水電站調壓井快速閘門穩定性及安全防范措施研究

趙建平，張維杰，嚴根華，胡去劣

水電站調壓井快速閘門穩定性及安全防范措施研究

趙建平1，2，張維杰1，2，嚴根華1，2，胡去劣1，2

（1.南京水利科學研究院，江蘇南京 210029；
2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029）

水電站長管道引水發電系統調壓室快速閘門是確保機組出現甩負荷等故障時快速斷流的重要設備，確保其安全運行具有舉足輕重的作用和地位。研究了調壓井阻抗孔體型尺寸布置和快速閘門穩定性之間的相互關系，揭示了調壓井阻抗孔體型布置對快速閘門安全穩定的主要影響因素及其變化規律，指出了快速閘門動力失穩的原因，提出了確保快速閘門動力穩定的控制方法和安全保障措施。

調壓井；阻抗孔；快速閘門；流激振動；水電站

0　概述

調壓井是水電站長管道引水發電系統為保障發電系統安全而經常設置的調壓與水錘控制結構，而快速閘門則是確保機組緊急甩負荷保障機組斷流的重要快速響應設施。如何確保調壓井阻抗孔布置和快速閘門安全穩定則是重要的研究課題［1］。本文從調壓井水力學和快速閘門結構動力穩定二方面出發，對調壓井快速閘門的穩定性及其安全措施進行試驗研究，尋找存在問題，提出改善措施，確保工程安全。

某水電站引水發電系統由電站進水口、2條引水隧洞、1個長廊阻抗式上游調壓室、4條壓力管道、4臺機組和4條尾水連接管、1個長廊式尾水閘門室、2條無壓尾水洞和尾水出口組成，采用“兩機一室一洞”及“單機單管供水”布置。調壓室下部獨立，上部連通，單個調壓室凈長120 m，凈寬20 m，最大室高75.1 m，在調壓室底部設阻抗孔。2條圓形引水隧洞長約2 680 m，內徑14.5 m。因引水隧洞較長，進水口和機組之間設有調壓室，機組發生故障時，調壓室內的快速閘門應在4分鐘內截斷水流，保護機組。引水發電系統壓力管道長約140 m，內徑9.6 m。調壓室內設快速閘門，孔口尺寸為8.6 m×9.6 m-47.64 m（寬×高-設計水頭），閘門平時懸吊在孔口上方約1 m處，由液壓啟閉機通過拉桿操作，當機組發生事故時要求在4 min內快速關閉孔口。阻抗孔由快速閘門門槽后的門井兼用矩形阻抗孔和調壓室中部的圓形孔二部分構成，其中圓形阻抗孔直徑4.4 m，門槽后矩形阻抗孔寬度 2.5 m，阻抗孔總面積約為引水隧洞面積的35.2%。

對于長距離輸水系統而言，當機組甩負荷時調壓室內強烈的涌浪會對待命狀態的閘門產生影響，閘門可能發生不穩定浮動現象，并抬升閘門上部液壓啟閉機油缸機座，產生機械系統事故。此外機組飛逸轉速時，閘門快速下降過程也會出現不穩定現象。為確保快速閘門安全穩定運行，需通過閘門水力學及流激振動模型試驗研究，揭示存在問題，提出改善措施，使調壓室及閘門布置更趨合理，確保工程安全，為引水系統的安全設計提供科學依據。

1　調壓井水力特性研究

快速閘門的穩定性受控于調壓室水錘波荷載傳播和涌浪特性等水力特性參數，因此研究閘門結構流激振動問題，首先需要獲得調壓室運行過程中水動力作用荷載。鑒于水電站機組甩負荷過程系非恒定流過程，因此需對其過程水流特性進行正確模擬、測試與分析。

1.1水力過渡試驗模型律

引水系統設有調壓室的水電站，在機組實行緊急甩負荷或增負荷時，應當考慮引水道內的水流慣性和調壓室的水量補償作用，因此必須對引水系統和水輪機水流控制系統進行相似性設計和模擬［2，3］。

