弧形閘門物理模型試驗分析研究

冷 濤(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

弧形閘門具有啟閉力小、過流流態(tài)好、運轉(zhuǎn)可靠、閘墩厚度小等優(yōu)點，因此在水利工程中的應(yīng)用越來越多[1,2]。例如南京劃子口的大跨度弧形閘門[3]、嘉陵江新政航電泄洪弧形閘門[4]等。但是，弧形閘門在水工程中的服役受到多因素的干擾，當弧形閘門在高淹沒度條件下啟閉時，水流脈動壓力會對門體的安全運行造成極不利的影響[5]。例如1966年浙江省某排澇擋潮閘和1971年江蘇省某節(jié)制閘弧形閘門的失事。前者失事是因為潮浪沖擊使閘門發(fā)生支臂失穩(wěn)破壞，后者是因為風(fēng)浪沖擊門葉上部使閘門主梁上弦桿斷裂[6,7]。

某水利樞紐布置有18孔16 m×17.5 m(寬×高)弧形工作閘門，由于閘底板高程設(shè)置較低，該閘門需在高淹沒度條件下局部開啟，運行過程中將不可避免地要受到下游水流漩滾的沖擊，水流脈動壓力將對門體的安全運行造成不利的影響，而且該閘門接近超大型弧形閘門。為保證閘門的安全運行，本文將結(jié)合該工程實例，通過對閘門結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析、物理模型試驗研究，完善閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計方案，揭示其存在的問題，提出合理化建議，為設(shè)計、運行管理提供科學(xué)依據(jù)，確保閘門的運行安全。

1 物理模型試驗設(shè)計

1.1 閘門物理模型基本資料

模型的設(shè)計與制作均按相關(guān)規(guī)范[8,9]中的有關(guān)規(guī)定進行。本試驗選擇水力學(xué)模型幾何相似比尺為λl=25，按重力相似準則進行設(shè)計，幾何正態(tài)。相應(yīng)的其他物理量比尺見表1。

表1 試驗各物理量比尺及對應(yīng)關(guān)系

由于本工程主要研究弧形工作閘門在啟閉及局部開啟情況下的靜、動力特性，因此閘門水力學(xué)模型模擬其中一個完整的泄洪閘孔，沿水流方向主要模擬范圍為泄洪閘進口段、閘室段以及下游連接段，模型上游通過連接段與進水池直接連接，下游增加一定的過渡段后與下游出水池相接，以保證閘室段前后的水流流動相似，模型布置見圖1。

圖1 閘門水力學(xué)模型

1.2 閘門物理模型制作

由于本工程主要研究弧形工作閘門在啟閉及局部開啟情況下的靜、動力特性，因此閘門水力學(xué)模型模擬其中一個完整的泄洪閘孔(含泄洪閘進口段、閘室段以及下游連接段，模型上游通過連接段與進水池)。為了流態(tài)觀察方便，閘室段至消力池段(消力池尾坎樁號為壩橫0+107.0 m)全部采用有機玻璃進行制作，上下游連接段采用水泥沙漿進行制作。閘門采用白鐵皮制作，模擬其結(jié)構(gòu)形式、鋼板厚度，布置見圖2。為了閘門啟門力測試的準確性，閘門制作過程中準確模擬閘門各部分的幾何尺寸、閘門重量以及閘門的質(zhì)量分布，制作完畢的模型閘門實測自重(換算到原型)約252 t。

圖2 閘室及上下游連接段模型

1.3 模型控制裝置及量測儀器

原型閘門的啟閉控制采用兩側(cè)各設(shè)置一臺油壓啟閉機進行同步控制，即雙吊點啟閉控制方式。閘門物理模型試驗主要模擬閘門的啟閉過程，并且對啟閉機的啟閉力進行測量。

模型上下游水位觀測同時由振動針式水位儀和水位測針進行觀測，前者可與計算機聯(lián)接，后者由人工測量；閘門啟閉過程中的啟閉力和支鉸推力均采用有標準電壓輸出(±5 V)的SF200系列拉壓力傳感器，通過CRAS V4.0X 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集與分析；閘門啟閉過程中閘門面板的位置隨閘門轉(zhuǎn)動過程不斷發(fā)生變化，時均動水壓強難以采用傳統(tǒng)的測壓管法進行測量，本試驗中采用CYG1144型壓力傳感器作為一次儀表，由CRAS V4.0X數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集與分析；閘門啟閉過程中出閘水流流態(tài)通過拍照及攝像的方法進行水流流動的輔助測量。

2 閘門物理模型試驗

2.1 試驗工況

本模型試驗中采用固定一個下游水位，將上游水位進行分級試驗的方法進行。共對10種工況進行試驗研究，孔口高度按校核水位49.00 m與閘底板高程30.00 m的差計算，具體試驗工況見表2。

2.2 過閘水流流態(tài)

工況9、工況10因閘下水位較低，閘門各開啟高度下，過閘水流均為自由出流流態(tài)，閘后水躍躍首位于消力池池首及下游附近，屬于臨界或遠驅(qū)水躍，閘下的水躍旋滾對閘門沒有沖擊等不利影響。

工況1～工況8由于下游水位較高，幾乎閘門所有開啟條件下，過閘水流均處于閘孔淹沒出流狀態(tài)。上下游水位差較小時，閘門上下游水流平穩(wěn)，水面波動較小，過閘水流在閘門后形成的漩滾不明顯。上下游水位差較大，當閘門開啟高度較小時(小于孔口高度的20%)，上下游水流仍然較平穩(wěn)，水面波動不大，閘門后漩滾較弱；當開啟高度較大時(約孔口高度的50%)，上下游水流波動劇烈，閘門后形成明顯的強烈漩滾，而且水流漩滾對閘門有明顯的拍擊作用。試驗過程見圖3。

