楊 敏,牛利敏,陳 林,李會平（天津大學建筑工程學院,天津 300072）

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長輸水隧洞中段有壓平面閘門啟閉力及穩(wěn)定性試驗

楊 敏,牛利敏,陳 林,李會平
（天津大學建筑工程學院,天津 300072）

摘要:針對某輸配水工程長輸水隧洞中段有壓平面閘門的動水啟閉過程,根據(jù)重力相似準則建立水力學模型以研究閘門動態(tài)啟閉力和靜態(tài)持住力的變化特征及閘門底緣的水動力特性。結果表明:閘門的動水啟閉力在小開度范圍內變化劇烈且最大啟閉力發(fā)生在相對開度0.05附近,持住力與啟閉力隨閘門開度變化規(guī)律基本一致;與底主梁不開孔方案比較,當?shù)字髁洪_孔率27％時閘門最大動水啟門力和閉門力分別減小5.7％和7.8％,降低幅度較小;該工程設計底緣形式的閘門振動是穩(wěn)定的,閘門整體結構與水流發(fā)生共振的可能性很小,能夠保障閘門穩(wěn)定運行。

關鍵詞:平面閘門;長輸水隧洞;啟閉力;底主梁開孔;底緣形式;穩(wěn)定性

閘門啟閉力的估算對閘門啟閉機的選型有重要作用,是閘門正常運行的前提。潛孔式平面閘門在啟閉過程中門體水動力荷載受閘門結構體型、作用水頭、流速、啟閉速度等諸多因素的影響,變化非常復雜,目前還很難準確計算,一直是閘門設計中的重點和難點[1-2]。常見的潛孔式平面閘門一般布置在隧洞進出口處,啟閉過程中閘門上下游水位保持不變,閘門井內水位變化較小。而當閘門布置在長距離輸水隧洞中間位置時,成為有壓閘門,閘門在啟閉過程中水力條件跟常見潛孔式平面閘門不同,表現(xiàn)在若閘門為下游側止水,閘門在全關狀態(tài)時閘門井內水位與隧洞進口處水位相同；若閘門為上游側止水,則閘門在全關狀態(tài)時閘門井水位與下游水位相同,閘門在啟閉過程中閘門井內水位隨開度變化降低或升高。閘底過流流量與水頭、開度、流量系數(shù)等有關,對于長輸水隧道中段有壓平面閘門,由于閘門井內水位隨開度變化無法準確計算且隨開度增大的變化規(guī)律尚不明確,流量變化可能不是單一的遞增或遞減,且變化還與閘門在長隧洞中的位置有關,水力條件很復雜。

前人的研究大多針對常見潛孔式平面閘門的啟閉力[3-5],而對長距離輸水隧洞中段的有壓閘門啟閉力較少提及。由于水力條件的復雜性和水力參數(shù)的不確定性,很難通過數(shù)值模型對此進行研究。本文通過水力學模型試驗研究該類閘門在動水中的啟閉力特性、底主梁開孔對長距離輸水隧洞中段有壓閘門啟閉力的影響及閘門底緣脈動壓力特性,通過流激振動響應分析閘門的振動穩(wěn)定性。

1 模型設計及試驗方法

1.1 原型簡介

某輸配水工程的輸水隧洞長112 km,該控制閘閘門位于距隧洞下游出口500m處,為長輸水隧洞中段有壓控制閘門。工程上游水庫設計水位108m,校核水位114m,最低引水水位86m,輸水隧洞設計過流流量38.8m3/s,設計加大流量47.6m3/s。閘門室段孔口尺寸為4.0m×5.0m（寬×高）,閘門面板朝向來水側,封水布置在閘門下游邊梁后翼緣,鋼閘門尺寸為5.47m×5.40m（寬×高）,總質量35 t。工作閘門門葉結構示意圖如圖1所示。

圖1 工作閘門門葉結構示意圖

1.2 模型總體布置

根據(jù)試驗目的和試驗條件,隧洞及閘門水力學模型按重力相似準則設計,并考慮阻力相似,模型比尺選定λl=25,相應的力比尺λF=15625,速度比尺λv=5,流量比尺λQ=3125,時間比尺λt=5。模型總體布置示意如圖2所示,模型范圍包括上游引水段、中部控制閘閘室段、下游配水井段3個部分,調節(jié)閥上游隧洞段采用鋼管制作,調節(jié)閥下游隧洞段及閘室段采用有機玻璃制作以方便觀察水流流態(tài)。圖3為中部控制閘閘室段試驗模型。閘門中墩右側閘門采用有機玻璃制作,滿足幾何相似,左側閘門采用有機玻璃制作并用鉛塊進行配重,滿足幾何相似和重力相似。