1.1.1調壓室涌波試驗模型律

水力過渡模型律應當從調壓室涌波及壓力鋼管水錘二組基本微分方程推得。圓柱形阻抗式調壓室涌波基本方程為

根據式（1）、（2），可得調壓室涌浪的相似律令λg=1，則

式（3）中有4個模型律、8個未知量，引入條件λL=λVλt，且令調壓室模型按正態設計，λD=λZ，則調壓室模型律變為

以上式（4）在水流重力、水流運動和動力3方面滿足相似要求。

1.1.2水錘試驗的模型律

水輪機流量的突然增加或減小，會導致兩種水力振蕩，一種是以較慢速度在調壓室內傳播的水面波動振蕩；另一種是以極高波速在壓力管道中傳播的水錘波振蕩。水電站突然棄荷、增荷的水錘波基本方程為

式中，a為波速；n為引水道糙率；R為管道水力半徑；H為水頭。

令λg=1，經推導和簡化，并利用尺度和諧性，從方程組（5）得到水錘試驗模型律

1.2模型的設計與制作

根據試驗場地，模型比尺按如下比尺確定：引水隧洞直徑比尺1∶30，長度比尺1∶52；調壓室水頭比尺1∶36。壓力鋼管按比尺1∶30正態設計。模型采用有機玻璃制作，模型和原型的邊壁糙率和水流的慣性長度均保持相似。經檢驗，引水隧洞的λa= 5.71～6.00和λv=6.00，二者接近，基本滿足相等條件。

1.3調壓室水力特性

壓力管道的最大引水流量均為338.1 m3/s；導葉總關閉時間為12.5 s，導葉開啟規律：導葉從空載開度至全開時間為25 s。為取得水力過渡過程的水錘波、涌波等水動力參數，在調壓室及輸水管道設置若干動水壓力測點（見圖1），其中測點P1～P3布置在引水隧洞末端側壁，P4～P8布置在壓力管道側壁，P10～P13布置在調壓室底部，P14布置在調壓室側壁，P15布置在阻抗板下方位置。試驗結果顯示：在機組甩負荷時的水力過渡過程中，調壓室引水系統主要作用力有水流慣性力、水錘作用力、重力、邊界阻力或粘滯力，其中水流慣性力為涌浪發生、傳播主要動力。涌浪逆行傳播也是水流慣性力的作用所致。水錘壓力在調壓室反射尚充分，尚未發現水錘壓力穿室現象。由試驗水力過渡過程壓力變化過程線可見，機組甩負荷時壓力鋼管末端出現大于調壓室涌浪的水錘壓力波（見圖2）；隨后水錘壓力波伴隨調壓室涌浪進入調壓室后，進行能量釋放和消能。

圖1　測點布置示意（單位：m）

圖2　壓力鋼管末端動水壓力過程

由于調壓室的消能和消剎作用，水錘波穿越調壓室后能量聚減，位于引水隧洞首部測點動水壓力在機組甩負荷時未見明顯的水錘壓力波（圖3）。說明調壓室起到了保護引水隧洞安全的作用。

圖3　引水隧洞端部動水壓力過程

試驗結果顯示：不同機組甩負荷工況條件下調壓室最高涌浪水位約為1 490.8～1 492.2 m，低于1 494.6 m控制高程平臺2.4～3.8 m；調壓室最高涌浪水位高程比最大水錘壓力水頭高程約低2 m；水錘壓力在調壓室反射尚充分，未見水錘壓力穿越現象；水力過渡過程涌波隨時間衰減，過渡過程時間約20多分鐘；涌浪沿引水隧洞上游方向傳播，其波動壓力作用沿程減弱。但該布置方案快速閘門出現低頻振蕩和失穩上抬現象，最大上抬高度達180 mm，這對快速閘門上部結構的安全產生嚴重威脅。

2　快速閘門的穩定性及流激振動特性研究

鑒于調壓室在水力過渡狀態下水動力作用荷載突出，快速事故閘門的振動特征將發生明顯變化，因此在調壓室水力過渡試驗過程中進行了閘門停放穩定性和流激振動特性的試驗研究［4］。

2.1模型設計技術與方法

閘門動力失穩試驗重點關注在不同上下游水位、閘門開度等水力學參數下，閘門運行過程中可能出現的不利振動和待命停放穩定問題，對存在問題提出處理方法和措施。

從本質上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇，在動水作用下的運行符合如下動力方程：

式中，｛D｝、｛D.｝、｛.D.｝分別為結點的位移向量、速度向量和加速度向量；［M］、［C］、［K］分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛F｝為作用在流—固接觸界面上的動水壓力向量，一般包括 ｛F1｝和｛F2｝，｛F1｝表示閘門所受的水流動荷載向量，｛F2｝是由閘門振動引起的擾動流場作用在流固界面上的附加荷載。

