高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性的研究.pdf

分类号型! !密级 u d c 鲤!编号 中国水利水电科学研究院 学位论文 高水头平面事故闸门动水关闭 水动力特性及门槽水力特性研究 学位类别 工学博士 学科专业 水力学及河流动力学 作者姓名童晋雄 指导教师吴一红张东曹以南 中国北京 - - 0 - - - - 年- 图书分类号码 t v l 3 u d c l6 2 6 密级 博士学位论文 指导教师( 职称、学位、单位名称)昱二红熬直虫国盔型盔血型堂砑窒医 副导师( 职称、学位、单位名称)韭丕熬直虫国丞到盔电型堂婴究瞳 申请学位级别 蝗 专业名称 盔力堂壁泣速动力堂 论文提交日期 至q ! 墨年上, e l 生日论文答辩日期至q 】墨年生月上坠e l 学位授予单位和1 3 期虫国丞型丞电型堂盟窒暄 答辩委员会会主席 评阅人 2 0 1 3 年4 月2 8 日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立进行 研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。 尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人 已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国水 利水电科学研究院或其它教育机构的学位或证书等而使用过的材 料。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 蓊难粥难 旷 似 日 c 一 邶 凌 月佯 扣 w 芬 u 钾 口甲 ) 艄 豸a 摘要 泄水建筑物的事故平面闸门担负着紧急情况下动水下闸、防止事故扩大的重任， 闸门动水关闭的可靠性直接影响工程的泄水安全。在事故平面闸门的动水关闭过程 中，闸门水动力荷载受闸门体型、作用水头及流速、启闭速度及通气等诸多因素的影 响而难以准确把握，设计荷载产生偏差时容易导致闸门启闭机容量不足或闸门不能正 常关闭等问题。当闸门体型设计不良时闸底产生水流分离导致的压力波动，可能会带 来闸门振动的不利影响。随着高水头平面闸门日益增多，闸门的水动力特性更加复 杂，其运行可靠性问题更加突出。因此研究高水头闸门复杂的水动力特性，分析闸门 体型及水力参数对闸门水动力荷载的影响，是高水头平面闸门工程设计和应用急需解 决的问题。 本文针对高水头平面闸门动水关闭的水动力特性问题，首先结合典型事故平面闸 门的模型试验分析了闸门动水关闭水流及水动力荷载的变化特征；在物理模型试验及 原型观测结果验证数值模拟方法的基础上，系统深入的研究了闸门水头、底缘体型及 启闭速度等参数和闸门水动力荷载的影响关系，分析了高速水流对闸f - 1 7 t 动力特性的 影响和异形门槽的水力特性，提出了闸门体型和水力参数的设计建议。本文所取得的 主要创新性成果概括如下： ( 1 ) 首次结合物理模型试验及原型观测结果，研究了适合高水头平面闸门动水关 闭水动力荷载的数值模拟方法。数值模拟结果的精度能够满足工程设计的需要，为高水 头闸门动水关闭的水动力荷载的计算和研究提供了一个新途径。 ( 2 ) 首次系统深入研究了平面事故闸门上游底缘倾角、厚度、运行水头及启闭速 度等参数对闸门上托力的影响。揭示了运行水头对闸门上托力的影响规律，给出了闸门 最小上托力系数随上游底缘倾角线性增大的关系，提出了闸门底缘压力随底缘厚度减 小而降低的影响关系，对闸门上游底缘倾角及厚度的取值给出了建议，为高水头闸门的 工程设计和相关闸门规范的修订提供了参考依据。 ( 3 ) 首次系统研究了下游底缘倾角及上、下游水头参数对闸门下吸力的影响。研 究表明闸门底缘的下吸负压随着上游水头的增加而增大，现行规范推荐的下吸力强度设 计值仅适用于低水头的闸门，为高水头平面事故闸门下吸力强度取值的调整和修订提 供了依据。给出了闸门下吸力系数和淹没水头系数的定量关系，为高水头闸门下游底 缘及水力参数设计提供了科学依据。 ( 4 ) 首次深入研究了异形门槽及斜交门槽的水力特性，分析了异形布置对门槽水 力空化特性的影响，研究了斜交门槽有效宽深比的增大效应，提出了异形门槽体型设 计参数的建议。 关键词：平面事故闸门高水头水动力特性异形门槽 a b s t r a c t t h ee m e r g e n c yp l a n eg a t et a k e sa ni m p o r t a n tt a s ki nt h eo p e r a t i o no fd i s c h a r g e s t r u c t u r e s ，s i n c ei th a st ob ec l o s e dd o w ni na n ye m e r g e n th y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n ss oa st o p r e v e n tt h ea c c i d e n te x p a n d i n gf u r t h e r t h e r e f o r e ，t h eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo ft h ee m e r g e n c y g a t e w i l l d i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo ft h ep r o j e c t i n t h ep r o c e s so fg a t ec l o s u r ei n h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh y d r o d y n a m i cl o a d so nt h eg a t ea r eo f t e n d i f f i c u l tt ob ee s t i m a t e da c c u r a t e l y ，a f f e c t e db ym a n yf a c t o r ss u c ha st h eg a t ep r o f i l e ，t h e w a t e rh e a d ，t h ef l o wv e l o c i t y ，t h ec l o s i n gs p e e da n dt h ea e r a t i o n t h i sw i l le a s i l yl e a dt ot h e p r o b l e m st h a tt h ed e s i g nc a p a c i t yo ft h eg a t eh o i s ti si n s u f f i c i e n to rt h a tt h eg a t ec a n n o tb