某工程闸门水力特性及闸门启闭试验探讨

钦立峰

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水工闸门是水利水电工程泄水建筑物的重要部分，随着水工闸门类型的不断发展变化，工作水头越高，闸门门槽附近水流的水力学特征越复杂。在相应水头下附环闸门能否控制气蚀及错台所引发的不利水力现象，仍有待进一步验证。文章主要结合具体水工闸门原型，通过大比尺水工模型进行流道、闸门、通气系统等运行过程的模拟，以研究正常泄洪条件下附环闸门水流特性、水流掺气效果、启闭力变化，为水工闸门安全运行提供借鉴参考。

1 模型设计

某水库中孔长度约为105m，进口处和出口处分别布置有检修闸门和事故闸门、工作闸门，闸门间通过椎管连接，事故闸门和工作闸门附环尺寸半径分别为2.72m和2.40m，冲压伸缩式水封均布置在门槽上游面。试验模型比尺Lr=18，边壁糙率比尺1.62，工程边壁糙率0.013，根据相似原则，换算成模型有机玻璃管道糙率为0.008。通过构建模型主要进行水库、泄洪洞进口段、洞身、渐变段、闸门门槽及闸室段等运行工况模拟；通气管在非事故工况下充满水，且端部为封闭状态，在事故门启动工况下则自由通水通气。为进行附环闸门门槽段水力特性、脉动压力及能谱等的检测，分别将四个压力传感器和30个时均压力测点布置在模型事故门槽上下游流道；还在模型事故闸门上下端及面板上设置15个压力传感器，检测门槽段脉动压力分布。

2 闸门水力特性

2.1 闸门全开

闸门全开泄流试验在库水位278.5m、285.2m及较低水位261.0m进行。试验过程中，事故闸门附环段并未形成气囊、旋滚等流态，且水体充盈事故门井。工作闸门流出的水体整体以规则圆柱状平抛射出，且基本无扩散，与空气交界处无回卷。闸门附环门槽段时均压力为正压，取值在40×9.81kPa及以上，结合该段流速，可进行水流空化数计算[1]，公式如下：

(1)

式中：h0为断面动水压力水头，m；hα为断面大气 压力水头，m；hv为断面水汽化压力水头，m；v0为断面特征流速，m/s。

根据式(1)可以求得该水库事故闸门附环门槽前后流道水流空化数最小值为1.29，比规范值1.50小，不存在水流空化问题。流道脉动压力最值主要出现在事故闸门附环收缩段，且测点脉动压力均随水位升高而增大。当库水位为285.2m时，脉动压力最大值均方根为1.3×9.81kPa，脉动压力系数最大取2.1%，其余测点脉动压力系数均在0.5×9.81kPa以下。

2.2 闸门附环与流道形成错台

考虑到中孔泄洪情况下闸门属于流道的一部分，故在事故闸门超、欠等情况下，门槽段流道顶部和底部均会表现出错台现象，且该水库闸门设计的错台高度最大为0.02m。库水位分别为278.5m、285.2m、261.0m时进行事故闸门附环和流道形成±0.02m错台试验，结果见表1。

表1 闸门附环与流道形成错台时闸门前后压力试验结果

由上表试验结果可知，事故闸门槽段水流较为顺畅，且不存在气囊、脱空等问题，门井内水体较为充盈。工作闸门后水舌射流形态不受错台影响，且射流水舌和闸室边壁存在安全距离，闸室段也不会受到水体击打影响。当事故闸门抬升0.02m，门槽管底和管顶分别形成凸坎和凹槽，时均压力取值表现为较大正压，闸门附环和流道局部范围内，时均压力有所下降，但降幅不大。闸门前流道收缩段时均压力变动趋势相对较弱[2]。总之，事故闸门抬升对门槽段水流空蚀变化影响较小。

当事故闸门降低0.02m，门槽管底和管顶分别形成凹槽和凸坎，且各个测点时均压力均表现出下降趋势，且在闸门附环和流道凸坎以上测点，时均压力和脉动压力均方根却呈增大趋势。凸坎后时均压力值降低，但是脉动压力均方根值变化较为稳定。考虑到试验段流道水流空化数变化不大，产生空化空蚀的可能性较小。只要严格控制附环闸门和流道间错台，则附环门槽水流空化现象便能得到有效控制。

3 闸门启闭试验

3.1 动水启闭力

水工闸门动水启门力和闭门力可通过下式确定：

(2)

F闭=G+Ws-f+Px-Pt

(3)

(4)

F闭=G-f+Wy

(5)

3.2 启闭试验

水工闸门初始关闭时，椎管段水体表现出剧烈旋滚和紊动，且水体充盈门井，待通气管内水平面降至与流道管顶齐平后开始进气，且闸门后水舌上端以25°角上扬，少量水体能接触到闸门后凸扩洞顶部。当闸门开度降至0.5以下，闸门后凸扩洞段顶部不再受到水舌掺气水流的影响和冲击。

图1 库水位285.2m时闸门闭门力试验过程线

图2 库水位285.2m时闸门闭门力和水平动水总荷载曲线

如果闸门几何边界条件与水工模型完全一致，则模型闸门上所作用的各种水力要素均符合相似要求，但闸门和门轨间摩擦系数试验值必须经过转换后才能符合工程实际。闸门动水关闭时闭门力过程线和扣除摩擦力后闭门力过程线、水平动水总荷载过程线具体见图1和图2所示。当库水位为285.2m时，闸门开度在0.1-0.85之间，闭门力缓慢增大，当闸门连接杆拉力值达到4155kN后随着闭门力的增大，拉力逐渐减小，并在闸门开度为0.15时接近零，此后闸门连接杆表现出受压特性。在闸门闭合过程中，闸门水平向动水总荷载随闸门开度的减小而呈增大趋势，最大值可达到37852kN[3]。

4 结 论

综上所述，该工程水工闸门中孔全开工况下附环闸门区域并无水流空化现象出现；当闸门附环与流道错台高度不超出0.02m时，门槽水流空化指标取值均满足规范要求，可确保水力安全；闸门启闭时，通气管内风速最大不超出40m/s，且门槽后椎管内水流表现为明流射流状态，并无气囊、旋滚等恶劣流态。启闭试验结果表明，最高库水位控制泄洪中孔闸门闭门力，闸门闭门过程中，拉应力和压应力主要由闸门连接杆承受，并据此进行闸门启闭力容量的选择和确定。