圖4　振動測點布置示意（單位：mm）

根據上述結構運動方程及振動試驗一般在水介質中進行，因此閘門的水彈性模型應同時滿足水流動力、幾何尺寸、質量密度、彈性模量、阻尼等參數的相似性［5-7］。根據相似原理，經推導可得如下各參數的比尺要求：幾何比尺Lr；質量密度比尺ρr= 1；彈性模量比尺Er=Lr；泊松比比尺μr=1；阻尼比尺Cr=L2.5r。

根據上述閘門結構相似性要求，該模型具有高密度和低彈模特性，需要進行專門研制。試驗模型采用由重金屬粉、高分子材料等特別研制的特種水彈性材料，并對該材料進行測試。結果表明：所選水彈性材料特性基本達到材料密度ρm=ρp，結構彈模比尺Er=Lr的要求，實現了結構彈性模量和質量密度的相似條件。

閘門門體采用完全水彈性模型進行制作，并進行動水作用下閘門流激振動特性研究。全水彈性模型既滿足水動力學相似，同時滿足結構動力學相似及其流固耦合振動相似，能夠較好地預報閘門結構的流激振動特性。

與水力過渡過程水力學試驗相結合，同步進行了閘門流激振動試驗。共布置4個振動測點，見圖4，其中1號測點位于下部橫梁，2、3、4號測點位于閘門頂部，每個測點分別測取x（側向）、y（垂向）和z（順水流方向）三個方向的振動量，主要用于觀察水力過渡過程中的閘門振動情況。

2.2快速閘門流激振動特性及穩定性問題

2.2.1水力過渡狀態下閘門結構振動和穩定性

將閘門門體、啟閉機和拉桿等結構按原型進行相似性模擬后，進行不同機組甩負荷狀態下的閘門流激振動試驗。機組甩負荷時的閘門待命高度位于孔口上方1 m處。試驗結果顯示，原布置調壓井阻抗孔尺寸條件下，機組甩負荷時的閘門振動量約為正常發電工況時的15～30倍，同時閘門出現向上抬升的低頻振蕩和失穩現象，最大抬升高度達180 mm。當兩臺機組滿載運行瞬時丟棄全部負荷時，閘門結構下部最大振動加速度值為5.7～8.11 m/s2，頂部振動量為2.22～6.42 m/s2，振動量由下至上呈現遞減趨勢，且垂向振動大于水平向和側向，符合力傳遞規律。典型機組甩負荷工況下閘門振動加速度時域過程繪于圖5。由圖可見，機組甩負荷初期閘門振動量顯著增加，隨后逐漸減小，符合水力過渡過程水動力振蕩衰減特征。從閘門振動量和失穩角度考查，原布置調壓井阻抗孔尺寸不滿足快速閘門的穩定性要求，上部液壓啟閉機結構存在破壞風險。

2.2.2阻抗孔體型優化和閘門抗振研究

原設計阻抗孔布置方案水力過渡過程特性和快速閘門失穩現象顯示，由于快速閘門后門井矩形阻抗孔尺寸偏小，機組甩負荷時的水錘波在遭遇該阻抗孔進行壓力釋放時產生巨大的上舉力，導致大部分能量將閘門抬起，引起快速閘門振蕩和失穩上抬，嚴重威脅上部啟閉機座的安全。為了有效解決閘門失穩問題，進行了不同矩形阻抗孔尺寸的優化試驗研究。優化比較試驗結果指出，圓形阻抗孔對引水隧洞處水錘壓力的減小和控制作用比門槽后阻抗孔面積的影響要大些，約在1.34倍左右。但門井阻抗孔面積的增加對快速閘門的穩定性卻起到至關重要的作用。不同阻抗孔布置下的閘門低頻振蕩和水錘作用下門體失穩上抬距離列于表1。由表1可見：當門槽阻抗孔寬度為2.5 m（原方案）時，機組甩負荷時由于水錘壓力波的沖擊作用，快速閘門出現上抬和低頻振蕩現象，最大上浮量達180 mm，此時閘門結構處于失穩狀態。當門槽阻抗孔寬度調整為3.175 m后，阻抗孔總面積占引水隧洞面積40.7%以上時，閘門失穩現象消失，已處于穩定狀態。試驗成果指出，快速閘門門井阻抗孔尺寸對閘門的停放穩定性具有重要影響，太小的阻抗孔尺寸將導致快速閘門的嚴重失穩，并引起上部結構尤其是啟閉機座的損壞。