e c l o s e dd o w ns a t i s f a c t o r i l y i na d d i t i o n ，i ft h eg a t ep r o f i l ei sp o o r l yd e s i g n e d ，t h ef l o w s e p a r a t i o nm a yo c c u ro nt h eg a t eb o t t o me d g e ，a n dt h e nt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n sm a yb r i n g n e g a t i v ei n f l u e n c es u c ha sg a t ev i b r a t i o n s s i n c et h en u m b e ro fh i 曲一w a t e r - h e a dp l a n eg a t e s i si n c r e a s i n g ，t h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a t e sa r eg e t t i n gm o r ec o m p l e xa n d t h e i ro p e r a t i o nr e l i a b i l i t yi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e c o m p l e xh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g h - w a t e r h e a dp l a n eg a t ea n dt os t u d yt h e i n f l u e n c eo fg a t ep r o f i l ea n dh y d r a u l i cp a r a m e t e r so nh y d r o d y n a m i cl o a d s i ti sac r i t i c a l i s s u et h a tn e e d st ob es o l v e di nt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fc u r r e n th i g h - - w a t e r - - h e a dp l a n e g a t e s i nt h i sp a p e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wn e a rt h eg a t e ，a sw e l la sh y d r o d y n a m i cl o a d s o nt h eg a t e ，a r es t u d i e di nt h ep r o c e s so fg a t ec l o s u r eb a s e do nt h em o d e lt e s t so ft w ot y p i c a l e m e r g e n c yp l a n eg a t e s w i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt h a th a sb e e nv e r i f i e db yt h e r e s u l t so fm o d e lt e s t sa n dp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n s ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nh y d r o d y n a m i cl o a d s a n ds o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h ep r o f i l e ，t h ew a t e r - h e a da n dt h ec l o s i n gs p e e do ft h eg a t e ， a r ea n a l y z e di nv a r i o u sc o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c eo fh i g h - v e l o c i t yf l o wo nt h eh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a t ei sa n a l y z e d ，a n dt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n o m a l o u sg a t e s l o ta r ea l s os t u d i e d s o m es u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e df o rt h ed e s i g no ft h eg a t ep r o f i l ea n dt h e h y d r a u l i cp a r a m e t e r s t h em a i ni n n o v a t i v er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 an u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hi ss u i t e df o rt h es t u d yo fu n s t e a d y a i r w a t e r t w o - p h a s ef l o wi nt h ep r o c e s so fg a t ec l o s u r e ，i sp r o p o s e df i r s t l y t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sh a v e b e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dp r o t o t y p eo b s e r v a t i o nd a t a i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da n dt h ep r e c i s i o no f t h er e s u l t sc a nm e e tt h en e e d so fp r o j e c td e s i g n t h e r e f o r e ，an e ww a yi sp r o v i d e df o rt h ec a l c u l a t i o na n dr e s e a r c ho fh y d r o d y n a m i cl o a d so n l l i g h - w a t e r - h e a dp l a n eg a t e 2 t h er e l a t i o n sb e t w e e nh y d r o d y n a m i cl o a d sa n dv a r i o u sp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ea n g l e a n dt h i c k n e s so fu p s t r e a mg a t eb o t t o me d g e ，t h ew a t e rh e a da n dt h ec l o s i n gs p e e d ，a r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yf o rt h ef i r s tt i m e t h ec h a n g eo ft h eu p l i f tf o r c e 、析t hv a r i o u sw a t e rh e a d so n t h eg a t ei sr e v e a l e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i n i m u mc o e f f i c i e n to ft h eu p l i f tf o r c ew i l l i n c r e a s el i n e a r l yw i t ht h ea n g l ea n dd e c r e a s ew i i t ht h ed e c l i n eo ft h et h i c k n e s so ft h eu p s t r e a m g a t eb o t t o me d g e t h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sa b o u tt h ea n g l ea n dt h i c k n e s so ft h eg a t ea r e r e c o m m e n d e d ，w h i c hc a np r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o r t h ep r o je c td e s i g na n dt h er e v i s i o n o fc u r r e n tr e l e v a n ts p e c i f i c a t i o n sf o rh i g h w a t e r h e a d p l a n eg a t e s 3 t h er e l a t i o n sb e t w e e nd o w n p u l lf o r c ea n dv a r i o u sp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ea n g l eo f d o w n s t r e a mg a t eb o t t o me d g e ，a n dt h eu p s t r e a m d o w n s t r e a mw a t e rh e a d ，a r es t u d i e df i r s t l y i nd e t a i l s i ti ss h o w nt h a tt h em a x i m u m n e g a t i v ep r e s s u r eo ng a t eb o t t o me d g ew i l li n c r e a s e w i t ht h eu p s t r e a mw a t e rh e a da n dt h ei n t e n s i t yo fd o w n p u l lf o r c er e c o m m e n d e db yt h eg a t e s p e c i f i c a t i o n s ( 2 0k p a ) c a no n l yb eu s e df o rt h eg a t eu n d e rl o ww a t e rh e a d t h i sp r o v i d e sa b a s i sf o rt h ea d j u s t m e n ta n dr e v i s i o no fe x i s t i n g s p e c i f i c a t i o n sa b o u tt h ei n t e n s i t yo f d o w n p u l lf o r c ei nh i g h - w a t e r - h e a dp l a n eg a t e s i nv i e wo fd o w n s t r e a ms u b m e r g e dw a t e r h e a do nt h eg a t e t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o e f f i c i e n to fd o w n p u l lf o r c ea n dt h a t o ft h es u b m e r g e dw a t e rh e a di s p r o p o s e d t h er e s u l t sp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h e h y d r a u l i cd e s i g no fh i g hw a t e r - h e a dp l a n eg a t ew i t hd o w n s t r e a mg a t eb o t t o me d g e 4 t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n o m a l o u sa n ds k e wg a t es l o t sa r es t u d i e d d e t a i l e df i r s t l y t h ei n f l u e n c eo nh y d r a u l i ca n dc a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb yt h e l a y o u to f a n o m a l o u ss l o ti sa n m y z e d t h