长漳堤除险加固工程平板闸门水力特性试验研究

刘 斌

（江西星光建设工程有限公司,江西 南昌 330000）

1 问题的提出

随着我国水利水电事业的蓬勃发展,闸门尺寸和作用水头均呈不断增大的态势,对于平面滑动钢闸门而言,闸门孔口尺寸、工作水头及总水压力是体现闸门性能水平的主要指标：闸门尺寸越大,其金属结构所面临的力学问题和加工工艺也越突出；闸门工作水头越高,高速水流水力力学问题也越突出,闸门启闭设备的加工、锻造、铸造也越困难。

万洲电排站是长漳堤除险加固工程的主要组成部分,长漳堤除险加固工程设计范围为桩号0 +000~11 +900,堤线全长11.90 km。圩堤按5 级堤防设计,设计防洪标准为防御莲河10 年一遇洪水。本段设计洪水位为22.25 m~21.85 m。从闸门工作水头来看,我国当前闸门工程运行已达较高水平,但是闸门孔口尺寸和总水头压力方面仍与国际先进水平存在较大差距,闸门运行主要面临高速水流状态下空蚀、气蚀、振动、脉动等问题,为确保闸门运行的安全性,必须对工作闸门进行水力特性试验。

2 模型设计及试验布置

长漳堤除险加固工程万洲电排站中孔长110 m,检修闸门设置在进口,事故闸门及工作闸门均设置在出口,通过椎管进行闸门间的连接,工作闸门和事故闸门附环设计半径分别为2.40 m和2.72 m,且在闸门门槽上游面均环形设置冲水压缩水封。以内壁光滑、内径11.5 cm的塑料成品管进行闸门水力特性试验模型制作,钢水箱模型尺寸为4.0 m×4.0 m×17 m,为确保水箱内水位符合设计要求,其供水系统应通过调频电机控制。事故闸门的设计工作水头为140 m,试验模型设计比尺18,边壁糙率设计比尺1.62,有机玻璃管壁糙率0.008,转换为模型边壁糙率0.013,符合流道边壁糙率相关要求。设计好模型后主要进行电排站、泄洪孔进口段、洞身段、渐变段、闸门门槽段及后突闸室段等区段的模拟。事故闸门在不运行状态下,内部充水且端头封闭,而在启动并运行后通气管便自由通水、通气。

为进行电排站闸门门槽段脉动压力、能谱等水力特性检测,还应将四个压力传感器设置在模型门槽段上下游流道处,并设置时均压力测点。为进行闸门面板门槽段脉动压力等水力特性检验,将12 个压力传感器设置在模型事故闸门面板及端头。

为避免动水压力影响闸门启闭速度,确保闸门稳定运行,试验模型还应增设附带背压功能的液压启闭机驱动系统。将液压油缸活塞杆安装于门井顶端并与闸门连接,在连接吊杆上串接测力器以进行模型闸门运行过程的控制。YD-28动态电阻应变仪将闸门模型运行过程中的脉动压力按照200 Hz的采样频率采集、转换并放大后再经过INV36 D数据分析仪分析处理。

3 平板闸门水力特性研究

3.1 闸门设计全开

电排站中孔闸门全开泄流试验在22.25 m、21.85 m水位及18.9 m的较低水位进行,在设计工况下,电排站事故闸门水流较为顺畅,且门井内水体充盈,不存在旋滚及气囊流态等情况。流道内水体流出工作闸门后以平抛形态和较为规则的圆柱状态射流,且不发生横向扩散和明显回卷,同时,射流水体距离闸室段边界较远,闸门后突扩门槽闸室段无水体击打。闸门门槽段主要表现为较大的时均正压压力,且压力均至少为50×9.81 kPa,考虑到闸门段流速最大值,应按下式进行所对应水流空化数[1]计算：

