萬安二線船閘輸水閥門段空化特性及優(yōu)化措施

郭 超，嚴(yán)秀俊，胡寶瑤，伍賢熙，趙 凱，湯建宏

(1.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330008；3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100007)

萬安二線船閘按通航1 000噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)，閘室有效尺度180 m×23 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)。上游最高通航水位100.0 m，最低通航水位85.0 m；下游最高通航水位75.6 m，最低通航水位67.5 m；最大水頭為32.5 m[1]。

萬安二線船閘閘室規(guī)模較大，且無論水頭、水位變幅條件(上游變幅15.0 m，下游變幅8.1 m)和水力指標(biāo)(閘室水位最大上升速度達(dá)4.78 mmin)都達(dá)到了世界已建單級(jí)船閘的前列。此外，萬安二線船閘閥門面積大，是萬安一線船閘閥門的2倍，閥門水動(dòng)力荷載及空化振動(dòng)突出。

高水頭船閘輸水閥門開啟過程中，高速水流在閥門底緣及下游剪切層、頂止水縫隙等部位產(chǎn)生的空化，不僅會(huì)造成閥門結(jié)構(gòu)空蝕破壞、增加維修成本，而且增加每次停航檢修時(shí)間，因此閥門處產(chǎn)生的空化空蝕等閥門水力學(xué)問題是該類高水頭船閘水力設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵的技術(shù)難題[2]，需要通過閥門水力學(xué)物理模型試驗(yàn)，提出合理的閥門段布置形式及減免閥門空化空蝕的綜合措施，以確保船閘的安全高效運(yùn)行。本文主要為該船閘輸水閥門減壓模型試驗(yàn)成果。

1 萬安二線船閘輸水廊道閥門布置

經(jīng)南京水利科學(xué)研究院比尺為1:30的萬安二線船閘輸水系統(tǒng)水工整體模型試驗(yàn)和比尺為1:20的閥門廊道非恒定流常壓試驗(yàn)，推薦萬安二線船閘采用閘墻長(zhǎng)廊道、閘室中心垂直分流、閘底兩區(qū)段分散輸水系統(tǒng)。萬安二線船閘輸水閥門采用反弧門，閥門頂高程54.50 m，淹沒水深13.0 m，推薦采用“頂部漸擴(kuò)+底部突擴(kuò)(深度3.0 m)”閥門后廊道體型。閥門段廊道體型剖面布置見圖1。

圖1 閥門后廊道體型(充水閥門)(單位：m)

2 恒定流閥門水力學(xué)減壓模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究船閘輸水閥門段空化特性時(shí)，為保證原型和模型空化現(xiàn)象相似和空化數(shù)相等，模型試驗(yàn)中水面的大氣壓強(qiáng)須進(jìn)行相應(yīng)的縮減，即采用減壓模型進(jìn)行研究。對(duì)于水流慣性作用較小的船閘，研究閥門空化特性時(shí)可以采用恒定流減壓試驗(yàn)，即固定閥門開度，控制閥門段上下游壓差與整體模型基本一致，不模擬閥門連續(xù)開啟過程。

2.1 模型比尺與相似準(zhǔn)則

恒定流閥門減壓模型比尺為1:20。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，還應(yīng)滿足空化相似準(zhǔn)則，根據(jù)原型與模型空化數(shù)相等，可以得到減壓試驗(yàn)時(shí)模型水面應(yīng)控制的相似大氣壓強(qiáng)。

2.2 控制設(shè)備及量測(cè)儀器

減壓試驗(yàn)在恒定流減壓設(shè)備中進(jìn)行，萬安二線船閘充水閥門段減壓模型布置見圖2。減壓設(shè)備控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水位及真空度目標(biāo)值的自動(dòng)計(jì)算和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)功能。

圖2 萬安二線船閘閥門段減壓模型布置

在減壓試驗(yàn)中，通過布置在閥門段的水聽器監(jiān)測(cè)水流噪聲(圖3)。圖3中，1#～3#水聽器分別監(jiān)測(cè)充水閥門上檢修門槽、門楣出口、跌坎及底緣空化噪聲信號(hào)；4#水聽器主要監(jiān)測(cè)底緣空化噪聲信號(hào)；5#水聽器主要監(jiān)測(cè)底緣及跌坎強(qiáng)空化時(shí)傳遞到升坎起點(diǎn)附近的噪聲信號(hào)；6#水聽器主要監(jiān)測(cè)升坎自身空化及底緣強(qiáng)空化時(shí)傳遞到升坎末端附近的噪聲信號(hào)；7#水聽器主要監(jiān)測(cè)下檢修門槽空化、底緣及升坎發(fā)生強(qiáng)空化時(shí)傳遞到門槽附近的噪聲信號(hào)。

圖3 水聽器布置

3 閥門段廊道空化特性及減免措施

3.1 閥門段空化形態(tài)及臨界空化試驗(yàn)

