（水利水电工程专业论文）高水头闸室闸门小开度水流特性试验研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文摘要 摘要 我国西南地区蕴藏着丰富的水资源。在水利资源综合开发中，经常遇到 在高水头下，向下游提供小流量的生活、工业或灌溉用水的情况，就会遇到 高水头闸室闸门小开度运行的一些问题。 本论文在总结前人成果的基础上，从基本理论和试验数据出发，研究了 高水头闸室闸门小开度时泄水隧洞的水流特性。根据前人对闸孔流量系数的 研究成果和本次研究流量系数时所遇到的闸门前后水流情况，对闸前闸后水 流流态进行了分类。根据闸前水流流态，可分为长有压段和短有压段：按照 闸后水流流态，又可分为闸孔自由出流和闸孔淹没出流。闸前闸后的水流条 件不同，其影响流量的因素也不同。科学地区别闸前闸后水流流态，有利于 人们对闸门闸孔处流量系数的认识和工程上对流量系数的合理采用。 在实际已建和在建工程中泄水建筑物所采用的闸门形式主要包括平板闸 门和弧型闸门这两种形式。闸前为长有压段隧洞的水流流态不同于具有短有 压段隧洞的水流流态，这种泄水隧洞泄流能力计算不能采用闸前具有短有压 段的闸门的流量计算公式。另外，高水头闸室闸门开度小于3 0 ，下泄小流 量时，对于平板闸门由于水流受闸门槽和闸前垂直收缩的影响，闸后水流流 态较为复杂，形成射流周围环境为大气的附壁射流，水流流速高，水舌形态 呈抛物线状。由于目前对闸后水流流态的研究没有考虑闸门槽的影响，因此 采用现行公式计算高水头闸室闸门小开度时的计算结果与实际相差较大，所 以对于这种高水头闸室闸门小开度时的泄水隧洞水流特性的研究，在理论和 实际上都有重要的意义。 根据试验数据以及相关资料分析，提出了闸前有长有压段闸后自由出流 的平板闸门和弧形闸门的流量系数公式，并对平板闸门闸后水舌的沿程水力 要素进行了分析，在此基础上又推导出闸前有长有压段闸后自由出流的平板 闸门和弧形闸门闸后收缩水深及其位置的计算公式，最后给出了平板闸门闸 后水舌特征点的计算公式，对弧形闸门则从理论上推导出了收缩水深后沿程 断面的最大流速理论值。 关键词：高水头闸门小7 1 ：度水流特性 昆明理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh y d r o p o w e rr e s o u r c e sa r ea b u n d a n c ei nt h es o u t h w e s to fc h i n a i nt h e i n t e g r a t e dh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n t ，s o m es p e c i a lt e c h n i c a lp r o b l e m sw i l lb em e t f o re x a m p l e ，w h e nw es u p p l yt h ew a t e rf o rl i f e ，i n d u s t r ya n di r r i g a t i o na tt h e c o n d i t i o no ft h er e s e r v o i rw a t e rl e v e li sv e r yh i g h ，b u tt h eg a t ei ns m a l lo p e n i n g d i s c h a r g e ss m a l lf l o w b a s e do nt h ef o r m e rs t u d i e dr e s u l t s ，b a s i ct h e o r i e sa n dt e s td a t a ，t h ec h a r a c t e r s o ff l o wf r o mt h es l u i c ew i t ht h eg a t ei ns m a l lo p e n i n go nt h ec o n d i t i o no fh i g hw a t e r h e a dh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s b a s e do nf o r m e rs t u d i e dr e s u l t sa b o u t d i s c h a r g ec o e f f i c i e n to ff l a tg a t ea n dt h ef l o wc o n d i t i o no nm yt e s t ，w ec a nc l a s s i f y t h ef l o wc o n d i t i o na sf o l l o w ：f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ef l o wc o n d i t i o ni nf r o n to ft h e g a t e ，w ec a nd e f i n et h r e ed i f f e r e n tt y p e s ，t h eu