式中：∂为闸门段水流空化数；h0为闸门段动水压力水头,m；ha为闸门段大气压力水头,m；hy为闸门段水汽化压力水头,m；v0为闸门段特征流速,m/s。

将长漳堤除险加固工程万洲电排站事故闸门门槽段流道水流特征带入式（1）可得该电排站事故闸门段水流空化数为1.21,符合设计要求的不产生水流空化的条件,脉动压力最值也主要出现在事故闸门区流道段收缩起始段,并随水位升高后脉动压力持续增大。在最大水位22.25 m情况下脉动压力最大值为1.6×9.81 kPa,其余水位条件下脉动压力最大值均在0.6×9.81 kPa以下。电排站中孔泄洪情况下各测点脉动主频率均为0.2 Hz,而脉动优势频率在0~7.5 Hz范围内变化。

3.2 闸门与流道形成错台

考虑到万洲电排站事故闸门在泄洪情况下的运行实际,在其超欠运行时便会在门槽段流道顶底等处形成高度0.02 m左右的错台,通过试验进行35 m/s高速水流条件下错台水力影响的分析。展开电排站运行水位分别为22.25 m、21.85 m及18.9 m时电排站事故闸门抬高/降低0.05 m的试验,试验结果见表1。

表1 电排站事故闸门抬高/降低0.05 m的试验结果

根据表中所示试验结果数据可知,万洲电排站事故闸门门井内水体充盈,槽段水流较为顺畅,且不存在气囊、水流脱空等现象。门槽段流道顶底等处所形成的错台与闸后射流间存在安全距离,故并不影响闸后射流形态,也不存在水体对闸门后突扩门槽段的击打。闸门抬高0.05 m后门槽管底和管顶分别出现凸坎和凹槽,22.25 m、21.85 m及18.9 m水位条件下闸门门槽段均存在较大正向时均压力,仅在局部凸坎和凹槽范围内时均压力值较小,整体而言,电排站闸门门槽段水流空蚀特性并无显著变化。闸门降低0.05 m后门槽管底和管顶分别出现与闸门抬高0.05 m时类似的凹槽和凸坎,不同水位下时均压力值均有所降低。通过对压力成果的分析,在万洲电排站事故闸门附近所形成凸坎的位置,其压力均方根增大幅度不明显。凸坎以后压力值降低,但压力均方根值变动不明显。事故闸门与流道所形成凹槽处脉动压力增大,压力均方根值变动不明显。总之,万洲电排站事故闸门门槽段流道顶底等处形成的错台严格控制在设计要求的0.02 m以内,槽区水流空化特性便不会恶化。

3.3 事故闸门启闭过程水力特性

万洲电排站工作闸门全开、事故闸门关闭情况下,当工作闸门开度在0.86~0.98 时椎管段顶端水体会表现出剧烈的紊动与旋转,闸门门井内水体充盈,通气管内水平面降至流道管顶后管内开始进气,工作闸门后水舌上部出现25°幅度的上扬,分散性水体接触到工作闸门后突扩至洞顶。当工作闸门开度在0.70 ~0.85 时,较多空气由顶管尾部进入椎管管段内,并持续向通气管补气,事故闸门门后管顶的掺气水流发生剧烈旋滚,水舌持续快速上扬至闸门后突扩洞体顶部。当工作闸门开度在0.69 及以下时,与椎管管后空气连通的空腔同样出现在椎管段顶部,通气管基本停止补气,水舌表面掺气,闸门后突扩洞顶不再受到水流冲击。

当水位为21.85 m时,在万洲电排站工作闸门逐渐关闭的过程中,流道范围内门板压力逐渐增大,最终达到水位21.85 m时的压力高程。流道外的压力因处于门井内,故与门井压力变动趋势一致。位于门井止水环位置的闸门板在高速缝隙水流的影响下短时压力急剧下降,甚至出现暂时负压的情况。闸门顶底压力整体表现为正压,并与门井内压力一样,缓慢下降。随着闸门的下行运动,通气管和泄水管顶不断补气后局部环面负压逐渐升至零压。

当水位为22.25 m时,电排站工作闸门压力变动趋势与水位21.85 m时十分接近,即随着闸门关闭,其管道内压力持续增大,并最终与试验水位一致,其椎管顶部压力在闸门开度0.86 ~1.0 的情况下快速降至零,在开度0.69 ~0.86 时因掺气水流旋滚情况明显,实测压力存在较大起伏与紊动,并与大气相通后逐渐降至零。当闸门开度减小至0.33 以下后,椎管段底部表现出较大负压,待闸门关闭后压力值便稳定下降至零。