圖2 模型總體布置示意圖

1.3 試驗方法

潛孔式平面鋼閘門啟閉力的計算方法按照SL74—2013《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》確定。平面鋼閘門啟閉力的計算包括閘門門頂下壓力、底緣上托力、下吸力、止水與埋件的摩阻力、行走支承與軌道間的摩阻力、閘門自重。在閘門中墩右側閘門上下游面板、底緣斜板及下游側底主橫梁布置若干測點測量閘門的動水壓力；左側閘門吊索上方裝有力傳感器并通過調速電動機控制閘門啟閉速度來測量持住力和動態(tài)啟閉持住力。

圖3 閘門控制室段試驗模型

通過拉力傳感器直接測量閘門啟門力和閉門力,規(guī)定啟閉力豎直向上方向為正。啟門力和閉門力均是指鋼絲繩對閘門豎直向上的拉力,其中啟門力的大小和方向與規(guī)范中一致,閉門力指閉門持住力,與規(guī)范中規(guī)定的閉門力大小相等方向相反。動態(tài)閉門過程中若鋼絲繩受拉,即傳感器測得閉門力為正時閘門可以正常關閉。原型和模型閘門止水摩擦力一般很難相似,目前閘門啟閉力試驗主要通過測量閘門門體的動水壓力分布,計算作用在閘門上的各項水力載荷,再結合閘門摩擦系數(shù)計算運行時的止水摩擦力,最后得到閘門動水關閉的啟閉力和持住力。閘門最大啟閉力可通過試驗結果加上修正項得到。按閘門6min完成閉門從全開到全關和啟門從全關到全開過程模擬。

1.4 試驗工況設計

閘門控制室上游溢流井控制上游水頭,中間設有電磁流量計及調節(jié)閥,以控制調節(jié)管道過流流量,下游配水井的溢流堰保持溢流狀態(tài)以控制下游水位。為方便分析比較,增加一組流量為2倍設計流量（Q0=77.6m3/s）的試驗工況。試驗工況見表1（Zu為上游水位,Hd為水頭差,Q0為閘門全開初始過流流量）,工況1-1、1-2、1-3水頭差相同流量不同,工況1-1、2-1、3-1流量相同水頭差不同。表中數(shù)據(jù)均已換算到原型。相對開度0.2以下的閘門開度定義為小開度。試驗時每隔0.1相對開度測量閘門持住力。

對于長輸水隧洞中段的有壓平面閘門無法進行整體模擬,水力條件難以相似,試驗中通過流量調節(jié)閥調節(jié)流量并起到模擬長輸水隧洞沿程水頭損失的作用。上游溢流井由擋板控制水位,保持上游溢流井和下游配水井為溢流狀態(tài),并在閘門處于全開（開度e=1）狀態(tài)時調節(jié)管道過流流量,試驗過程中不再轉動流量調節(jié)閥。同一工況下重復閉門、啟門過程兩次測量閘門動水啟閉力,待各開度閘底水流流態(tài)穩(wěn)定后測量閘門靜態(tài)持住力及面板和底緣的脈動壓力。

表1 試驗工況

2 啟閉力和持住力特性

2.1 啟閉力變化特征

試驗測得在不同工況下閘門動水啟閉力隨閘門開度的變化規(guī)律基本一致。工況1-1啟門力和閉門力隨開度變化曲線見圖4。從圖4可知,動水啟門時,啟門力隨閘門相對開度增大而急劇上升,至閘門相對開度0.05左右時達到最大值；之后啟門力迅速下降,在閘門相對開度約0.2之后啟門力下降漸趨平緩,相對開度約0.3以后閘門啟門力基本在一定值附近波動。