n c o n f i n e di n t a k e ，t h el o n gc o n f i n e d i n t a k e ，t h es h o tc o n f i n e di n t a k e s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ef l o wc o n d i t i o nb e h i n dt h e g a t e ，w ec a nd e f i n et w ot y p e s ：t h ef r e ed i s c h a r g i n ga n dt h es u b m e r g e dd i s c h a r g i n g i ft h ef l o wc o n d i t i o ni sd i f f e r e n t ，t h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n tw i l lb ed i f f e r e n tt o o d i s t i n g u i s h i n gt h ef l o wc o n d i t i o ni nt h eg a t es h a f ti sg o o df o rp e o p l et ok n o wa n d a d o p tt h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n to ft h ep l a tg a t e t h e r ea r et w om a i nt y p e so fg a t ea d o p t e di nt h er e l e a s ew o r k s ，w h i c ha r ef l a t g a t ea n da r c s h a p e dg a t e ag a t ei ss e ta tt h ee x i to ft h ec u l v e r t ，b e c a u s eo ft h ef l o w c o n d i t i o no ft h el o n gc o n f i n e di n t a k ei sd i f f e r e n tf r o ms h o r tc o n f i n e dd i s c h a r g e c u l v e r t ，s ow ec a nn o tu s et h ec o n v e n t i o n a lf l o wf o r m u l ao ft h ef l a tg a t et oc a l c u l a t e t h ed i s c h a r g ec a p a b i l i t yo fh i g hw a t e rh e a da n ds m a l lo p e n i n gg a t e 。o t h e r w i s e ， w h e nt h er e l a t i v eo fd e g r e eg a t ei sl e s st h a n3 0 a n da tt h ec o n d i t i o no ft h eh i g h w a t e rh e a d ，t h ed i s c h a r g ew a t e rw i l ls u f f e rf r o mt h eg a t es l o ta n dt h eg a t er o o te d g e a f f e c t i n g ，s ot h ef l o wc o n d i t i o nb e c o m e sv e r yc o m p l e x i t y w ec a nn o tu s et h e c o n v e n t i o n a lf l o wf o r m u l a so ft h ef l a tg a t ec a l c u l a t et h ed i s c h a r g ec a p a b i l i t yo f h i g hw a t e rh e a da n dl i t t l eo p e n i n gg a t e o t h e r w i s e ，w h e nt h er e l a t i v eo p e n i n go f g a t ei sl e s st h a n3 0 a tt h ec o n d i t i o no ft h eh i g hw a t e rh e a d ，t h ed i s c h a r g ew a t e r w i l ls u f f e rt h eg a t es l o te f f e c ta n dt h eg a t er o o te d g ee f f e c t ，s ot h ef l o wc o n d i t i o n w i l lb ec o m p l e x i t ya n db e c o m e sat u r b u l e n tj e tb u tt h ea m b i e n c eo ft h ej e ti sa i r t h ev e l o c i t yo ft h ej e ti sv e r yh i g ha n dt h ef l o wl i n ei sp a r a b o l a n o w ，p e o p l es t u d y t h ef l o wc o n d i t i o nt h a tb e h i n dt h eg a t eo f t e nb o u n d st ol o ww a t e rh e a da n dt a k en o l | | 垒! ! ! 