2.3 閘門面板時均動水壓強

本工程閘門需在高淹沒度條件下局部開啟，運行過程中除了閘門上游面板受水流壓強的作用外，下游面板也受門后漩滾的沖擊作用。為了全面觀測閘門上下游面板的時均動水壓強分布，模型中分別在上下游側(cè)閘門面板中線各布置了6個和5個壓力傳感器，其中1～6號測點布置于閘門上游側(cè)面板，7～11號測點布置于閘門下游側(cè)面板。閘門不同開度各壓強測點對應(yīng)的高程見表3。由于閘門在不同開度位置時各壓強測點的高程將隨閘門開度的不同而變化，閘門不同開度各壓強測點對應(yīng)的高程也將隨之變化。部分工況試驗結(jié)果見表4，典型工況特征開度閘門面板時均動水壓強分布見圖4。

圖3 淹沒出流過閘水流流態(tài)(上游水位49.00 m，下游水位44.13 m，閘門開度0.6)

表3 閘門不同開度壓強測點高程 m

表4 典型工況特征開度閘門面板時均動水壓強 kPa

注：“-”表示該測點在本工況下處于水位線以上，測點無測值。

圖4 典型工況特征開度閘門面板時均動水壓強分布

通過分析工況2～工況10共9種工況的試驗結(jié)果可以得出，閘門上下游面板的時均動水壓強總體上呈底部大、上部小的規(guī)律分布。

2.4 閘門啟閉力

弧形閘門在啟閉過程中，閘門重心、作用在閘門上的水壓力荷載以及啟閉機的力臂均隨閘門開度的變化發(fā)生變化，為了了解整個閘門啟閉過程中啟閉力的變化規(guī)律，驗證啟閉機容量設(shè)計的合理性，試驗中對8種(工況1～工況8)水位組合工況閘門在開啟和關(guān)閉過程中的啟閉力進行了測試。

試驗分析表明，閘門啟閉過程中，相同開度條件下啟門力大于閉門力。閘門開啟過程中總體上啟門力隨著開度的增加而增加，在開度0.6附近啟門力達到最大值，之后啟門力稍有減小后再有所增加。最大啟門力出現(xiàn)在工況4的0.6開度，啟門力為3 145 kN，沒有超過啟閉機的容量。根據(jù)項目要求，試驗中對工況9、工況10閘門從關(guān)閉狀態(tài)開啟瞬時的啟門力進行了測試，試驗測得閘門擋水開啟瞬時最大啟門力出現(xiàn)在工況9，最大啟門力為3 169 kN。

2.5 閘門支鉸推力

(1)閘門擋水支鉸推力。試驗中對閘門另設(shè)5種擋水工況，進行支鉸的推力測量，測量結(jié)果見表5。

表5 閘門擋水時支鉸推力

表5中的結(jié)果表明，在閘下水位不超過閘底板高程(30.00 m)時，隨著閘門擋水水位的升高，支鉸推力也隨之增加；相同上游水位，閘下水位超過閘底板高程(30.00 m)時，支鉸推力隨下游水位的升高而減小。

(2)閘門啟閉過程支鉸推力。試驗中對工況A、工況C和工況E 3種水位組合下閘門啟閉過程的支鉸推力進行了測量，測量結(jié)果見表6。

表6 閘門啟閉過程支鉸推力變化 kN

由表6中的結(jié)果可以看出，與擋水工況相比，閘門啟閉過程中支鉸推力總體上不大。閘門開啟和關(guān)閉過程中，支鉸推力基本一致，同一開度條件下，上下游水位差對支鉸推力的影響較顯著。

(3)閘門開啟瞬時支鉸推力。由于閘門擋水時閘門開啟的瞬間，啟閉機桿的拉力也會傳遞至支鉸，增加支鉸的推力，因此試驗中為觀測啟閉瞬時支鉸推力，添加了3種擋水工況，閘門啟閉瞬時的支鉸推力測量結(jié)果見表7。

表7 閘門開啟瞬時支鉸推力

從表7中的結(jié)果可以看出，閘門擋水啟閉瞬時支鉸推力比相應(yīng)擋水工況有較大的增加，實測最大支鉸推力為12 475 kN。

3 結(jié) 語

本文考慮到弧形閘門在高淹沒度條件下啟閉時下游水流漩滾所引起水流脈動壓力對門體安全的不利影響，結(jié)合某水利樞紐工程實例進行弧形閘門的物理模型試驗，以不同的閘門啟閉狀態(tài)、閘門開度、上下游水位組合出10種工況，并對閘門在不同工況下的流態(tài)、動水壓強、閘門啟閉力和支鉸推力進行了觀測或分析。

給出了上下游水位與閘門開度對流態(tài)的影響及面板時均動水壓強總體上呈底部大、上部小的分布規(guī)律；測出啟閉過程中最大啟門力為3 145 kN，瞬時最大啟門力3 169 kN，沒有超過啟閉機的容量；試驗數(shù)據(jù)分析可知在擋水位較低或者水位差較小時啟閉閘門可減小閘門支鉸推力。該試驗結(jié)論對其他類似工程的分析研究具有一定的參考價值。

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[1] 牛志國，李同春，趙蘭浩，等.弧形閘門參數(shù)振動的有限元分析 [J].水力發(fā)電學(xué)報，2008,27(6)：101-104.

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[8] SL155-95，水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程[S].

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