万安二线船闸输水阀门段空化特性及优化措施

郭 超，严秀俊，胡宝瑶，伍贤熙，赵 凯，汤建宏

(1.南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；2.江西省港航建设投资集团有限公司，江西 南昌 330008；3.中交水运规划设计研究院有限公司，北京100007)

万安二线船闸按通航1 000吨级船舶设计，闸室有效尺度180 m×23 m×4.5 m(长×宽×门槛水深)。上游最高通航水位100.0 m，最低通航水位85.0 m；下游最高通航水位75.6 m，最低通航水位67.5 m；最大水头为32.5 m[1]。

万安二线船闸闸室规模较大，且无论水头、水位变幅条件(上游变幅15.0 m，下游变幅8.1 m)和水力指标(闸室水位最大上升速度达4.78 mmin)都达到了世界已建单级船闸的前列。此外，万安二线船闸阀门面积大，是万安一线船闸阀门的2倍，阀门水动力荷载及空化振动突出。

高水头船闸输水阀门开启过程中，高速水流在阀门底缘及下游剪切层、顶止水缝隙等部位产生的空化，不仅会造成阀门结构空蚀破坏、增加维修成本，而且增加每次停航检修时间，因此阀门处产生的空化空蚀等阀门水力学问题是该类高水头船闸水力设计较为关键的技术难题[2]，需要通过阀门水力学物理模型试验，提出合理的阀门段布置形式及减免阀门空化空蚀的综合措施，以确保船闸的安全高效运行。本文主要为该船闸输水阀门减压模型试验成果。

1 万安二线船闸输水廊道阀门布置

经南京水利科学研究院比尺为1:30的万安二线船闸输水系统水工整体模型试验和比尺为1:20的阀门廊道非恒定流常压试验，推荐万安二线船闸采用闸墙长廊道、闸室中心垂直分流、闸底两区段分散输水系统。万安二线船闸输水阀门采用反弧门，阀门顶高程54.50 m，淹没水深13.0 m，推荐采用“顶部渐扩+底部突扩(深度3.0 m)”阀门后廊道体型。阀门段廊道体型剖面布置见图1。

图1 阀门后廊道体型(充水阀门)(单位：m)

2 恒定流阀门水力学减压模型试验设计

研究船闸输水阀门段空化特性时，为保证原型和模型空化现象相似和空化数相等，模型试验中水面的大气压强须进行相应的缩减，即采用减压模型进行研究。对于水流惯性作用较小的船闸，研究阀门空化特性时可以采用恒定流减压试验，即固定阀门开度，控制阀门段上下游压差与整体模型基本一致，不模拟阀门连续开启过程。

2.1 模型比尺与相似准则

恒定流阀门减压模型比尺为1:20。模型按重力相似准则设计，还应满足空化相似准则，根据原型与模型空化数相等，可以得到减压试验时模型水面应控制的相似大气压强。

2.2 控制设备及量测仪器

减压试验在恒定流减压设备中进行，万安二线船闸充水阀门段减压模型布置见图2。减压设备控制系统可实现水位及真空度目标值的自动计算和精准调节功能。

图2 万安二线船闸阀门段减压模型布置

在减压试验中，通过布置在阀门段的水听器监测水流噪声(图3)。图3中，1#～3#水听器分别监测充水阀门上检修门槽、门楣出口、跌坎及底缘空化噪声信号；4#水听器主要监测底缘空化噪声信号；5#水听器主要监测底缘及跌坎强空化时传递到升坎起点附近的噪声信号；6#水听器主要监测升坎自身空化及底缘强空化时传递到升坎末端附近的噪声信号；7#水听器主要监测下检修门槽空化、底缘及升坎发生强空化时传递到门槽附近的噪声信号。