婴! 垦塑型三查堂堡主堂堡丝苎 a c c o u n to fg a t es l o t ，s ot h ec a l c u l a t e do u t c o m ei s o f t e nn o ta c c o r dt ot h et e s tr e s u l t s oa c c o r d i n gt h ec a l c u l a t e do u t c o m ea st h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o ni si r r a t i o n a l i t ya n d i tw i l lc a u s ee r o s i o nd a m a g ea n dc o r r o d ed a m a g e s oi ti si m p o r t a n tf o ru st os t u d y t h ef l o wc h a r a c t e ro nt h ec o n d i t i o no fh i g hw a t e rh e a da n ds m a l lo p e n i n gd e g r e e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et e s td a t a , c o r r e l a t e dd a t aa n dt h ew a t e r p o w e r f a c t o r sa b o u tt h en a p p eb e h i n dt h ep l a tg a t e ，ad i s c h a r g ec o e f f i c i e n tf o r m u l aa b o u t t h el o n gc o n f i n e di n t a k eo ff r e ed i s c h a r g ep l a tg a t ea n da r cg a t ei sd e d u c e d t h e ni f u r t h e rd e d u c eac o n t r a c t i o nd e p t ho fw a t e rf o r m u l aa b o u tt h el o n gc o n f i n e di n t a k e o ff r e ed i s c h a r g ep l a tg a t ea n da r cg a t e f i n a l l y ，a ne m p i r i c a lf o r m u l aa b o u tt h e n a p p ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t sb e h i n dt h ep l a tg a t ei s d e d u c e da n dt h em a x i m a lc u r r e n t v e o c i t yb e h i n dt h ec o n t r a c t i o nd e p t ho fw a t e ri sd e d u c e d k e y w o r d s ：h i g hw a t e rh e a d g a t e s m a l lo p e n i n gf l o wc h a r a c t e r s v 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其它个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：。 日期j 七汾 矽步易月g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其它复制手段保存论文 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名： 日 论文作者签名：廛渣 期：趔笙左旦豳 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 对于水头较高的泄水隧洞多采用平板闸门和弧形闸门两种闸门形式以控 制下泄流量的大小。本论文研究的泄水隧洞，其泄水闸分别采用了平板闸门 和弧形闸门两种闸门形式。