带导流墙的门槽结构在闸门全开工况下的应用

刘国瑞，刘旭辉

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

0 引言

平面闸门由于门槽的设置，造成水流条件恶化，一定条件下还会产生空穴、空蚀和振动，危及闸门及水工建筑物的安全，特别是对于深孔泄水道的闸门，这一问题尤为突出，而业界人士也一直在努力探寻新的门槽形式，力争消除平面闸门的这一主要缺陷。

1 一种带导流墙的门槽结构

文献［1］采用了一种带导流墙的门槽结构，与一种新型的平面闸门相配合，用以改善泄水闸工作门局部开启运行时的水流条件和降低门槽区的气蚀危险性。其主要结构特点是:将上游的闸墙按倒梯形延伸至闸槽中，形成导流墙，在门槽下端设置错距、斜坡及圆角，只在上游面设置闸门前缘及止水结构，以增加闸下出流沿边墙的流程，防止泄流时水流沿水平方向大幅扩散，减小或避免水流冲击下游门槽边缘，使水流特性良好，宛如无门槽的弧形闸门的泄流状态。其门叶、门槽的关系如图1所示。

图1 门叶门槽关系

该文强调的是带导流墙的门槽结构在闸门局部开启工况下的运用，但对此种门槽在闸门全开工况下的运用却未提及。笔者认为，此种门槽在闸门全开工况下同样可以起到改善流态、降低门槽受冲刷和空蚀危险性的作用。当闸门局部开启时，此种带导流墙的Ⅱ型门槽，由于导流墙起到增加流程和挑流的作用，可协助过槽水流越过门槽爬上斜坡段，因此槽内水流很小，可不对槽内水流做过多研究。但当闸门全开泄洪时，槽内必然充满水流，槽内水力特性及水流流态的好坏就成为此种门槽在闸门全开工况下应用优越与否的关键，而门槽的水力特性又主要通过其空穴特性来表现。

2 空穴的定义和类型

水流经过门槽段时，形成压力场和速度场，具有一定的压力分布和速度分布。当温度不变、流速增加时，压力降低。当压力降低到某临界值后，水体内部含有的小气泡就迅速膨胀而形成空气泡或空腔，这就是空穴现象，也称空化现象。当水流夹带着空气泡从低压区流向下游高压区时，空气泡的内外压差迫使其迅速发生溃灭，在局部产生巨大的瞬时冲击力，反复作用于门槽边界后，门槽表面因疲劳而产生剥蚀，这种现象就称为空蚀，也称气蚀。空穴是产生空蚀的原因，而空蚀后的固体表面又会使空穴现象激化，加剧空蚀作用，在深孔泄水道内这种空蚀现象发展尤为迅速。水流空穴数与门槽初生空穴数的关系是判别空穴现象是否发生的依据。如果物体形状不变，当水流空穴数降低到某一数值时，水流开始发生空穴现象，则这一水流空穴数就称为这一体形的初生空穴数。初生空穴数反映物体形状的空穴特性，初生空穴数越小说明体形越好，水流越不容易发生空穴现象。常见的门槽空穴形态有分离型空穴和漩涡型空穴2类。在分离型空穴中可见到非球形的空腔或单个球形空泡或空穴云。在漩涡型空穴中，一般在门槽内出现漏斗型立轴漩涡，当漩涡中心的压力低于汽化压力时，将发生漩涡型空穴，有时在门槽下游边界上亦伴随分离型空穴。门槽宽深比是影响门槽初生空穴数的主要参数，对槽内水流的空穴类型起决定性作用。宽深比为0．75～1．50时，门槽中水流特性为强漩涡区，此时漩涡型空穴的初生空穴数大于分离型空穴的初生空穴数，故漩涡型空穴起主导作用，尽管这时分离型空穴较少，但强漩涡将会引起空蚀破坏。宽深比为2．00～3．50时，槽内水流为弱漩涡区，此时分离型空穴的初生空穴数大于槽内漩涡型空穴的初生空穴数，故前者起主导作用。宽深比为1．50～2．00时，水流为上述2种特性的过渡形态，既非孤立漩涡型空穴，又非孤立分离型空穴，而且分离型空化数又相对较小，是规范中推荐的较优宽深比范围。

根据前人的研究成果和实际工程中空蚀破坏的部位分析判断，门槽的空蚀破坏主要是分离型空穴引起的，而漩涡型空穴所引起的门槽空蚀为数较少，破坏程度也较轻。这是因为漩涡中心虽然压强较低，但漩涡型空穴的溢出和溃灭均发生在水层中，很少波及边墙表面。而且，只要槽内漩涡不是过强，对过槽水流流线还起到一定的推移作用，对射流自由扩散起到一定的约束作用，可协助过槽水流越过门槽爬上斜坡段，而过强的漩涡可通过门槽宽深比的控制来有效避免。