圖4 工況1-1閘門動態(tài)啟閉力與開度的關系

影響閘門啟閉力的因素主要有閘門自重、門頂水柱壓力、止水和滾輪摩擦力、閘門底緣壓力等。閘門自重是一定的,摩擦力與閘門面板上壓力有關,試驗測得各開度下閘門面板壓力隨開度呈下降趨勢但下降幅度很小,因此,閘門摩擦力變化對啟閉力影響較小,且相對于門頂水柱壓力較小。而閘門在全關狀態(tài)時,由于閘門下游面板止水,閘門井內水位較高,閘門門頂垂直水壓力較大。閘門在開啟過程的小開度范圍內,閘門從不過流向過流狀態(tài)轉變時閘下水流流態(tài)發(fā)生劇烈變化,由底緣斜板測點和下游底主梁測點的脈動壓力可知,閘門底緣壓力表現(xiàn)為上托力,其值相對于門頂水壓力較小,因此在開啟過程的小開度范圍內閘門啟門力急劇上升達到最大值。隨著開度逐漸增大,閘門井水位逐漸下降,且在相對開度0.2之前下降速度較快,門頂水柱壓力隨之減小,閘門底緣上托力隨閘門開度的增大有小幅度的減小,閘門啟門力隨之減小,在此之后閘門井水位下降趨緩,同時大開度時閘底過流流量增加緩慢,流速變化較小,過流流態(tài)基本穩(wěn)定,閘門底緣上托力變化較小,對閘門啟門力影響較小。

閘門在各工況下的最大啟門力和最大閉門力見圖5。在上游水位保持不變,水頭差相同時,隨著流量的增大,閘門最大啟門力和最大閉門力也隨之增大（工況1-1、1-2、1-3）。在上下游水位相同時,流量增加1倍,最大啟門力由1577.8 kN增加到1852.2 kN,增加17％；最大閉門力則由1 068.2 kN增大到1156.4 kN,增加9％（工況1-1、1-3）。在管道過流流量不變時,隨著上下游水頭差增大,閘門最大啟門力和最大閉門力也隨之增大（工況1-1、2-1、3-1）。最大啟門力在水頭差14.55m時為872.2 kN,水頭差42.55m時則為1871.8kN,增加115％；最大閉門力則由656.6 kN增大到1146.6 kN,增加75％?？梢钥闯?長輸水隧洞中段有壓閘門的最大啟閉力對上下游水頭差的變化比較敏感,而流量的變化對閘門的最大啟閉力影響較小。

圖5 各工況下最大啟門力和閉門力

小開度時門頂水柱壓力較大,對閘門的最大啟閉門力進行摩擦力校核,接近全關狀態(tài)時面板壓力取上游最高水頭74m,止水摩擦系數(shù)取最大值0.7,滾動摩擦力臂取1mm,得到閘門最大啟閉力為2185 kN,最大閉門力為877.9 kN,閘門啟閉機容量5 000 kN能滿足啟閉要求。

2.2 持住力變化特征

圖6為閘門全開,初始流量相同、上下水頭差不同（工況1-1、2-1、3-1）時閘門各個開度下的時均持住力。與圖1對比可知,閘門持住力變化與動水啟閉過程曲線規(guī)律基本一致。在最小的相對開度條件下測得的閘門持住力最大,且隨著開度的增大,閘門持住力降低。

對常見潛孔式平面閘門的研究[6-8]表明,閘門持住力最大值一般不出現(xiàn)在較小開度時,而是出現(xiàn)在中間某個開度。而長輸水隧洞中的平面閘門最大持住力出現(xiàn)在較小開度,其主要原因是開度較小時門頂水柱壓力較大。因此,閘門在隧洞中的布置位置對閘門水動力特性有很大的影響。

圖6 時均持住力與開度的關系

3 底主梁開孔對啟閉力的影響

影響閘門啟閉力的主要因素為水流的動水垂直力[9],包括下吸力、上托力、門頂水柱壓力。平面閘門底緣形式?jīng)Q定著底緣壓力分布,對閘門動水垂直力有著較重要的影響,進一步影響著閘門啟閉力和閘門啟閉機的選擇。啟門力的主要影響因素為水流的下吸力,即閘門系統(tǒng)各部件上下表面的水壓力之合力,主要是底主梁上下表面的水壓力差,其他部件上下表面的水壓力差相對較小。章晉雄等[7]的Mica水電站進水口平面閘門底緣優(yōu)化方案試驗表明,在底主梁開孔能夠有效降低閘門啟閉力,隨著底緣及底主梁開孔增大,閘門豎向水力荷載下降。練繼建等[8]的敘利亞迪什林水電站底孔事故閘門持住力試驗表明,閘門底緣開孔能夠明顯降低閘門持住力和啟閉力。周通[10]的積石峽水電站泄洪洞中孔事故閘門底主梁開孔率優(yōu)化研究表明,當?shù)字髁洪_孔率30％以內時,優(yōu)化效果隨開孔面積的增加而提高；當?shù)字髁洪_孔率大于30％時,優(yōu)化效果與底主梁開孔率的關系不再明顯。