主要研究内容为：闸门处的水流特性( 本文研究 的是流量系数) ，闸后无压隧洞的水流特性( 本论文研究的是闸后隧洞水流 流态) ，其水流特性则指隧洞在高水头下闸室闸门小开度时的水流特性。 1 1 课题来源、背景 本课题来源于云南省自然科学基金项目( 项目编号：2 0 0 3 e 0 0 2 4 r ) 。 随着我国西部大开发基本国策的确立，西南、西北地区水电水利建设事 业得到蓬勃发展，我国高坝建设的步伐加大加快。继2 0 世纪末二潍水电站投 运以来，现今又有小湾、构皮滩、溪洛渡和拉西瓦四座水电站相继开工；一 批后续建设特高水利水电的工程，诸如白鹤滩、锦屏、虎跳峡等项目的前期 工作，也已全面展开。这种大好形势是近一个世纪以来，任何一个国家所绝 对没有的”1 。表1 和表2 t 2 冽出了我国已在实际高水头下应用平板闸门和弧形 闸门的情况。 高水头和一般水头有很大的区别，量变到质变，这是辩证法的基本规律 之一。假设我们按常规的原则、方法、手段设计和建设一座坝高为5 0 m 的大 坝，其泄水隧洞能够安全运行，但如果将坝高变为3 0 0 m ，则泄水隧洞就不一 定能安全运行了，这里有从量变到质变的问题，因此高水头的闸后水流特性 确实值得深入研究。 表i 高水头泄水平板闸门 竣工年份工程孔口尺寸( 宽高) ( m )水头( m ) 1 9 7 1 刘家峡 8 1 l6 0 1 9 7 1 刘家峡 3 9 87 0 1 9 7 1 刘家峡 3 87 0 1 9 7 3碧口8 1 1 56 0 1 9 7 7 菲尔泽 7 1 0 7 6 1 9 7 5 东江7 5 91 0 0 1 9 8 6 龙羊峡 8 1 1 8 0 1 9 8 6 龙羊峡5 9 51 2 0 旃i 负 第一章精论昆i 仆j 理工太举颤： 学位论文 1 9 8 0丰满4 x 96 1 1 9 8 5鲁蠢貉 4 l o7 0 1 9 7 3 塔受控 4 1 1 3 71 4 l 2 0 0 3三峡9 2 1 3 21 0 8 2 0 0 3三峡7 1 l 9 0 1 9 9 7天生撰一缀6 。8 9i 2 9 2 0 0 0 小浪底 3 。5 1 2 l o g 2 0 0 0 小浪底 3 7 5 1 0 0 2 0 0 0 小浪底 5 9 8 5 2 0 0 0 珊溪 7 8 09 6 1 9 8 3自由7 l o7 7 旋2 海水头泄水弧形闸门 竣工年份工程张日尺寸( 毙赢) ( m )承头( m ) 1 9 6 7 三门蛟8 s5 2 1 9 7 1 剐家映 8 9 5 6 0 1 9 6 5 云丰4 2 5 4 2 57 0 1 9 7 3 碧口8 l o6 0 1 9 7 6 乌江渡 7 9 7 1 9 7 7 菲象泽 7 7 7 6 1 9 7 9 丰满 7 5 7 5 6 5 1 9 8 5 鲁布格 7 5 77 4 1 9 8 6东江6 4 x 7 + 51 2 0 1 9 8 6 燕羊映5 71 2 5 1 9 8 5 紧水滩 7 5 7 6 0 2 0 0 0 珊溪 7 7 9 5 2 0 0 3三映了98 5 1 9 9 7天生辑一缀6 4 7 51 3 0 2 0 小浪底4 慕4 嚣 1 4 0 2 0 0 0 小浪底 8 1 0 8 0 1 9 8 0 努力克 5 6 1 2 0 1 9 7 2 塔炙投 4 8 8 7 ，3 21 3 5 。6 1 2 高水头下闸门水流特性的研究成果栩背景 弧形阕门，乎叛阀门，燕溅零建筑镌诞带滚簧戆主器设备。篡中，弧形 门有两个主要优点即冤闸门槽及所需启闭力小。平叛闸门因闸门槽的存在， 在高速承流l 乍用下易产生空蚀秘搬动，阑露承漉流态不好，危及水工建筑甥 和阉| 、 j 零鸯豹安全。教育资秘 5 1 掺窭当承受逛避5 0 m 激，逶攀不建平扳藤门 调节流擞。但是，平板闸门作为稔修闸门绒紧急闸门，仍然是不可域缺的重 要设备。 童 昆明理工大学硕j ：学位论文 第一章绪论 随着工作水头或流速的增大，从减少空蚀的角度出发，弧形闸门也不得 不放弃传统的无门槽设计方案。资料表明在平整的溢流面上，当流速v 3 5 4 0 m s 时，不少工程虽对表面不平整度作了严格控制，但仍然发生了空蚀破坏， 在紧邻闸门的下游底板和侧墙上，由于水流的边界层才刚刚开始形成，其厚 度很薄，因而近壁流速很大，水流对边界的不平整反应极为敏感，故当闸下 流速很大，例如v 3 5 4 0 m s 或相应水头h 8 0 1 0 0 m 时，底板和侧墙上微 小的不平整就足以引起空蚀破坏，过高地提出表面不平整度的控制标准是不 切实际的t 4 1 。而且，即使初期运行时表面很光滑不致空蚀，但随着时间的推移， 由于泥砂和推移质的磨损或钢板衬护的锈蚀等因素，过流表面也将逐渐糙化， 进而发生空蚀。当v 3 5 4 0 m s 或相立水头h 8 0 1 0 0 m 时，弧形闸门采用 传统的无门槽方案己变得不利，不得不采用突扩跌坎型门槽以便掺气减蚀， 提高闸后底板和侧墙抗空蚀的可靠度”1 。 从理论上讲由于弧型闸门无闸门槽能保持水流的连续性，不会发生空蚀， 但实际上，当v 3 5 4 0 m s 时，边界不平整度的控制难以适应高速水流的要 求，致使一直被视为弧形闸门优点的无门槽，反而变得否利，而平板闸门固 有的“最大缺陷”一一门槽，经过改造使之兼作为掺气减蚀设施后，则可转 化为有利条件。 