圖5　典型機組甩負荷工況閘門振動加速度時域過程

表1　機組甩負荷時快速閘門低頻振蕩和抬升情況比較

3　調壓井快速閘門穩定性措施

模型試驗成果指出，長管道輸水系統調壓井阻抗孔位置尺寸和閘門結構穩定性具有高度相關的特性關系，尤其是快速閘門門槽阻抗孔尺寸對閘門的安全穩定起到決定性影響作用。

對于調壓井控制水錘壓力波傳 遞和保證快速閘門停放穩定及閉門安全性而言，需要同時兼顧兩者之間的關系。其保證措施需要滿足：

（1）調壓井阻抗孔的尺寸需要滿足控制水錘壓力波穿越傳遞問題；

（2）快速閘門需要克服水錘壓力波沖擊作用，保證動力穩定所需的門槽阻抗孔合理尺寸選取問題。

通過模型系列試驗論證，為確保機組甩負荷時水錘壓力波在經過調壓井時盡快消減和攔截，阻抗孔面積可取引水隧洞總面積的40.7%，圓形阻抗孔與門槽阻抗孔的面積比為1∶2.18。此時水錘壓力波穿越調壓井的量值已經控制在較小范圍，取得明顯效果。此外，快速閘門的穩定性也顯著提高，強烈振動和上抬現象消失，可確保快速閘門在待命高度1 m以上安全平穩的目標。

4　結語

研究成果顯示，水電站長管道引水系統調壓井快速閘門停放穩定性及閉門可靠性主要受控于門井阻抗孔尺寸以及調壓井總的阻抗孔面積，此外尚有閘門結構體型設計問題。而快速閘門安全停放可靠性和不穩定振蕩問題，與阻抗孔布置位置和尺寸密切相關。本項研究實例要求調壓井總阻抗孔面積約為引水隧洞的40%，相應的圓形阻抗孔與門槽阻抗孔的面積比需滿足1∶2要求。這樣快速閘門結構是穩定安全的，并避免上部啟閉機的不穩定抬動，導致啟閉機損壞事故的產生。

研究成果指出，電站調壓井快速閘門安全穩定性不僅與調壓井阻抗孔布置尺寸密切相關，其閉門可靠性還與閘門結構的體型布置、抗振特性及水動力作用條件等密切相關。因此閘門閉門可靠性和流激振動抗振性能尚需另行論證。

［1］嚴根華.水動力荷載與閘門振動［J］.水利水運工程學報，2001 （6）：10-15.

［2］嚴根華.水電站攔污柵振動特性和抗振設計研究［J］.水力發電，2006，32（10）：77-79.

［3］SL 655—2014水利水電工程調壓室設計規范［S］.

［4］SL 155—2012水工（常規）模型試驗規程［S］.

［5］倪新賢，江春波，石二朋，等.閘門對水力過渡特性影響研究［J］.水力發電，2010，36（10）：59-61.

［6］劉永勝，嚴根華，趙建平.電站進水口快速閘門振動特性研究［J］.固體力學學報，2011（10）：382-387.

［7］凌春海，李靜，陳共建，等.論水電站調壓井設置快速事故閘門的必要性［J］.廣東水利水電，2008（2）：19-22.

［8］張祖林，鄧抒豪.紅花水電站泄水閘閘門的流激振動與運行調度［J］.人民珠江，2008（1）：49-51.

（責任編輯高瑜）

Research on Stability and Safety Precautions of Surge Tank Stop Gate for Hydropower Station

ZHAO Jianping1，2，ZHANG Weijie1，2，YAN Genhua1，2，HU Qulie1，2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，Jiangsu，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210029，Jiangsu，China）

The surge-chamber stop gate of diversion and power system of hydropower station is an important device to ensure quick stop when a failure happens on power units and plays a decisive role to ensure the safe operation of units.The relationship between impedance hole size of surge tank and the stability of stop gate is studied herein，which reveals the main influence factors and change rules of impedance hole size on the security and stability of stop gate and points out the reason of dynamic instability of stop gate.The control methods and safety precautions to ensure dynamic stability of stop gate are put forward.

surge tank；resistance hole；stop gate；flow-inducing vibration；hydropower station

TV663

A

0559-9342（2016）02-0070-05

2015-08-29

趙建平（1980—），男，江蘇丹徒人，高級工程師，主要從事水工結構流激振動研究.