為進一步研究設計底緣形式的閘門底主梁開孔對長輸水隧洞有壓平面閘門啟閉力的影響,設計3種閘門結構方案。方案一:初始方案,即底主梁不開孔；方案二:底主梁開4個直徑0.3m的孔,開孔面積占10％；方案三:底主梁開4個直徑0.5m的孔,開孔面積占27％。在工況1-1條件下進行試驗。

3種閘門結構動水啟門力和動水閉門力隨開度變化的規(guī)律基本一致,最大值都發(fā)生在相對開度0.05附近。各方案下的最大啟門力和最大閉門力如表2所示。底主梁開孔時,閘門動水啟閉力變化趨勢與不開孔時相同,相同閘門開度下啟閉力量值相差不大。閘門底主梁開孔后,最大啟門力和最大閉門力都有一定程度的降低,開孔面積占比10％時最大啟門力和閉門力分別為1470.0 kN和989.8 kN,開孔面積占比增大到27％后的最大啟閉力分別為1450.4 kN和921.2 kN,相比不開孔方案分別降低5.7％和7.8％,降低幅度不大。表3為上述開孔率與最大啟閉力關系成果與文獻[7-8]的對比。因此,對于該長輸水隧洞工程中段設計底緣形式的閘門,底主梁開孔對降低閘門最大動水啟閉力作用不明顯,同時閘門底主梁開孔率過大會削弱閘門結構強度,對結構自身安全不利,實際工程中應在保證閘門自身結構強度的條件下再考慮是否開孔。

表2 底主梁開孔方案下閘門最大啟閉力　kN

表3 開孔率與最大啟閉力關系研究成果對比　%

4 閘門運行穩(wěn)定性

圖7 底緣斜板和底主橫梁時均壓力與開度關系

4.1 閘門底緣壓力

閘門在運行過程中啟閉力與水流流態(tài)和閘門結構形式,特別是與閘門底緣形式密切相關,平面閘門底緣形式?jīng)Q定了閘下水流流態(tài)[11],且閘門底緣體型影響閘門抗振效果[12],對閘門系統(tǒng)的安全運行有著重要的作用。工程中閘門采用具有前傾角的混合型閘門結構底緣形式,分別在底緣斜板和下游側底主橫梁的中間部位左右對稱布置兩個測點以測量閘門底緣的上托力。圖7和圖8分別為校核工況下閘門底緣斜板和下游側底主橫梁測點的脈動時均壓力和脈動壓力均方差與開度的關系。其中,1號和2號測點布置在底緣斜板上左右側中心,3號和4號測點布置在底主橫梁上左右側中心。

圖8 底緣斜板和主橫梁脈壓均方差與開度關系

根據(jù)測試結果,脈動壓力時均值變化符合一般規(guī)律,流量水頭越大時均壓力越大。底緣斜板上1號測點的時均壓力值小于2號測點,是由于水流流態(tài)在沿閘門寬度方向上不一致,在靠近中墩的2號測點處水流流速較大,對底緣的沖擊壓力較大。底主橫梁上3號和4號測點脈動壓力在各開度時的大小及隨開度的變化基本一致。總體來看各測點脈動壓力隨著開度的增大呈下降趨勢。水流在不同開度下底緣斜板和下游側主梁上的脈動壓力均方差集中在1～5kPa之間,最大值不超過5kPa,脈動部分較小。

從試驗過程中水流流態(tài)來看,閘門啟閉速度較小,在閘門整個啟閉過程中,閘門前后均為滿流,閘門底緣和下游沒有出現(xiàn)立軸漩渦和漩滾水流等不穩(wěn)定的水流流態(tài),閘下過流平順,但需要注意的是閘門實際運行時閘下出流是否會存在明滿流過度或明流流態(tài),實際工程運行時應對原型加強觀測,進一步論證通氣孔的合理性和對動水啟閉力的影響。

4.2 閘門自振特性分析與共振校核

流激振動問題涉及到水流與結構的相互作用,運用有限元軟件ANSYS建立閘門的三維有限元模型,在閘門各主要構件滿足強度和剛度的基礎上考慮流固耦合效應對閘門模態(tài)的影響,分別模擬閘門在空氣和水中的自振特性。在水中的計算區(qū)域為上下游各15m水體。平面閘門干模態(tài)（空氣中）、濕模態(tài)（水中）下有限元計算模型如圖9和圖10所示。