此外，弧形闸门还有其它一些明显的缺点和不足。例如当其布置于泄水 道进口或中部时，它所需的闸室空间大且闸室结构受力情况复杂，造价高等。 与孤门相比，平板闸门除了制造加工容易，安装维护方便，所需闸室空 间小，包括闸室等在内的总造价较低等，另外还有两个显著的优点一一首先， 其荷载传递较均匀。这就为其孔口尺寸或总水压力的进一步增大提供了可能 性。其次，由于没有像弧门那样的细长支臂，因而在水压力作用下其退缩变 形较小，只有面板梁格系的弯曲变形；加之其制造和安装的难度相对较小， 易于保证质量，这就使其“封水间隙”较小，甚至水封可以有预压缩量，从 而可大大提高止水装置的密封水头。这就为平板闸门向更高水头发展创造了 极为有利的条件。 闸门的空蚀常划分为漩涡型和分离型二类。实际上，二者通常均由漩涡 所引起，其差别仅在于：前者系由孤立的漩涡引起，而后者则由漩涡群引起。 故分离型空蚀的危害远较漩涡型大。漩涡主要产生于水流的分离( 即主流脱离 第3 j i f 釜二耋望笙萎鍪鍪三茎兰鍪! 兰笙兰塞 边壁) ，飚水流脱壁乃因边界的凸凹不平簸突然变纯或边界形状不符合流线形 所致。高速水流对边界体形的反应极为敏感，一旦水流脱髓便会伴生大量漩 涡，漩涡强度随流速升黼而增大，只要漩涡中心的压强低剿相应温度下水的 饱和蒸汽压强，水液就会空倦，进嚣在遮熬t 便可能发生黧蚀 l 。 1 稽餮窆环了速雾翁逐续佳，故努然会缎生永流分离，麓遮永滚在门稽下 游侧棱处的分离危害最大一一将伴生大鬣漩涡并发生水流窝化和边壁空蚀。 此外，水流的脱壁和气液二相流( 由水流的嫩化引起) 的形成。必将改变闸后水 流的滤淼，加之大量高强度漩涡的涌现，水流的空化和边熬煦空蚀等，从掰 太大臻翔终震予凌门及蔟下游德壤彝建投点瓣动本压力靛瓷骧，燕嚣阉门疑 箕下游侧墙和底板的振动。 可见，对于高水头平扳闸门，其空蚀与振动是密不可分的。实际上，引 起闸门振幼的动水荷载一一除特殊情况外，通常就是水流的脉动压力。脉动 压力大致每龋蟊懿平均流逮承头( v 2 2 9 ) 成菠魄，并夔着遗羚不平犊程度浆瓒 热蔼增大。按照紊流静“漩满结构”理谂，漩涡一一乃燕永流脉动静赧滚。 同时，聪力脉动又将降低( 或增大) 水流中的瞬时压强，从而增加水流空化的可 能性。既然空蚀与振动都岛漩涡有关，那么将二者结合起来讨论将更为合适。 改饕闻前流态闸门威布霍于水流较平腰躯部位，应避受门蓠横向流和漩 满。聚游“拳浚乎矮”，攘承不发生分甏瓣主滚苓篪离逐鏊。为整震改善紧 邻闸门的闸前泄水槽体形。门前横向流，不仅会影响过阑水流的对称性，述 会恶化门槽的绕流条件，弓i 起空蚀并诱发闸门振动。为此必须使门叶与水流 方向正交。 若阕怒兹毒弯遥，剿为避免弯遂承浚审豹 孛击波帮滚遽、匿力澄叛嚣分 布不均匀的恶劣影晌，鬻门必须布置在弯懑下游足够远的嶷段上。 泄水道进口的立轴漩涡若卷入空气，则会在泄水道中形成较大的气囊， 从而加剧水流的压力脉动并诱发闸门振动。为此应改善进水口的入流条件和 增加进水墨的淹没深度，域采用“消漩”工程接藏。当这车孛漩涡难娃避免时， 瘸门不寝 筝嚣部野窟运毒予。 此外，在紧靠工作闸门的上游侧布黉类似蝴蝶阀的事故凝簧时，必须慎 重。因为若其阀叶体形稍肖不佳或阀叶停放位嚣略有偏差，则在高速水流作 用下必然发生水流分离并件生大量漩涡，弓l 起闸莳动水聪力惑联变化，极搦 适 垦型型三查兰塑主兰竺堡三兰 笙二童笪堡 诱发或加剧闸门振动。美国某工程曾因在紧靠锥形阀的上游设置了蝴蝶阀当 作事故阀，结臬当锥形阀全开泄流时，由于蝴蝶阀的机械闭锁装置未能保持 阀叶准确地处于全开位置，致使锥形阀产生剧烈振动而破坏。 为确保工作闸门或阀门的安全，类似蝴蝶阀这样的事故装置，宜布置在 其上游若干倍管径处。 在本文中关于以上所说的抗振减蚀由于试验条件的限制没有进行研究， 只进行流量系数和闸后水流流态两种水流特性的研究。 1 3 研究这一课题的目的和意义 西南地区水资源丰富，水资源年内变化很大，分配不均，汛期径流量较 为集中，为了更好地防洪抗旱，为了更好地利用水资源，西南地区高原山区 建了许多水库。当洪水接近或超过水利工程的设计标准时，就有可能导致水 利工程失事，造成巨大的经济损失。大部分这类水库的主要特征是水库水位 很高，其主要作用是防洪、蓄水灌溉、发电和供水。以前对这一类水库泄水 隧洞的水流特性的研究较少，运用时主要采用经验公式，但由于这类水库的 泄水建筑物、渠道的运行条件和边界等都不完全相同，所以采用经验公式误 差较大，也不利于水库的安全运行、管理和水库的建设，这就使得对这种水 库水流特性进行系统科学地研究很有必要。 研究流量系数有利于过流能力的精确计算下泄流量，以便防洪时采取措 施，保证水库安全运行，但目前对流量系数研究仍不完善，主要对闸门前后 水流条件认识较模糊，也没有分类，以至在确定流量系数进行泄流能力计算 时误差较大。还有就是目前的流量系数公式仍不完善，正如我们开始作闸前 长有压段闸后为无压流的平板闸门泄水隧洞水流特性试验时，就选用南京水 科所所拟订的流量系数公式来计算下泄流量，该公式只能适用于闸前为短压 段的平板闸门，而对于前面有较长有压隧洞段的平板闸门不适用，其结果与 实测的流量相差很大。本文研究的流量系数只适用于闸前有长压进水口闸后 为自由出流的情况。