当水位为18.9 m时,电排站工作闸门压力变化情况与水位21.85 m时接近,在闸门开度0.69 ~0.86 时,闸门后管顶压力围绕零点起伏变化,事故闸门关闭至开度0.45 时,其与工作闸门间的椎管旋区压力在20×9.81 kPa以上,待其开度为0.35 时,椎管顶部压力持续降低,且表现为剧烈紊动和部分流道负压。当开度为0.17 ~0.33 时,事故闸门后管底瞬时负压为真空状态,此后闸门启闭过程中水流流态、压力特性等均不存在实质性差异。

4 平台闸门启闭力试验

4.1 闸门启闭力计算

万洲电排站工作闸门动水启闭力[2]按以下过程计算：

式中：G为电排站工作闸门重量,t；f t为闸门动水开启时实际摩擦力,kPa；f为闸门动水关闭时实际摩擦力,kPa；W's为闸门动水开启时闸门所作用的水柱压力,kPa；Ws为闸门动水关闭时闸门所作用的水柱压力,kPa；P'x为闸门动水开启时闸门底缘所作用的下吸力,kPa；Px为闸门动水开启时闸门底缘所作用的上托力,kPa；P't为闸门动水关闭时闸门底缘所作用的下吸力,kPa；Pt为闸门动水关闭时闸门底缘所作用的上托力,kPa。

在试验过程中,可设Wy= Ws+Px- Pt,W'y=W's+P'x- P't,其中Wy为作用于模型闸门铅垂向的动水总荷载；W'y为作用于模型闸门水平向的动水总荷载。带入式（2）和式（3）后便可得到：

当闸门启闭速度缓慢时,其在具体开度下以微小幅度移动时门体四周水流条件变动不明显,即模型闸门开度从（e-1）cm变动至（e+1）cm,或者从（e+1）cm变动至（e-1）cm时,门体四周水流均值便与闸门实际开度e十分接近,且此时Wy与W 'y大小相等,方向相反。将式（4）和式（5）联立并将模型闸门所测得的数据带入后便可得出模型在任意开度下垂直动水总荷载W y值和摩擦力f,即：

4.2 闸门启闭力试验

在模型启闭试验过程中,根据本文所述闸门启闭力计算过程进行万洲电排站闸门闭门力计算,如果闸门区域具有相似的几何边界条件,则闸门水力要素基本满足相关要求,但是模型闸门和门轨的摩擦系数除外,所以,必须通过相关变换以得出试验成果。试验时闸门动水闭门力F闭过程线和不考虑摩擦力的闭门力F0闭（F0闭=Wy+ G）过程线以及作用于模型闸门铅垂向的动水总荷载Wy过程线具体见图1和图2。

图1 模型闸门动水闭门力过程线

图2 模型闸门铅垂向的动水总荷载过程线

根据试验结果,在试验闸门闭门过程中,随开度的减小,作用于闸门水平向的动水总荷载持续增大,且其最大值达37910 kN。考虑到闸门闭门力以高水位为控制条件,则在水位22.25 m时根据原型闸门和门轨间的摩擦力系数及模型试验所得水力参数进行闸门闭门时实际摩擦力的计算。结果表明,在试验闸门启闭运动过程中,闸门连接杆先承受拉力、后承受压力,且最大拉应力和压应力分别达4250 kN和-3250 kN。

5 结论

根据本文所进行的试验可以得出以下结论：（1）在设计水位下,万洲电排站工作闸门全开、事故闸门关闭的情况下不会出现水流空化；将错台高度控制在0.02 m设计范围内时门槽区水流空化现象也不明显,水力安全性较高；在试验闸门启闭过程中,通气管内风速减小,椎管段水流表现为名流射流态,且不存在恶劣水力现象。（2）最高水位控制泄洪中孔闸门闭门力,且在闭门时闸门连接杆先承受拉应力后承受压应力,并据此进行闸门启闭力实际容量的选择。