平面事故閘門動水閉門故障分析及體型優化實驗研究

楊 波

(華中農業大學，湖北 宜昌 518107)

1 概述

一般來說，水利工程采用的都是平面閘門，這種類型的閘門構造簡單，使用方便，適配性比較強，但是它也有著自身的不足，容易出現事故。通常閘門出現問題的原因是震動和侵蝕，或者是打開或者關閉閘門時壓力不對，另外操作不當也會導致閘門出現問題。人們對此也進行過很多研究，并提出了一些行之有效的解決措施。近些年，關閉閘門時壓力不足的問題經常出現，導致閘門無法完全閉合，相關學者研究發現，這一問題產生的根源在于摩擦系數，但由于各種現實條件的限制，無法進行現場檢驗。本文以某工程的事故閘門為研究對象，進行了實地探查。再借助模型進行模擬計算得出問題產生的原因，接著制定出對應的解決措施，通過試驗驗證該方案的合理性。

2 事故閘門試驗模型構建

2.1 事故閘門

某水電站的閘門寬5.88m，高13.8m，厚度為1.45m。如果水電站出現問題，閘門會迅速關閉，隔斷兩側的水流，保證水電站的安全。但僅憑閘門本身的重量是無法關閉的，需借助額外的附加重量以及水柱的壓力才能關閉閘門。閘門的安全運作是保證整個水電站安全運行的前提，關系到整個水電站及其周邊地區的安全。該水電站在2011年建設完成并投入使用，運行至今，其閘門在關閉時已經發生了數次無法徹底閉合的情況，引起人們的重視。在2012的閘門事故當中，有3扇閘門在閉合到40%時就不能再繼續進行閉合，這一情況發生時，水電站兩側的水位差將近37m。面對這一問題，水電站啟動了相應的應急方案成功關閉了其中兩扇閘門，但仍然有1扇閘門距離完全閉合還有2.5m的距離。結合當時的實際情況，水電站的工作人員進行了計算，針對僅剩的1扇事故閘門進行加重處理，然后再次啟動閘門閉合，但該扇事故閘門在移動了1.5m后再次無法閉合，最后工作人員對其開度進行調整之后，該閘門才完全閉合。

2.2 試驗模型

為了避免該水電站閘門無法完全閉合的情況再次出現，造成不可預計的損失，必須找出該問題頻繁發生的根源，并制定出相應的對策徹底解決這一問題。結合該水電站的實際情況，建造相應的水力學模型，該模型的比例為1∶20，由有機玻璃制作而成，做工精巧細致，覆蓋了水電站引水口至水庫末端的入口區域，完美還原了該區域的重要構造，保證精準模擬閘門關閉時的各種情況。為了檢測模擬過程中的各種數據，在模型中安裝了對應的測量儀器，在模擬過程中，記錄下相應的數據，安裝示意圖如圖1—2所示。

圖1 進水口及事故閘門模型(單位：mm)

3 閘門事故原因分析及體型優化

3.1 試驗方法

3.1.1門體水柱壓力試驗

為了測量閘門閉合時水柱壓力的作用位置，在圖1的12—15處梁安裝了測量儀器，以2012年事故發生時的各種數據為依據進行模擬，檢測圖12—15位置的壓力情況。另外，因為閘門在閉合時很容易受到水流影響，每次機組導葉和閘門開合均會影響到水流，所以在測量得知水柱壓力的最大作用位置后，本次模擬以10%為一個單位，模擬不同開合度下，所有水柱產生的壓力。

3.1.2閘門體型修改試驗

在實際水電站建設過程中，考慮到建設所需成本和閘門啟動機器能夠承受的容量，及這種類型的閘門在閉合時并不能產生額外的作用，所以閘門本身以及附加的重量一般都不會太高。針對這種情況，通常都是利用水柱的壓力或者提高一定情況下閘門底部的吸力來獲取足以使得閘門閉合的力量，成功關閉閘門。為了理想地還原事故現場，保證結論的精確度，模型按照比例還原了閘門地坎的構造，鑒于影響閘門的各種因素，本次設定了3種閘門體型的修改方法，滿足不同情況下閘門的需要，如圖2所示。在閘門的吊耳位置(圖1的8號位置)放置了測量儀器，用于測量不同修改方案下的閘門在正常閉合時產生的持住力。通過模擬4種不同方案下的閘門狀態制定出最為恰當的閘門體型修改方案。

圖2 閘門體型優化方案

3.2 結果與分析

3.2.1面板和梁格布置對閘門閉合的影響

為了測量水柱壓力的主要作用位置，在圖1的12—15位置分別放置了4個測量儀器，設置了3種不同的閘門開合度，從左到右，開合度分別為36%、29%、14%。不同開合度下梁各位置承受壓力的模擬實驗結果如圖3所示，根據圖3的實驗結果可以看出，梁15位置不同閘門開合度下承受的壓力變化最為明顯，所以梁15位置，承受的壓力最大，是水柱壓力的主要作用點。