正如毛昶熙在堰闸隧洞的泄流能力计算公式商榷 所说：泄流能力是决定堰闸隧洞等建筑物尺寸大小的一个必备数据，所以在 水力学中开展研究也最早，而且计算公式及其试验性流量系数均能从设计手 册中查用，似乎已不存在什么问题了。然而很多模型试验的结果却说明与设 第5 页 兰= 垩堑堡垦些堡玉查兰型土兰堡堡兰 计差距很大。例如5 0 年代治淮工程有不少闸都可省去1 3 孔，流量比设计大 2 0 左右，废黄河地涵试验结果比设计大4 0 5 0 ，可以缩减5 孔。南四湖二 级闸l3 4 孔可以减为7 8 孔p 1 。这说明由于水力条件比较复杂，影响水流特性 的因素较多，一般设计时很难考虑周全。所以对于特定的水工建筑物要具体 情况具体分析和解决，不能盲目地套用公式。 研究闸后水流流态的目的是为了确定闸后水流水力要素和型态，而目前 的水力学发展情况，对闸后水流流态的研究仅局限于闸前为低水头并不考虑 闸门槽影响的情况。工程上经常通过水面线来确定渠道边墙的高程以保证安 全过流，而对于无压洞则主要解决闸后隧洞的尺寸设计，避免水舌冲项情况 的发生。在高水头闸室闸门开度小于3 0 时，对于平板闸门由于水流受闸门 槽和垂直收缩的影响，闸后水流流态较为复杂，形成周围环境为大气的附壁 式射流，水流流速大，水舌形态呈抛物线状。因此无法采用目前计算水面线 的公式来计算。 研究高水头闸室闸门小开度水流特性有着重要的经济价值和实用价值， 它不仅为泄水隧洞的设计和施工提供科学依据和参考，也可以为水库建设的 商品化管理提供依据，对弥补目前国内外水力学关于高水头泄水隧洞水流特 性的不足都有重要意义。 6 昆明理工大学硕士学位论文 第二章试验简介 2 1 模型的设计 第二章试验简介 该模型是根据课题的主要研究任务，结合试验室条件，按照重力相似准 则( 佛洛德模型律) 设计1 ，并考虑阻力相似。模型为正态模型，几何比尺l ： 1 0 0 。模型设计中相关物理量的比尺如下： 模型几何比尺：丸= 1 0 0 流量比尺：厶= 置5 = 1 0 0 0 0 0 单宽流量比尺：九= 赴5 = 1 0 0 0 流速比尺：= 置5 = 1 0 糙率比尺：屯= 趔6 = 2 1 5 4 按照上述比尺即可进行模型和原型间的相互转换，模型糙率为 n 。= n 。，九= o 0 1 7 2 1 5 4 = 0 0 0 7 8 9 2 2 模型的制作及构成 该模型主要组成部分为水库、隧洞进口段、有压隧洞段、闸门段、无压 隧洞段。 隧洞进口段、有压隧洞段、闸门段由厚8 m m 的透明有机玻璃制作，由于 深孔闸门孔口的宽高比一般在i ：i 1 ：2 之间，本次试验中隧洞的尺寸选为 1 0 c m l o c m 的方形洞。对于隧洞进口段本次试验采用的是实际工程中常见的 喇叭口形式，上部曲线方程为i + 寺= l ，左右部位曲线方程为 蠢+ 寿= 1 ，x 、y 均为厘米制。有压隧洞段水平段不包括检修闸门槽长为 4 2 5 5 c m ，检修闸门槽尺寸和位置如图2 1 所示。 闸门采用平板闸门和弧形闸门两种形式，平板闸门水工模型的示意图如 图2 1 所示，弧形闸门水工模型示意图如图2 - 2 所示，在模型中间设置了法兰， 可方便换闸门的形式。 ；& 7 负 第二章试验简介 昆明理工大学硕士学位论文 在此丹开用洼兰连接 图2 - 1 平板闸门的模型形式示意图 图2 - 2 弧形闸门的模型形式示意图 对平板闸门研究了闸门槽的影响，在本次试验中研究三种不同宽深比的 闸门槽，尺寸如图2 - 3 所示。 一j 一 说明：图中单位为。 图2 - 3 平板闸门闸门槽的三种不同宽深比示意图 在有压隧洞段和闸门槽沿程布置了测压孔，以便测量沿程水头损失和动 水压力，在闸门前面也布置了测压孔以便计算闸门前的水头大小和动水压力。 l 一 一 in厂 昆明理工太学硪士学位论文 第二章试验简介 2 3 模型试验的工况确定和数据的测量 本次模型试验是研究高水头闸室闸门小开度下的水流特性。在本次试验 中水头的取值范围从05 m 到2 m ，根据几何比尺可知，模型中的05 m 到2 m 则为实际水头从5 0 m 到2 0 0 m ，因为在水利水电工程中一般以上下游水位差 5 0 m 以上者称为高水头水利水电工程，所以以5 0 m 为下限合理，对于2 0 0 m 的考虑是因为目前很多库水位都在此范围之内，超过2 0 0 m 一些水力学问题就 突显出来”，根据这个将2 0 0 m 以上的水头定为特高水头，所以2 m 定为试验 工况上限也是基本合理的。 在本次试验中库水位取了0 5 m 、1 m 、1 5 m 、2 m 四种工况。将3 0 以下 的闸门开度定义为小开度，在本次试验中取了开度为3 0 、2 0 、1 0 和5 的工况进行研究。 。 试验中主要测量库水位、闸后沿程水深、流速和动水压力。用测针和直 尺测量水深，测针测量水深的精度达到0 1 m m ，主要用来测量闸后收缩水深 和水舌特征点，直尺量测精度达到1 r a m ，主要用来量测水深较大的断面，如 闸后无压洞内沿程任意一点的水深，用测压管量测有压隧洞段内备点的动水 压力，其精度达到l m m ；用长江科学院研制的l s 一4 0 i d 直读式流速仪和毕 托管测量水舌各点的流速l i 2 l 。 