摩擦力的轉動力矩（kN·m）；支絞反力N和動水壓力PW通過支絞O的力矩為0。

結合弧形閘門開啟過程中實際受力簡圖，所列出的切向力及徑向力平衡方程如下：

式中字母含義同規范。

結合以上分析可以看出，該水利樞紐工程泄洪洞弧形閘門在開啟過程中任意時刻的啟門力必須大于閘門自身結構自重所對應的重力，才能順利開啟，為此必須深入分析以上分力的變動過程。其中，考慮到該水利樞紐泄洪洞弧形為廠家定制并采用標準鋼材生產，故其閘門自身結構重力可視為已知，僅就止水摩擦力和動水摩擦力進行分析計算。

3 試驗模型構建

結合以上對弧形閘門開啟過程中受力情況的分析，在進行模型試驗的階段，必須進行該弧形閘門模型止水摩擦力和動水摩擦力的準確量測，但考慮到當前測量技術水平方面的發展現狀，尚無這種準確量測模型閘門止水摩擦力和動水摩擦力的水工測量儀器，采用類似的測量工具所測得的模擬結果也不具備可比性。為此，本研究將泄洪洞弧形水工閘門開啟過程中止水摩擦力和動水摩擦力分開研究：先量測不考慮弧形水工閘門止水摩擦力項的閘門實際啟門力，此種情況下式（1）可寫成：

式（4）中：F′q—不考慮止水摩擦力項的弧形閘門啟門力（kN）；其余參數含義同前。公式中閘門自身結構重力已知，應用拉壓傳感器進行弧形閘門啟門力測量，以便間接得出動水摩擦力實際變動情況。

第二階段則進行各止水部位動水壓力值的測量與分析，進而計算弧形閘門開啟過程中所承受止水量及轉絞處實際摩擦力，該摩擦力為壓力與摩擦系數的乘積。

3.1 摩擦力

考慮到試驗目的及現有試驗條件，將模型比尺確定為10，并根據重力相似原則設計弧形水工閘門模型。考慮到試驗過程中對流態觀測方面的要求，主要應用有機玻璃材料進行水工閘門模型的制作，確保模型工作閘門和原型閘門結構的相似性。試驗開始后進行原水工閘門止水摩阻力模擬的過程存在很大難度，故根據偏心絞偏心行程，預留出2 mm寬度的縫隙，避免水工閘門模型在運行期間與頂框、邊壁等周圍結構發生摩擦。此外，必須在閘門支絞結構處加裝滾輪軸承以達到減緩或消除該部位摩擦的目的，提升模擬結果的精確度。

試驗開始后，模型閘門和邊壁之間并無肉眼可見的射流現象發生，閘門自身結構重力及其與止水間的摩擦力共同構成閘門啟閉力，啟閉力受到模型閘門和邊壁間水流流態的影響很小，對啟閉力量測結果的不利影響可忽略不計。

3.2 啟門系統

采用1臺與原型閘門同結構同操作原理的擺缸式液壓啟閉機進行模型閘門啟門操作，油缸主要采用中部支承形式，支承點樁號和高程按照原型閘門確定，以確保模型閘門與原型閘門具備一致的啟門力。此外，還應采用背壓系統進行模型閘門啟門操作，保證閘門不受來流及啟門力的影響而穩定勻速開啟。

3.3 測點布置

將1個性能型號均符合設計要求的拉壓傳感器增設在該弧形水工閘門模型液壓啟閉系統油缸和閘門連接桿的中部位置，主要進行模型閘門開啟全過程中啟門力數據的實時量測；此外，還應將1個脈動壓力傳感器設置在水工模型閘門頂止水位置，主要用于模型閘門開啟過程中止水部位動水壓力的實時量測。在以上兩個量測過程中，通過拉壓傳感器和脈動壓力傳感器所采集、收集到的水工模型閘門啟門力、止水部位動水壓力等數據均經過YD-28型動態應變儀放大后，再由INV-306G型智能信號采集處理分析系統進行數據分析。以上量測過程中采樣頻率和分析頻率應按照100Hz和50Hz進行設定和控制，采樣時間應以水工模型閘門開啟時間及關閉時間之和為準。

