泄洪洞工作闸门关闭时水击数值模拟研究

苏小丽，刘韩生，范晓丹

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

泄洪洞是水库的主要泄水建筑物[1]，对水库能否发挥农田灌溉功能至关重要。工作闸门位于泄洪洞末端，闸门的安全运行是泄洪洞发挥泄洪作用的必要条件。陈椿庭[3]指出工作闸门关闭过程中有可能产生水击问题，引起工作闸门振动，但没有深入研究。目前泄洪洞工作闸门采用匀速关闭方式[3]，可能由于其关闭速度缓慢[4],人们忽视了水击对工作闸门的影响，迄今，尚无相关研究成果。在水击计算方法[5,6]中，特征线法[7-9]的发展已较为成熟，采用特征线法建立青海省某水电站泄洪洞工作闸门关闭时水击变化的数学模型，研究泄洪洞水击问题，探究闸门在不同关闭方式下的水击特性。

1 计算方法

1.1 数值计算模型

采用特征线法建立水击计算的数学模型。水击特征方程组如式(1)～(4)：

式中：t为水击波传播时间，s；x为水击波传播距离，m；V为泄洪洞内水流流速，流向闸门为正方向，m/s；λ为泄洪洞摩阻系数；D为泄洪洞直径，m；θ为泄洪洞洞身倾角,(°)；c为水击波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2。

由式(2)、(4)描绘的特征线C+和C-在x-t平面上呈现为如图1所示的曲线。

图1 计算网格图Fig.1 Calculation grid

对C+和C-积分，采用一阶近似，联立求解得P节点的水头和流速：

(5)

(6)

1.2 初始、边界条件

方程的初始条件为泄洪洞稳态流。泄洪洞进口与水库相连，假定水库水位恒定不变，进口断面边界条件可写为：

(7)

(8)

式中：j表示时刻；Hu为泄洪洞进口断面作用水头，m.

泄洪洞出口闸门断面的水流属于典型的孔口出流。出口闸门断面的边界条件为：

(9)

(10)

2 计算结果与分析

2.1 泄洪洞水击压强模拟结果及分析

青海省海南州班多峡谷的某水电站，水库正常蓄水位为2 990.00 m。泄洪洞位于放空洞右侧山体内，全长约1 520 m，为有压接无压型隧洞，有压隧洞全长700 m，隧洞底坡为平坡，底板高程2 910.00 m，洞径D=11.5 m，洞长L=700 m，闸门全开时下泄流量为Q=2 193 m3/s。工作闸门匀速启闭，启闭速度V0=0.5 m/min，洞身采用混凝土衬砌，混凝土糙率n=0.014，经计算此泄洪洞水击波速为1 077 m3/s，正常蓄水位下水库水头为80 m。求工作闸门关闭过程中水击压强的变化过程。

泄洪洞工作闸门匀速关闭时间为1 524 s。最大水击压强增高值均发生在闸门断面，重点研究闸门断面的水击变化过程。

采用上文介绍的特征线法数值计算该工程实例中工作闸门关闭时的压强变化情况，计算结果如图2所示。图3为工作闸门关闭后水击压强变化过程，图4为水击压强振幅随时间变化的关系图。

图2 压强时程图Fig.2 Time-history of pressure

图3 水击压强时程图Fig.3 Time-history of water hammer pressure

图4 水击压强振幅时程图Fig.4 Time-history of water hammer pressure amplitude

分析图2～4可知：尽管工作闸门关闭时间长达1 524 s，工作闸门匀速关闭仍会引起水击现象的产生。工作闸门关闭过程中，泄洪洞内水流做压强增大的非恒定流动，完全关闭时刻，压强达最大(81.07 m水柱)，并立即产生水击，一段时间之后，水击现象消失，压强稳定于闸门完全关闭状态下的压强值(80 m水柱)。水击压强振幅呈指数规律衰减，振幅和时间的关系如式(11)。最大水击压强为1.07 m水柱，振荡时间长达140 s，振荡周期为2.6 s，振荡频率为0.38 Hz。

ΔH=0.890 9 e-0.026(t-1 524)R2=0.996 5

(11)

式中：ΔH表示水击压强振幅，m；t表示时间，s；R为拟合相关系数。

水击压强周期性变化，压强时大时小，往复作用于闸门上，可能引起闸门产生强烈的振动。当水击振荡频率和闸门的自振频率性接近时，可能引起闸门共振，导致其破坏，影响闸门的安全运行。

2.2 工作闸门关闭方式对水击压强特性的影响

为探究工作闸门运行方式对泄洪洞水击压强特性的影响，保持工作闸门关闭时间不变，改变闸门关闭方式(如图5)，数值模拟水击压强。闸门关闭规律按式(12)计算[5]，选取m<1、m=1和m>1 三种典型关闭规律。方式Ⅰ中m=0.5，工作闸门关闭速度先慢后快；方式Ⅱ中m=1，即闸门常规关闭方式，上文已计算其水击压强；方式Ⅳ中m=2，关闭速度先快后慢；方式Ⅲ参考抽水蓄能电站导叶两段关闭规律，前80%时间内，关闭速度为0.6 m/min，后20%时间内，关闭速度为0.1 m/min。

(12)

式中：t为闸门运行时间；Ts=1 524 s，为闸门启闭总时间。

图5 闸门关闭方式Fig.5 Closing ways of working gate

由以上研究可知，闸门关闭时，压强逐渐增大，不发生水击，水击发生于闸门完全关闭后。图6表示不同工作闸门运行方式下，闸门关闭后的水击压强变化情况。

分析图6可知：①上述4种工作闸门关闭方式中，方式Ⅰ是最不利的工作闸门关闭方式。闸门关闭过程中，水击压强振荡剧烈，最大水击压强为141.08 m水柱，是恒定流时压强的1.76倍，水击压强的大幅变化，且振荡时间较长，可能引起闸门结构振动。②方式Ⅲ和方式Ⅱ相比，水击压强振幅明显减小，最大振幅仅为匀速关闭方式下的18.69%。③方式Ⅳ是工作闸门四种运行方式中最优的关闭方式，闸门关闭过程中彻底消除了水击。

图6 闸门不同关闭方式下压强时程图Fig.6 Time-history of pressure in different closing ways of working gate

图7(a)表示以方式Ⅳ关闭闸门时，闸门关闭速度的变化情况，图7(b)表示闸门关闭加速度的变化情况。分析图7可知：当工作闸门以适当恒定加速度关闭时，可以避免水击的产生。

3 结 论

通过利用特征线法对青海省某水电站泄洪洞水击的数值模拟，得到如下结论。

(1)当工作闸门匀速关闭时，尽管关闭速度很小，仍会引起水击压强振荡。水击发生于闸门关闭后阶段，水击压强振幅按指数规律递减。

(2)工作闸门运行方式是泄洪洞水击的重要影响因素。水击压强振幅与工作闸门运行方式密切相关，工作闸门关闭速度先慢后快的变速运行方式，压强变化幅度很大，甚至会产生负压，不利于闸门结构的受力，容易引起闸门振动。工作闸门关闭速度先快后慢的运行方式可有效减小水击

图7 方式Ⅳ下闸门关闭速度和加速度时程图Fig.7 Time-history of velocity and acceleration of gate in the way of Ⅳ

压强振幅，甚至可以避免水击的产生。当以适当恒定加速度关闭工作闸门时，可完全消除水击，非常有利于闸门安全运行。

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[1] 沙海飞，吴时强，陈振文. 泄洪洞整体三维紊流数值模拟[J]. 水科学进展，2006，17(4)：507-511.

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