为了便于计算，根据相关资料，有机玻璃的糟率取0 0 0 8 5 ，水泥的糟率 取0 0 1 l 。本试验在水库上游装有一三角量水堰，以便控制来水流量，在本试 验中流量的计算采用南京水利科学研究所拟订的三角堰公式m q = 1 3 3 h 24 ”。 还有一些具体的试验设备将在具体各章再做详细介绍。 还有一些具体的试验设备将在具体各章再做详细介绍。 神m 昆叫理工大学硕i ：学位论文第三章高水头下平板闸门小开度的水流特性研究 第三章高水头下平板闸门小开度的水流特性研究 醋前我蔺水电建设正囱河流的中一己游峡谷魄区发媵，困丽兴建海顼是不 可避兔的，实际上这也是世界水电建设的发展趋势。现在世界最高的水坝 苏联说赫什河上的罗贡( p o f y h ) 土石坝，其最大坝高己达3 2 5 m ，相应闸门的 设计最大拳头选3 0 0 m ”，强兹国内最离的水坝一一二摊电蛄双曲拱坝，其最 大坝商达2 4 0 m 。而从我国水资源的特点来看，水量年内分配很不均匀，汛期 蔼量避分集中，棼瀑簸瘩爨簸乏，瑟显窳量年鼯交弦瞧缀大，霹栽疆现连续 丰水期( 年) 和连续枯水期( 年) ，这就从客观上要求水利枢纽必须具备既能在汛 赣大捧大渣，又麓程秸期调控小流量豹辘力。舅外为了节省投资，常常不菇 设专供枯水期向下游供水的小流嫩泄水建筑物及设备，而是通过深礼泄洪隧 洞在秸期鞋闸门局部开启向下游供水”。 3 1 高水头下平板闸门小开度时流薰系数的研究 雷先按照常藏公式来诗算隧澜豹流鬃和本次试验溅褥静流量遴行眈较， 计算流量采用的是南京水潮科学研究所得出的平板闸门闸孔处流量系数公式 “q 算褥的，实测值采用的翘试验中所测襻的流黧值，现将闸门开度为1 0 时 闸门槽的宽深比为3 ：2g 寸的计算结果和实测结果比较如图3 1 。 瓣壁( m a s ) 0 。0 0 5 00 0 4 s 00 0 4 0 0 0 3 5 0 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 0 2 实测流量与计算流量的比较 计葬流整 实测流越 0 s0 70 91 11 。3 l ，5l ，7i g2 12 3 库柬救h ( m 捌3 - 1 实测滚量和计算流量的比较 出该图w 以看出，实溯流量与计算流量相灌甚大。我们始道流蹩系数怒 过流能力的一个综合反映，实测的流量和计算的流量楣差较大，也就是实测 的流麓系数和汁算的流量系数相差较大，说明目前的流量系数计算公式不能 第1 1 炎 一 一 一 - - _ _ 蜡越帖0 埔吼0 乱 第三章高水头下平扳闸门小开度的水流特性研究 昆删理工人学硕= t 学位论文 用来计算这种高水头下闸门小开度时的平板闸门闸孔处流量系数。那么这一 类的平板闸门闸孔处流量系数又该用什么样的公式来计算呢? 下面我们就从 基本概念入手来研究。 3 1 1 流量系数的基本概念和理论 流量系数表示某一堰闸在不同水位和不同过水断面面积的过流能力。目 前应用的公式其原理都是在闸门前后选取离闸门较近的两个渐变流断面建立 的能量方程和连续方程”6 1 ( 其原理图见图3 2 ) ： 口+ 警= 趣+ 筹帆 - ， q = v o a o = 匕4( 3 2 ) 其中为闸前水库水深，口。为闸门前后水流的动能修正系数。h c 为闸 门后水流收缩水深。令h + 专手2h 。，假定局部水头损失为“2 f 丢( 孝为局z g 2 譬 部水头损失系数) 则可以推出： p c = 0 4 2 9 c i - 4 - h , ( 3 3 ) 其中p 2 了霉零为闸后收缩水深的流速系数 设 吃= s e( 3 4 ) 其中占为水流过闸孔的垂直收缩系数，e 为闸门开度。又设胁= 占妒，b 垦型丝三查兰竺土堂些堡苎笙三里塑查兰! 兰堡型坚尘茎塞堕查堕鳖丝婴窒 称为宽顶堰型闸孔出流的基本流量系数。则可得 q = u o b e 莉= , u o b e j ，一嗉丽 ( 3 s ) 令铂j 卜嗉 则可推得q = , u b e x 2 9 h o ( 3 6 ) 即宽顶堰闸孔自由出流的流量系数，由试验来确定。目前没有统一的公 式求各类型的流量系数，也没有求流量系数的完整的理论公式，实际应用 中是根据各个堰闸的边界条件和设计水头h 。，利用现有的经验公式和曲线确 定流量系数。 3 1 2 平板闸门闸孔处流量系数研究的目前发展动态 目前对于流量系数的研究是根据试验数据拟定的公式和曲线，从现有研 究流景系数的方法和计算公式来看分为以下两类： 第一类闸前为短有压段。这类公式中主要考虑了水头日和闸门开度e 这两 个因素，当水头日和闸门开度e 一定时，该类公式的计算结果大致相同；第二 类闸前为长有压段，其考虑的因素除了与水头日和闸门开度e 这两个因素外， 还考虑了有压段断面形式和沿程水头损失。由于目前对这两类的研究大多数 是局限于低水头的情况下，而对高水头下平板闸门闸前有长有压段闸门小开 度时的流量系数研究较少，因而对此进行专门研究很有必要。 3 1 3 平板闸f - j t g 流条件的分类 平板闸门水流条件主要是指平板闸门闸前和闸后的水流条件。由于平板 闸门闸前闸后的水流条件对流量系数影响很大，目前对平板闸门闸前闸后的 水流条件的分类不是很明确，因此很有必要对其专门分类。 平板闸门闸前水流条件大致有两种，闸后的水流条件有两种。