3.4 試驗條件

以莫莫克水利樞紐工程上游庫水位為模型試驗控制條件，進行庫水位40 m、45 m、48 m時模型閘門啟閉力變動情況量測分析，其中閘門啟閉速度根據模型閘門開關門時間進行換算：設計開門時間為8.70 min時，所得出的開門速度為0.01 m/s；設計關門時間為12.40 min時，所得到的關門速度0.01 m/s。

4 啟門力試驗成果分析

4.1 不考慮止水摩擦力項的弧形閘門啟門力

因模型試驗無法進行原型閘門摩擦力模擬，故模型試驗結果為不考慮止水摩擦下的閘門啟閉力，該試驗結果僅與閘門自身結構重力和面板所承受動水壓力有關。限于篇幅，只進行最高設計水位下F′q的試驗成果分析，具體結果見圖2所示。由圖可知，在最高設計水位下試驗閘門啟門力隨開啟程度的增大而逐漸增大，但閘門開啟過程中重力力矩持續增大，啟門力對轉動中心力臂持續減小。

圖2 最高設計水位下F′q試驗成果圖

圖3為水工模型閘門重力力矩啟門工況過程線，圖4為模型閘門啟門力力臂啟門工況過程線。在水工模型閘門開啟的過程中以及全部開啟后閘門門體自身結構重力始終是影響啟門力的唯一因素，動水摩擦力對支絞轉動力矩等因素均不產生影響作用，即F′qrq=GrG，不同工況下閘門最大啟門力取值基本相等。因閘門門體遭受動水壓力不同而造成模型閘門開啟之初啟門力存在微小差異，這也體現出動水摩阻力對弧形水工閘門啟門力的影響并不大。

圖3 模型閘門重力力矩啟門工況過程線圖

圖4 模型閘門啟門力力臂啟門工況過程線圖

4.2 考慮止水摩擦力項的閘門啟門力

結合《水利水電工程鋼閘門設計規范》，應根據下式計算水工弧形閘門啟門力：

式（5）中：nT—動水摩擦力安全系數；TZ—止水摩擦力（kN）；r1—止水摩擦力對支絞的力臂（m）；TZr1—止水摩阻力矩（kN·m）；Tj—支絞摩擦力（kN）；r2—支絞摩擦力對支絞的力臂（m）；Tjr2—支絞摩擦力矩（kN·m）；nG—水工閘門啟門力計算時閘門結構重力調整系數；G—閘門因自重而產生的重力（kN）；rG—閘門結構重力的支絞力臂（m）；GrG—閘門結構重力力矩（kN·m）；r3—閘門面板所承受的動水壓力切向分力的支絞力臂（m）；Pfr3—動水摩擦力矩（kN·m）。

4.2.1 止水摩阻力矩

泄洪洞弧形閘門啟閉期間閘門處于持續后撤狀態，閘門所承受地埋件上壓緊式水封的摩阻力基本為零，然而為避免模型閘門和邊壁間縫隙發生射流，對設置于原型閘門門體的側止水和門楣轉鉸止水性能要求較高，開啟水工閘門的過程中要求其必須與相應構件發生摩擦，以增大啟門力。結合水工閘門實際運行及止水工況，其摩阻力矩主要包括門楣處轉絞止水和側止水兩部分摩阻力，表示如下：