由此可见，平面闸门门槽减小空蚀破坏的关键，就是在门槽宽深比取值在较优范围的前提下，尽量避免水流与门槽边壁分离而产生分离型空穴，而分离型空穴的产生又起源于门槽内的上游面附近局部低压区的产生。因此，若带导流墙的门槽结构能有效提高槽内上游面附近的水压，就能够在闸门全开工况下有效抑制分离型空穴和空蚀的产生。

3 带导流墙门槽结构在闸门全开工况下的空穴特性及流态特征分析［2－4］

当闸门全开泄洪时，对于带导流墙的门槽结构，最小压强仍出现在槽内上游面，这和普通门槽是一样的。这是由于水流的惯性作用，水流在门槽上游面附近出现边壁分离，导致该处压强降低，而门槽下游面受到水流的冲击影响，时均压力值较大。同时，水流受门槽下游面的阻挡而进入门槽内部，从而在门槽内部产生一个漩涡。

与常规门槽体形不同的是，由于上游侧设置了导流墙，对槽内漩涡产生了阻挡作用，因此，槽内上游面的压力值远大于常规门槽体形，其压力随导流墙长度的增加而增大。因此，此种门槽形式能有效提高槽内上游面附近的水压，减小其与门槽下游水流的水压差，从而能够有效抑制分离型空穴和空蚀的产生。而导流墙的设置也增加了水流的水平流程，有利于水流越槽。因水流漩涡是由门槽边壁对水流的反射而形成的，因此，导流墙的设置在提高槽内上游面水压的同时，还促进了槽内漩涡的充分发展。通过以上对于门槽空穴类型的分析可知，门槽内部的漩涡型空穴很少波及边墙表面，而且槽内漩涡对过槽水流流线还能起到一定的推移作用，像导流墙的作用一样可协助过槽水流越过门槽爬上斜坡段，因此，基本不会因漩涡而产生空蚀破坏。

相反，如果漩涡未能得到充分发展，漩涡外围流线没有得到充分约束而脱离了门槽边界范围，就会产生低压区并造成流态紊乱。而漩涡外围流线脱离门槽边界后，就会冲击到门槽下游的斜坡，下游侧壁就相应地处在了漩涡较强的区域，最终导致门槽边界至门槽下游斜坡上各点间的压力变化幅度较大，容易引起空穴现象。因此，只有漩涡在门槽内部得到充分的发展，才能有效抑制槽内低压区的产生，从而避免分离型空穴和空蚀的产生，而导流墙就能起到这个作用。当然，前面也提到，漩涡的利弊是辩证的，过强的漩涡同样会引起门槽空蚀，因此，要选择较优的门槽宽深比，以避免过强漩涡的发生。

导流墙的设置也增加了水流的水平流程，再加上槽内漩涡对过槽水流流线的推移作用，对射流自由扩散的约束作用，这些因素都可协助过槽水流顺利越过门槽爬上斜坡段并使得槽内漩涡充分发展。因此，与普通的Ⅱ型门槽相比，带导流墙门槽的过槽水流流线更加清晰，槽内漩涡边界更加分明，流态更好。2种门槽的流态示意图如图2、图3所示。

4 结束语

综上所述，在闸门全开泄洪时，导流墙的设置提高了槽内上游面附近的水压，有效抑制了造成门槽空蚀破坏的主要因素——分离型空穴的产生。增加导流墙的长度对增压有利，但其长度同时受门叶尺寸的限制。此外，在保证门槽宽深比取值在较优范围的前提下，导流墙的设置使得槽内漩涡充分而适度发展，在充分发挥漩涡对过槽水流流态所起积极作用的同时，有效避免了其漩涡过强所产生的消极作用。因此，这种带导流墙的门槽型式在闸门全开泄洪的情况下可以起到改善流态、降低门槽受冲刷和空蚀危险性的作用，值得在深孔泄水道闸门及其他高水头平面闸门中推广应用。

［1］龚悦蓉．城东电站新型平面闸门设计［J］．金属结构，2000(4):20－23．

［2］安徽省水利局勘测设计院．水工钢闸门设计［M］．北京:水利出版社，1980．

［3］水利水电科学研究院，水电部第四工程局勘测设计研究院，水电部第十一工程局勘测设计研究院．防止闸门槽空蚀的试验研究［J］．水利水电技术，1978(3):39－45．

［4］刘明军．积石峡中孔泄洪洞工作门槽体型优化研究［D］．天津:天津大学，2007．