图3 水听器布置

3 阀门段廊道空化特性及减免措施

3.1 阀门段空化形态及临界空化试验

在最大作用水头32.5 m、开度n=0.3阀门段恒定流空化形态见图4，空化照片见图5。阀门典型开度恒定流条件下阀门廊道段空化现象描述见表1。在阀门n=0.1～0.4开度下，在底缘和跌坎附近均观测到空化现象，升坎及下检修门槽处未观测到空化气泡。

图4 开度n=0.3阀门段空化形态

图5 开度n=0.3时阀门段空化照片

表1 阀门段各部位空化现象(恒定流)

根据文献[3]中相对空化数的定义可知，相对空化数表征空化的强弱。若相对空化数≤1，则表明空化发生，并且该值越小，空化越强；若相对空化数> 1，则表明无空化。

通过模型试验综合分析判断，测定各开度阀门临界空化数，并计算相对空化数，结果见表2。在初步推荐的阀门段廊道体型，作用水头高达32.5 m、阀门顶淹没水深初始13.0 m条件下，推荐廊道体型阀门底缘、跌坎最小相对空化数分别为0.64、0.65，上检修门槽、升坎、下检修门槽最小相对空化数均大于1，未见明显空化。

表2 阀门段各部位相对空化数

减压试验观察结果表明：在未采取空化减免措施的前提下，除了门楣空化外，推荐的阀门段廊道体型在底缘和跌坎还存在空化。

1)底缘空化：试验观测到空化溃灭区一般被限制在突扩廊道内，空化特别强烈时，底缘空化溃灭区能达到高次曲线升坎附近，但未超过下检修门槽。底缘空化发生的开度范围为n=0.1～0.4，以n=0.2～0.3开度相对较强，噪声强度也较大，n=0.5开度底缘无空化。

2)跌坎空化：跌坎空化相对较弱，发生在主流与跌坎回旋区的交界面上，溃灭区位于突扩廊道底板，跌坎发生空化的开度范围为n=0.1～0.4，随着开度增大，溃灭区逐渐向下游扩展，廊道底板溃灭约在跌坎下游2.7～4.8 m区域(以阀门后跌坎垂直面为零点)，跌坎空化水体内部溃灭范围约跌坎下游17.8 m区域，未达到升坎处。n=0.5开度跌坎无空化。

此外，高次曲线升坎未见原生空化，在n=0.1～0.4开度范围，会有部分底缘空化游移至此。下检修门井门槽出口未见明显空化。

3.2 解决阀门段廊道空化问题的工程措施及效果

根据减压试验进行廊道合理埋深探讨。结果表明，为了避免阀门段不发生明显空化，廊道须在现有设计的基础上再下挖13.8 m，显然不经济也不现实。根据前期抑制阀门空化系列成果，底缘存在的空化可以采用门楣自然通气解决。跌坎存在的空化，由于溃灭的范围被限制在廊道底板的较小范围，可以采用较强廊道防护设计和跌坎强迫通气的后备措施。

3.2.1门楣自然通气抑制底缘空化

门楣自然通气措施是我国独创并经过多项工程检验的解决阀门空化问题的有效措施。该技术通过在门楣缝隙有负压的地方设置通气管实现自然通气。该措施能够适应万安二线船闸下游8.1 m的水位变幅，而且能够通气的阀门开度范围较广。

根据红水河大化和乐滩这2座高水头船闸的原型观测及调试成果[4-5]可知，门楣通气能有效抑制不同程度的底缘空化，特别是在低淹没水深、最简单的平顶廊道体型下，不通气时，底缘相对空化数仅为0.10，底缘空化情况较为强烈，通过在门楣处自然通气，阀门段空化得到充分抑制，阀门运行平稳，无声振现象。万安二线船闸采用了向上和向下突扩的廊道体型，充水阀门空化程度远远小于大化和乐滩船闸，合适的门楣自然通气量可以充分抑制底缘空化。万安二线船闸最大水头充水工况各开度门楣总通气量Qa见图6。