在最大作用水頭32.5 m、開度n=0.3閥門段恒定流空化形態(tài)見圖4，空化照片見圖5。閥門典型開度恒定流條件下閥門廊道段空化現(xiàn)象描述見表1。在閥門n=0.1～0.4開度下，在底緣和跌坎附近均觀測(cè)到空化現(xiàn)象，升坎及下檢修門槽處未觀測(cè)到空化氣泡。

圖4 開度n=0.3閥門段空化形態(tài)

圖5 開度n=0.3時(shí)閥門段空化照片

表1 閥門段各部位空化現(xiàn)象(恒定流)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中相對(duì)空化數(shù)的定義可知，相對(duì)空化數(shù)表征空化的強(qiáng)弱。若相對(duì)空化數(shù)≤1，則表明空化發(fā)生，并且該值越小，空化越強(qiáng)；若相對(duì)空化數(shù)> 1，則表明無空化。

通過模型試驗(yàn)綜合分析判斷，測(cè)定各開度閥門臨界空化數(shù)，并計(jì)算相對(duì)空化數(shù)，結(jié)果見表2。在初步推薦的閥門段廊道體型，作用水頭高達(dá)32.5 m、閥門頂淹沒水深初始13.0 m條件下，推薦廊道體型閥門底緣、跌坎最小相對(duì)空化數(shù)分別為0.64、0.65，上檢修門槽、升坎、下檢修門槽最小相對(duì)空化數(shù)均大于1，未見明顯空化。

表2 閥門段各部位相對(duì)空化數(shù)

減壓試驗(yàn)觀察結(jié)果表明：在未采取空化減免措施的前提下，除了門楣空化外，推薦的閥門段廊道體型在底緣和跌坎還存在空化。

1)底緣空化：試驗(yàn)觀測(cè)到空化潰滅區(qū)一般被限制在突擴(kuò)廊道內(nèi)，空化特別強(qiáng)烈時(shí)，底緣空化潰滅區(qū)能達(dá)到高次曲線升坎附近，但未超過下檢修門槽。底緣空化發(fā)生的開度范圍為n=0.1～0.4，以n=0.2～0.3開度相對(duì)較強(qiáng)，噪聲強(qiáng)度也較大，n=0.5開度底緣無空化。

2)跌坎空化：跌坎空化相對(duì)較弱，發(fā)生在主流與跌坎回旋區(qū)的交界面上，潰滅區(qū)位于突擴(kuò)廊道底板，跌坎發(fā)生空化的開度范圍為n=0.1～0.4，隨著開度增大，潰滅區(qū)逐漸向下游擴(kuò)展，廊道底板潰滅約在跌坎下游2.7～4.8 m區(qū)域(以閥門后跌坎垂直面為零點(diǎn))，跌坎空化水體內(nèi)部潰滅范圍約跌坎下游17.8 m區(qū)域，未達(dá)到升坎處。n=0.5開度跌坎無空化。

此外，高次曲線升坎未見原生空化，在n=0.1～0.4開度范圍，會(huì)有部分底緣空化游移至此。下檢修門井門槽出口未見明顯空化。

3.2 解決閥門段廊道空化問題的工程措施及效果

根據(jù)減壓試驗(yàn)進(jìn)行廊道合理埋深探討。結(jié)果表明，為了避免閥門段不發(fā)生明顯空化，廊道須在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再下挖13.8 m，顯然不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。根據(jù)前期抑制閥門空化系列成果，底緣存在的空化可以采用門楣自然通氣解決。跌坎存在的空化，由于潰滅的范圍被限制在廊道底板的較小范圍，可以采用較強(qiáng)廊道防護(hù)設(shè)計(jì)和跌坎強(qiáng)迫通氣的后備措施。

3.2.1門楣自然通氣抑制底緣空化

門楣自然通氣措施是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)并經(jīng)過多項(xiàng)工程檢驗(yàn)的解決閥門空化問題的有效措施。該技術(shù)通過在門楣縫隙有負(fù)壓的地方設(shè)置通氣管實(shí)現(xiàn)自然通氣。該措施能夠適應(yīng)萬安二線船閘下游8.1 m的水位變幅，而且能夠通氣的閥門開度范圍較廣。

根據(jù)紅水河大化和樂灘這2座高水頭船閘的原型觀測(cè)及調(diào)試成果[4-5]可知，門楣通氣能有效抑制不同程度的底緣空化，特別是在低淹沒水深、最簡(jiǎn)單的平頂廊道體型下，不通氣時(shí)，底緣相對(duì)空化數(shù)僅為0.10，底緣空化情況較為強(qiáng)烈，通過在門楣處自然通氣，閥門段空化得到充分抑制，閥門運(yùn)行平穩(wěn)，無聲振現(xiàn)象。萬安二線船閘采用了向上和向下突擴(kuò)的廊道體型，充水閥門空化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大化和樂灘船閘，合適的門楣自然通氣量可以充分抑制底緣空化。萬安二線船閘最大水頭充水工況各開度門楣總通氣量Qa見圖6。