圖9 干模態(tài)閘門有限元計算模型

在自振特性分析中,前幾階振動均發(fā)生在吊耳處,工程上更為關心的是閘門整體振動,濾去閘門局部結構振動,得到閘門的干模態(tài)和濕模態(tài)整體振動, 前3階自振頻率如表4所示。干模態(tài)第1階振動為閘門上部區(qū)域順水流方向的彈性振動,第2階振動為閘門上、下部垂直于水流方向的反向振動（扭動）,第3階振動為閘門下部區(qū)隔順水流方向的彈性振動。濕模態(tài)第1階振動為閘門整體順水流方向的彈性振動,第2階為閘門上部區(qū)域沿水流方向的彈性振動,第3階為閘門整體順水流方向的扭動。閘門干、濕模態(tài)基頻分別為71.63 Hz和31.81 Hz,頻率較大。濕模態(tài)下由于面板上下游水體的阻尼作用,基頻有相應的降低,流體對閘門自振特性影響顯著。

圖10 濕模態(tài)閘門有限元計算模型

表4 閘門整體結構干、濕模態(tài)的前3階自振頻率 Hz

對閘門各測點的脈動壓力時程線進行頻譜分析,計算得到各種工況下各個測點作用水流的脈動主頻均小于5 Hz。典型測點（2號）在最不利工況（工況3-1）下的歸一化功率譜密度如圖11所示。

圖11 典型測點（2號）功率譜密度

一般而言,水流的頻率較小,本試驗中根據(jù)脈動壓力頻譜分析結果,各測點水流脈動壓力的主頻均在5 Hz以內,而閘門的干、濕模態(tài)基頻較大,因此,該工程中的平面閘門與水流發(fā)生共振的可能性不大。

5 結 論

a.對布置在長隧洞中段有壓平面閘門的水力學模型試驗表明,閘門啟閉過程中小開度時動水垂直壓力變化較大,最大啟閉力和持住力峰值集中在小開度范圍以內,并且隨開度的增減變化很快,閘門動水啟閉的最不利開度在小開度范圍內。

b.與前人的常見潛孔式閘門底主梁開孔研究成果對比發(fā)現(xiàn),在潛孔式閘門底主梁開孔能夠顯著降低閘門啟閉力,而對于長輸水隧洞中段的有壓平面閘門,當?shù)字髁洪_孔增大到27％時閘門最大動水啟閉力分別只降低5.7％和7.8％,降幅不大,底主梁開孔對最大啟閉力降低作用不明顯。

c.設計底緣形式的閘門閘下水流平順,脈壓時均值在小開度內變化較大,脈壓均方差在整個開度范圍內變化較小,閘門結構干、濕模態(tài)的基頻與水流脈動主頻相差較大,發(fā)生共振的可能性不大。模型試驗表明該工程閘門門底水流的下曳力變化不大且數(shù)值較小,底緣壓力對啟閉力影響較小。但平面閘門運行中水流誘發(fā)閘門結構彈性變形振動因素有很多,例如水封漏水引起的閘門整體自激振動,而這個問題在模型試驗中無法模擬,因此,對于長輸水隧洞下的深孔閘門水流誘發(fā)閘門結構振動問題還有待于進一步深入研究。

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中圖分類號:TV663+.1

文獻標志碼:A

文章編號:1006- 7647（2016）03- 0041- 06

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.009

作者簡介:楊敏（1956—2015）,男,教授,主要從事水工水力學研究。E-mail:minyang@163.com

通信作者:牛利敏（1989—）,女,碩士研究生,主要從事水工水電站建筑物動靜力分析研究。E-mail:niulimin1989@163.com

收稿日期:（2015- 04 18 編輯:鄭孝宇）

Experimental study on hoisting force and stability of pressured planegate located inmiddle of long water deliverytunnel

YANGmin, NIU Limin,CHEN Lin, LI Huiping（School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

Abstract:Based on thegravity similarity criterion, a hydraulicmodel was built so as to study the variation characteristics of the dynamic hoisting force and static holding force of thegate and the hydrodynamic characteristics of its bottom frontier during the operation process of the pressured planegate located in themiddle of a long water delivery tunnel for a water distribution network.The results show that the hoisting force changesgreatly within the range of the small opening degree and themaximum hoisting force occurs near the relative opening degree of 0.05.The holding force and hoisting force show a similar change with thegate opening.Compared with the non-perforatedgirder, themaximum opening and closing forces for the bottomgirder with an opening rate of 27％ decrease by 5.7％ and 7.8％, respectively, showing a small reduction.The vibration of thegate with a designed type of bottom frontier is stable for the project and resonance of thegate and water flow is nearly impossible,guaranteeing the stability of thegate operation.

Key words:planegate；long water delivery tunnel；hoisting force；perforated bottomgirder；type of bottom frontier；stability