图6 各开度门楣通气量

最大水头下，阀门开启时间tv=8 min时在n=0.1～0.7开度范围内，选定的门楣体型都能自然通气。在n=0.1～0.6开度范围，门楣单宽通气量较大，平均达0.40 m3s，最大通气量约为0.47 m3s。

在减压箱检验了万安二线船闸充水阀门门楣自然通气抑制底缘空化的效果，充水阀门n=0.3开度恒定流试验测得的门楣不通气条件与0.1 m3s通气量条件下空化噪声强度对比见图7。显见，不通气时，噪声强度脉冲大而密集；通气后，噪声强度显著降低。门楣通气后3#水听器测到的较强的脉冲信号、4#水听器监测到的不强的脉冲信号为跌坎空化所致，实测的噪声强度过程线有少量脉冲，当门楣通气量仅仅为0.1 m3s时，底缘空化引起的噪声强度脉冲基本消失，随着门楣通气量的增大，门楣抑制底缘空化效果也越明显。减压试验表明，门楣自然通气后，较强的底缘空化被充分抑制，门楣通气抑制底缘空化效果显著。

图7 门楣不通气条件与0.1 m3s通气量条件下空化噪声强度对比

3.2.2跌坎强迫通气抑制跌坎空化

由于跌坎空化发生的开度和范围不大，可以在空化发生的部位用钢板保护或者高强混凝土防护，以减少空蚀破坏，同时采用跌坎通气的方法解决。模型试验通过在跌坎第1台阶垂直面设置通气管进行跌坎强迫通气。试验观测到，跌坎强迫通气后的掺气水流覆盖了跌坎空化溃灭区，跌坎空化可以被跌坎强迫通气充分抑制(极少跌坎通气量也可以取得较满意的效果)。n=0.3开度恒定流条件下，跌坎0.1 m3s通气量条件下空化噪声强度见图8。对比图8和图7可知，当通气量为0.1 m3s时，跌坎空化脉冲信号更为弱化。试验表明，跌坎通气后，不仅跌坎空化得到完全抑制，在升坎出口处有一部分气体被主回漩区“夹带”，形成有利于抑制底缘空化的掺气水流，底缘空化也可得到较好的抑制。

图8 跌坎通气0.1 m3s时水听器空化噪声强度

3.2.3门楣自然通气、跌坎强迫通气抑制阀门段空化

图9为n=0.3开度门楣自然通气0.1 m3s、跌坎通气0.15 m3s空化噪声强度。显见，除个别偶发空化噪声尖脉冲外，阀门底缘及跌坎空化都被充分抑制，门楣自然通气、跌坎强迫通气抑制阀门段空化效果极为显著。

图9 门楣通气0.1 m3s、跌坎通气0.15 m3s 时水听器空化噪声强度

4 结语

1)未采取通气措施时，在作用水头高达32.5 m、阀门顶初始淹没水深13.0 m的条件下，万安二线船闸阀门底缘及跌坎空化发生的开度范围为n=0.1～0.4，推荐廊道体型阀门底缘、跌坎最小相对空化数分别约为0.64、0.65，存在较强空化。升坎、下检修门槽未见明显空化。

2)采用门楣自然通气措施后，在n=0.1～0.6开度范围内，推荐的门楣体型都能自然通气，n=0.1～0.5开度范围门楣通气量较大，最大通气量约为0.47 m3s。通过门楣自然通气措施后，底缘处空化得到充分抑制。

3)采用跌坎强迫通气措施后，控制通气量为0.1 m3s时，掺气水流即可完全抑制跌坎自身存在的空化，对阀门底缘抑制效果较为显著，其对下检修门井门槽和廊道也有较好的保护作用。

4)门楣自然门楣通气0.1 m3s、跌坎通气0.15 m3s时，除个别偶发空化噪声尖脉冲外，阀门底缘及跌坎空化都被充分抑制，门楣自然通气、跌坎强迫通气抑制阀门段空化效果极为显著。