圖6 各開度門楣通氣量

最大水頭下，閥門開啟時(shí)間tv=8 min時(shí)在n=0.1～0.7開度范圍內(nèi)，選定的門楣體型都能自然通氣。在n=0.1～0.6開度范圍，門楣單寬通氣量較大，平均達(dá)0.40 m3s，最大通氣量約為0.47 m3s。

在減壓箱檢驗(yàn)了萬安二線船閘充水閥門門楣自然通氣抑制底緣空化的效果，充水閥門n=0.3開度恒定流試驗(yàn)測(cè)得的門楣不通氣條件與0.1 m3s通氣量條件下空化噪聲強(qiáng)度對(duì)比見圖7。顯見，不通氣時(shí)，噪聲強(qiáng)度脈沖大而密集；通氣后，噪聲強(qiáng)度顯著降低。門楣通氣后3#水聽器測(cè)到的較強(qiáng)的脈沖信號(hào)、4#水聽器監(jiān)測(cè)到的不強(qiáng)的脈沖信號(hào)為跌坎空化所致，實(shí)測(cè)的噪聲強(qiáng)度過程線有少量脈沖，當(dāng)門楣通氣量?jī)H僅為0.1 m3s時(shí)，底緣空化引起的噪聲強(qiáng)度脈沖基本消失，隨著門楣通氣量的增大，門楣抑制底緣空化效果也越明顯。減壓試驗(yàn)表明，門楣自然通氣后，較強(qiáng)的底緣空化被充分抑制，門楣通氣抑制底緣空化效果顯著。

圖7 門楣不通氣條件與0.1 m3s通氣量條件下空化噪聲強(qiáng)度對(duì)比

3.2.2跌坎強(qiáng)迫通氣抑制跌坎空化

由于跌坎空化發(fā)生的開度和范圍不大，可以在空化發(fā)生的部位用鋼板保護(hù)或者高強(qiáng)混凝土防護(hù)，以減少空蝕破壞，同時(shí)采用跌坎通氣的方法解決。模型試驗(yàn)通過在跌坎第1臺(tái)階垂直面設(shè)置通氣管進(jìn)行跌坎強(qiáng)迫通氣。試驗(yàn)觀測(cè)到，跌坎強(qiáng)迫通氣后的摻氣水流覆蓋了跌坎空化潰滅區(qū)，跌坎空化可以被跌坎強(qiáng)迫通氣充分抑制(極少跌坎通氣量也可以取得較滿意的效果)。n=0.3開度恒定流條件下，跌坎0.1 m3s通氣量條件下空化噪聲強(qiáng)度見圖8。對(duì)比圖8和圖7可知，當(dāng)通氣量為0.1 m3s時(shí)，跌坎空化脈沖信號(hào)更為弱化。試驗(yàn)表明，跌坎通氣后，不僅跌坎空化得到完全抑制，在升坎出口處有一部分氣體被主回漩區(qū)“夾帶”，形成有利于抑制底緣空化的摻氣水流，底緣空化也可得到較好的抑制。

圖8 跌坎通氣0.1 m3s時(shí)水聽器空化噪聲強(qiáng)度

3.2.3門楣自然通氣、跌坎強(qiáng)迫通氣抑制閥門段空化

圖9為n=0.3開度門楣自然通氣0.1 m3s、跌坎通氣0.15 m3s空化噪聲強(qiáng)度。顯見，除個(gè)別偶發(fā)空化噪聲尖脈沖外，閥門底緣及跌坎空化都被充分抑制，門楣自然通氣、跌坎強(qiáng)迫通氣抑制閥門段空化效果極為顯著。

圖9 門楣通氣0.1 m3s、跌坎通氣0.15 m3s 時(shí)水聽器空化噪聲強(qiáng)度

4 結(jié)語(yǔ)

1)未采取通氣措施時(shí)，在作用水頭高達(dá)32.5 m、閥門頂初始淹沒水深13.0 m的條件下，萬安二線船閘閥門底緣及跌坎空化發(fā)生的開度范圍為n=0.1～0.4，推薦廊道體型閥門底緣、跌坎最小相對(duì)空化數(shù)分別約為0.64、0.65，存在較強(qiáng)空化。升坎、下檢修門槽未見明顯空化。

2)采用門楣自然通氣措施后，在n=0.1～0.6開度范圍內(nèi)，推薦的門楣體型都能自然通氣，n=0.1～0.5開度范圍門楣通氣量較大，最大通氣量約為0.47 m3s。通過門楣自然通氣措施后，底緣處空化得到充分抑制。

3)采用跌坎強(qiáng)迫通氣措施后，控制通氣量為0.1 m3s時(shí)，摻氣水流即可完全抑制跌坎自身存在的空化，對(duì)閥門底緣抑制效果較為顯著，其對(duì)下檢修門井門槽和廊道也有較好的保護(hù)作用。

4)門楣自然門楣通氣0.1 m3s、跌坎通氣0.15 m3s時(shí)，除個(gè)別偶發(fā)空化噪聲尖脈沖外，閥門底緣及跌坎空化都被充分抑制，門楣自然通氣、跌坎強(qiáng)迫通氣抑制閥門段空化效果極為顯著。