圖3 閘門12—15位置各測點時均壓力值

梁15位置各測點承受壓力的情況如圖4所示。圖4從左到右設定的閘門開合度分別為36%、14%、7%。根據圖4的模擬結果可知，在閘門開合程度一致時，機組導葉的打開程度越大，閘門承受的水柱壓力就越高。在機組的打開程度一致時，閘門閉合的程度越高，所承受的水柱壓力就越高。在閘門逐漸向下關閉的過程中，閘門上方一面承受的壓力靠近上游水頭，另一面的情況則恰恰相反，承受的壓力值越來越小。當閘門基本完全閉合時，水柱壓力幾乎接近水電站兩側水位所產生的最大壓力值370kPa。數據表明，閘門面板和梁格的布置是合理的，充分借助了水柱壓力所能發揮的作用，所以導致閘門無法完全閉合的根源不在這里。

圖4 梁15位置各測點時均壓力值

3.2.2不同方案下關閉閘門時的持住力分析

該水電站閘門最初的體型和前3個修改方案在閘門關閉時的持住力情況如圖5所示。從圖5中可看出，在閘門開度比較高的時候，方案1的持住力及其變化情況與初始閘門體型的情況吻合。而當閘門開度比較小時，方案1的持住力則比原來要低，閘門閉合的情況并不理想。這是由于方案1增加了閘門底部和水流的接觸面積，這種情況下關閉閘門會更大程度地受到水流的影響。第二個修改方案，在閘門的開度較大時與原體型的變化情況基本吻合，但在閘門開度較小時，該方案中的持住力比原體型高，并且逐漸增高，這時，閘門閉合的效果也不理想。方案2對于增加持住力具有一定作用，但由于閘門底部壓力不均衡產生的震動更不利于閘門的閉合。第三個方案中，隨著閘門的閉合，持住力始終高于原體型，雖然閉門效果也不理想，但在3個方案中，方案3閉合的程度最高，效果最佳。綜上所述，方案3可作為閘門體型修改的最佳方案。

圖5 不同方案下閘門關閉時持住力的變化示意圖

3.2.3閘門不能完全閉合的原因分析

影響閘門關閉的因素有很多，主要因素如圖6所示。綜合摩擦力和持住力的計算公式分別為：

T=f(Phu-Phd)

(1)

F=nGG+Ws+Gj-nTT-Pt

(2)

式中，F—閘門關閉時的持住力；Ws—水柱壓力；Phd、Phu—閘門兩側水流產生的推力；G—閘門本身的重量；Gj—配重；Pt—閘門底部承受的壓力；f—F的系數；nG—閘門本體重量的修正系數，范圍在0.9到1.0之間；nT—摩擦阻力的安全系數，一般為1.2。

前文已經得出，在閘門基本閉合時，水柱壓力幾乎接近水庫兩側水位差距所能產生的全部水壓力，這表示修改方案合理，充分發揮了水柱壓力的作用。根據圖5可知，方案3中的閘門體型效果最佳，所以閘門無法完全閉合的原因可能是由于摩擦系數過大，通過測量事故發生時的持住力與水柱壓力，根據公式(1)—(2)我們可以反向推算出該模型的摩擦系數f的值約為0.16，同理，反向推導出事故發生現場的摩擦系數約為0.209，超過了設計值，所以可證實，閘門無法完全閉合主要是由于摩擦系數過大。參照以往的經驗雖然可以采取一定的措施降低摩擦系數，但所需要的時間和成本非常高，對比之下，按照方案3對閘門體型進行修改既能節省成本又可以取得最佳閉合效果。

4 方案3模擬與結果分析

根據前文中3種方案的模擬結果得出，3種方案都無法使閘門完全閉合，其中方案3閉合效果最佳。為了探究方案3中閘門無法完全閉合的原因，本文進行了閘門受力實驗，結果如圖6所示。

圖6 閘門體型水柱壓力

根據方案3的模擬結果可得出，該閘門體型雖然充分發揮了水柱壓力的作用，但在閘門接近完全閉合時，增加的前緣部分使得閘底過流量降低，無法形成低壓條件，使得閘門無法繼續閉合。所以需要對方案3中的前緣下表面的前部進行加厚處理，使得閘門接近閉合，底部可以產生低壓條件，促使閘門完全閉合，優化后方案如圖7所示。

圖7 前緣優化示意圖

為了檢驗優化后的方案是否可以完全閉合閘門，按照優化后的體型進行了模擬，結果如圖8所示。

圖8 優化前緣部分前后的水柱壓力值示意圖

從實驗結果可得出，進行加厚處理后的前緣水柱壓力增加，而且下降的拐點也延后很多，閘門也實現了完全閉合。證明這一優化方案是十分有效的。

5 結論

本文以某水電站出現事故的閘門為例進行了探究，得出了閘門無法完全閉合的原因是由于閘門閉合時產生的摩擦系數過大，遠遠超過了設計值。因此，在閘門啟閉力的研究過程中，不能忽視閘門摩擦系數不確定性對閘門安全性的影響，應同樣將其作為研究重點。針對這一問題本文設計了3種方案并進行模擬檢驗，最后發現方案3增設前緣部分是最為合理的體型修改方案，但仍有不足之處，閘門還是無法完全閉合，又對方案3進行了優化處理，對前緣下表面的前端進行加厚，最終實現了閘門的完全閉合。此方案可為類似工程問題的解決提供借鑒，但在具體實施前應結合工期、投資及啟閉設備的容量加以驗算。