从闸后水 流条件分，有闸孔自由出流和闸孔淹没出流。从闸门前的水流条件分，可分 为长有压段闸孔出流和短有压段闸孔出流。 第1 3 班 销三章商水头下卜板闸门小开度的水流特性研究昆明理工大学硕士学位论文 上 _ u i 一一一一i ? l ；土一一 一。一 一 一 一j l。等。 j 一一 ( ，闸孔出流 i有长有压段闸孔出流 0r 厂 r 詈i 0 ( 二甫短有压段闸孔出流 圈3 - 3 平板闸r 圃孔出流不惹幽 闸前为有压隧洞段，在隧洞段内有一段水流流线为平行直线且该段流线 与闸门板垂直，即为长有压段：其形式见图3 3 ( b ) 。闸前为有压隧洞段， 但在隧洞段内水流流线不平行即为短有压段；其形式见图3 3 ( c ) 。 由于闸前闸后水流条件的不同，影响平板闸门闸孔处流量系数的因素不 同。平板闸门下缘的形状对流量系数也有影响，在一些水力学著作中有过论 述，如吴持恭编写的水力学“q 就介绍这方面的问题，关于平板闸门下沿 的形状图可见图3 4 。本论文研究的平板闸门下缘的形式是板下沿垂直水流为 9 0 0 ”，即图3 - 4 中的( a ) ，其闸前水流是长有压段，闸后为自由出流的水 流条件下的闸孔处的流量系数。 w 弓1 j j 毒r 。 j 一 ：。)( c ) ( d ) 图3 - 4 平板闸门常见闸门底缘外形 3 1 4 平板闸门闸前有长有压段闸后自由出流的流量系数的研究 本论文所研究的平板闸门闸前有长有压段闸后自由出流的流量系数的主 要影响因素有：库水位、隧洞高度、闸门开度和闸门槽宽深比。并且先通过 试验得到了高水头闸门相同小开度下三种闸门槽宽深比时的库水位h 一流量 q 关系曲线如图3 5 。 1 4 打y， 昆叫理工大学硕士学位论文 第三章高水头下平板闸门小开度的水流特性研究 吾 耋z 1 5 l o5 0 高水头闸门丰日同小开度不同闸门槽时的库水位h 一流量0 关系曲线图 闸门槽宽深比3 ：2 一闸门槽宽深比3 ：1 闸门槽宽深比2 ：2 q ( m 3 s ) 图3 - 5 高水头闸门相同小开度不同闸门槽时的库水位h 一流量q 关系曲线 从该图可知在相同水头下不同闸门槽宽深比对闸门流量影响也不同。无 闸门槽影响时的闸门小开度库水位h 一流量q 关系曲线如图3 - 6 。 库水位h 1 5 l o 5 0 闸门小开度无闸门槽时库水位h 一流量q 关系曲线 5 开度 l o 开度 2 0 。牙度 3 0 开度 o5l o1 5 q ( m - 3 i s ) 图3 - 6 高水头闸门相同小开度无闸门槽时的库水位h _ 流量q 关系曲线 在该模型试验中测量了如图3 - 7 的相关断面的试验数据，将闸前全水头、 隧洞高度、闸门开度三个因素的试验数据进行拟合。 本文中求高水头下平板闸门闸前有长有压段的闸孔处流量系数的思路 是：首先得到以闸前全水头：无闸门槽时的流量系数u ，通过试验得到高水 头下平板闸门无闸门槽时闸前水头h ：，隧洞洞高d ，闸门开度e 三个因素与 流量系数的关系，然后在此基础上考虑闸前有长有压段的沿程水头损失和 闸门槽水头损失，最后得到平板闸门闸前有长有压段的闸孔处流量系数i t ，。 第j 5 页 第三章商水头下平板闸门小开度的水流特性研究昆】理t 大学硕二l j 学位论文 _ r 卜| 0 i1 工l 斗一b 兰。j 根据水力学常用公式 q = b e 硒= - ( 3 8 ) 式中h 2 为2 - - 2 断面总水头，为在闸前全水头h ：无闸门槽时的流量系 数，b 为洞宽，e 为闸门开度。 根据( 3 8 ) 式，求得流量系数 。兰 (39)b 。 e 2 q 医h 2 、3 与袁、百d _ 、西e ( 。为隧洞洞高) 关系较大，根据试验结果利用 景 。，( 寺 与专线形拟合c 令u = 鲁 。，( 虽) ，丁= 毒，根据相 关系数调熬x 值，发现当x 一0 8 8 时相关系数最好，达到o 9 9 6 6 。 同时得到u = 0 6 4 8 2 t “”经变换得到公式为 = 。6 4 8 2 j h 0 0 驴7 5 1 e _ 0 0 4 4 9 ( 3 1 0 ) 根据( 3 8 ) 式 9 = b e2 x 2 瓦2 。 可得7 1 芝= h z = 日。一l 一_ ( 3 1 1 ) v 为闸门闸孔处平均流速，v 。为隧洞内平均流谏。 1 6 垦婴些三查兰堡圭堂垡兰塞 兰三里塞坐墨! 王堡塑塑尘堑堡塑查堕堑丝堡生 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 y = o 6 4 8 2 x o 9 5 5 0 0 0 10 0 200 30 0 40 0 j0 0 60 0 7 配s 脚“岱卜袁懈图 r 是水力半径，a 为断面面积，x 为湿周。对于本次试验r = a x = d 4 一，= 去- 善= a 去 云 2 丢 ( 3 1 2 ) _ 为进水口局部水头损失和检修闸门槽局部水头损失 ，= 善丢，善为进水 口局部水头损失系数和检修闸门槽局部水头损失系数之和，在试验中喇叭口 局部水头损失系数f = 0 0 5 检修闸门槽局部水头损失系数f = 0 3 铲吣s ：v a ；- j t = 0 3 5 妒专2 把( 3 1 2 ) 和(