式（6）中：Tzc—側止水摩阻力（kN），其由止水橡皮預壓縮后所產生的摩阻力Tzc1和止水處動水壓力所引起的摩阻力Tzc2兩部分構成，Tzc2=f1Pzc；Tzd—水工閘門頂部止水摩阻力（kN），Tzd=f2Pzd；f1、f2—水工閘門止水橡皮對鋼結構的摩擦系數值；Pzc、Pzd—作用于水工閘門側止水、頂止水的動水壓力值（kN）。水工閘門側止水處動水壓力值應按照靜水壓力值近似確定，莫莫克水利樞紐工程泄洪洞弧形閘門在水位48 m工況下止水摩阻力矩TZr1的結果見圖5。根據分析，在閘門最初開啟時頂止水處動水壓力取最大值，隨著閘門開啟寬度的增大，頂止水動水壓力值持續減小；閘門門體開度大到80%后頂止水動水壓力降幅突然增大，直至閘門全開狀態后，頂止水動水壓力值降至零。

圖5 水位48m工況下止水摩阻力矩變動情況圖

側止水變動趨勢規律與頂止水摩阻力矩基本一致，也就是說當泄洪洞弧形閘門達到全開狀態后側止水與頂止水摩阻力全部降至零，所對應的摩阻力矩也歸零。

4.2.2 支絞摩擦力矩

泄洪洞弧形閘門在轉動過程中支絞處也存在一定摩阻力，其測算及表示公示如下：）

式（7）中：f3—支絞處摩擦系數，本工程取0.08；N—支絞反力（kN）。閘門啟門工況下支絞反力過程線詳見圖6。根據分析，在泄洪洞弧形閘門開啟過程中，支絞反力和支絞摩阻力均呈減小趨勢，且支絞反力主要與閘門面板承受的徑向動水壓力有關。當閘門開啟時，動水壓力持續減小，故支絞反力隨之降低。

圖6 閘門啟門工況下支絞反力過程線

4.2.3 動水摩擦力矩

通過動水摩阻力體現該水流樞紐工程泄洪洞弧形閘門啟門全過程中水流對閘門運動所施加的阻力，動水摩阻力矩Pfr3主要由閘門啟門力推求，公式如下：

式中字母含義同上。

將庫水位取48 m時泄洪洞弧形閘門動水摩阻力矩計算結果繪制在圖7中，結合最終得到的試驗結果，在泄洪洞弧形水工閘門開啟之初其所對應的動水摩阻力矩取最大值，隨著開度的增加，動水摩阻力矩持續下降，到最終的483 s時刻該弧形水工閘門動水摩阻力矩歸零，該結果與根據啟門速度設計值所計算的閘門底緣離開水體的時間基本吻合。

圖7 最大水位工況下泄洪洞弧形閘門動水摩阻力矩圖

將以上所分析出的止水摩阻力矩TZr1、支絞摩擦力矩Tjr3及動水摩擦力矩Pfr3結果代入式（5）可以得出最高庫水位工況下泄洪洞弧形閘門啟閉力實際值，結果詳見圖8，因為存在摩擦力的影響，故所求出的啟門力和不考慮摩擦力情況下試驗啟門力變動趨勢規律并不相同，實際工況下，啟門力最大值出現在弧形閘門開啟之初，為1 638 kN；隨著閘門開度的增大，止水摩擦力逐漸減小，閘門底緣離開水面時啟門力大到最小值1 113 kN；此后在閘門持續提升的過程中，啟門力因啟門力力臂的減小而增大，閘門啟閉力實際值也增大。

圖8 最高庫水位工況下弧形閘門啟閉力實際值圖

5 結論

綜上，泄洪洞弧形閘門在啟門過程中受力情況較為復雜，常規閘門受力計算方式很難用于衡量泄洪洞弧形閘門啟門受力狀態。研究采用水工模型量測不考慮摩擦力項的弧形閘門啟門力，在此基礎上分析了閘門受力情況并計算出原型閘門啟門力變動趨勢特征。該泄洪洞弧形閘門閉門力的分析與啟門力分析過程基本一致，限于篇幅，故省略。莫莫克水利樞紐工程泄洪洞弧形閘門原型安裝完畢后無水調試結果顯示，各項指標均符合設計要求；次年，在上游水位1 894.00 m條件下進行了事故檢修閘門靜水啟門試驗，閘門啟門運行穩定，無卡阻，沖水閥也升降自如，水封無泄漏，弧形閘門設備運行穩定。