ee f f e c td u et ot h ei n c r e a s i n gr a t i oo ft h ew i d t ha n dd e p t ho f t h es k e ws l o ti ss t u d i e d s o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e na b o u tt h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h e a n o m a l o u sg a t es l o t k e yw o r d s ：e m e r g e n c yp l a n eg a t e ；h i g hw a t e r - h e a d ；h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ； a n o m a l o u s g a t es l o t 第1 章 1 1 1 2 1 3 目录 绪论1 引言1 选题背景及研究意义4 高水头平面闸门动水关闭及门槽水力特性研究进展6 1 3 1 闸门水动力作用荷载6 1 3 2 平面闸门动水关闭的水动力特性研究进展8 1 3 3 高水头平面闸门门槽水力学特性研究进展1 0 1 4 主要研究内容和创新点1 2 1 4 1 主要研究内容1 2 1 4 2 主要创新点1 3 第2 章高水头平面闸门水动力特性模型试验研究1 4 2 1 m i c a 电站进水口事故闸门和小湾底孔事故闸门简介1 4 2 1 1m i c a 电站进水口事故闸门1 4 2 1 2小湾底孔事故链轮闸门1 4 2 1 3m i c a 电站进水口和小湾底孔事故闸门的特点1 5 2 2 m i c a 电站迸水口事故闸门的动水关闭试验1 5 2 2 1试验模型设计和布置1 6 2 2 2m i c a 电站事故闸门动水关闭的试验结果2 0 2 2 3降低闸门竖向水力荷载的底缘体型修改试验3 0 2 3 小湾底孔事故链轮闸门的动水关闭试验。3 5 2 3 1模型设计和布置3 5 2 3 2闸门动水关闭的水力特性3 9 2 4 ，j 、结4 7 第3 章平面闸门动水关闭过程的水动力数值模拟4 9 3 1 闸门动水关闭的水动力数学模型及数值方法4 9 控制方程5 0 自由表面v o f 模型5 1 数值计算方法5 2 动网格方法5 2 计算域及网格的划分5 4 边界条件5 6 初始条件5 8 闸门动水关闭水动力特性的数值模拟5 8 1 2 3 4 5 6 7 1 l l 1 l 1 1 1 l 1 l 3 3 3 3 3 3 3 3 2 1m i c a 电站进水口事故闸门动水关闭的模拟分析5 8 3 2 2小湾底孔事故闸门动水关闭的数值模拟分析6 2 3 3 小结6 6 第4 章上游底缘倾角闸门的水动力特性数值模拟分析6 8 4 1闸门底缘体型及水力运行参数6 8 4 2 运行水头对闸门底缘上托力的影响6 8 4 2 1计算工况6 9 4 2 2不同运行水头下闸门底缘压力计算结果6 9 4 2 3上游水头对闸门上托力系数的影响分析7 1 4 3 上游底缘倾角对闸门上托力的影响7 5 4 3 1计算工况7 5 4 3 2不同上游底缘倾角体型闸门的上托力7 5 4 3 3闸门倾角对底缘上托力系数的影响7 8 4 4 上游底缘厚度对闸门上托力的影响。8 0 4 4 1 4 4 2 4 4 3 4 5 高水头对闸门上游底缘头部压力的影响8 6 4 6 闸门启闭速度对闸门上托力的影响9 1 4 7 复杂底缘体型下闸门的水动力荷载计算9 2 4 7 1折线型和底缘导圆角形式闸门的压力特性9 2 4 7 2底缘开孔型式下闸门竖向水荷载的计算9 4 4 8小结9 8 第5 章下游底缘倾角闸门的水动力特性数值模拟分析9 9 5 1 闸门下游底缘倾角体型及运行水头参数9 9 5 2 下游底缘倾角及上游水头对闸门下吸力的影响9 9 5 2 1不同下游底缘倾角对闸门下吸力的影响1 0 0 5 2 2不同上游水头对闸门下吸力的影响1 0 2 5 3 尾水淹没条件对闸门底缘下吸力的影响1 0 5 5 3 1闸门底缘体型及计算工况1 0 5 5 3 2不同淹没水头下闸门底缘的下吸力1 0 6 5 3 3闸门底缘的下吸力系数1 0 8 5 4 d 、1 2 1 0 9 第6 章链轮闸门异形门槽水力特性研究1 1 1 踟 叭 踮 果 一 一结 一 一算 一 一计 一 一力响一压影一缘的一底数一门系一闸力一下托 一度上 厚对一缘度一底厚况游缘工上底算同游 计不上 6 1 链轮闸门的异型门槽结构体型i i i 6 2 异形门槽水力学数值模拟计算1 1 2 6 2 1门槽湍流数值模拟方法 6 2 2计算域、网格及边界条件 6 2 3模型的验证 6 2 4异型门槽数值计算分析 6 3异形门槽体型参数优化分析1 2 5 6 3 1异形门槽体型参数1 2 5 6 3 2不同异形墩头长度下异形门槽压力计算1 2 5 6 4 ，j 、当；1 2 8 第7 章结论和展望1 3 0 参考文献1 3 2 发表论文及科研情况1 3 6 致谢1 3 8 2 2 4 6 1，1i 1 1 1 1 1 1 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 泄水闸门是水利水电工程泄水建筑物的控制“咽喉”，泄水建筑物中通常设有工作 闸门、事故闸门和检修闸门。事故闸门是指泄水建筑物或相关设备发生事故时使用的 闸门，一般要求在动水条件下关闭而截断水流；检修闸门是指泄水建筑或相关设备检 修时使用的闸门，一般在静水条件下启闭。平面( 板) 闸门作为事故和检修闸门的主要 应用类型，在泄水孔、泄洪洞及引水发电流道中得到广泛应用，特别是流道中的事故 闸门担负着紧急情况下动水下闸、防止事故扩大的重任，因此直接关系着泄水建筑物 运行的技术可行性和安全可靠性【l 也】。 对泄水及引水建筑物的平板闸门而言，闸门的工作水头、孔口面积与总水压力是 反映闸门水平的主要指标( 1 ，6 j 。在我国上世纪六、七十年代，水电工程的坝高在百米量 级【3 】，工程中( 如八盘峡、刘家峡等) 事故平板闸门的设计水头一般低于7 0 m ( 见表 1 1 ) 。在八十年代后，随着水电工程坝高的增加，我国龙羊峡、东江、漫湾等工程泄 水孔事故平板闸门的挡水水头已达1 0 0 m 左右 4 1 。进入二十一世纪后，我国水电事业进 入新的发展阶段，在西南及西部地区高坝大库不断涌现，坝高量级已达3 0 0 m ，如已建 成的二滩双曲拱坝坝高2 4 1 m ，正在建设中的锦屏一级和小湾电站的坝高分别达3 0 5 m 和2 9 2 m ，此外我国在建3 0 0 m 量级的高坝还有的溪洛渡、糯扎渡等大型水利水电工 程，这些工程的泄水建筑物都具有高水头、大流量的特点，其事故闸门的设计水头已 大大超过1 0 0 m ( 见表1 2 ) ，如小湾电站底孔中事故链轮平面闸f - jr 8 】的设计承压水头高 达1 6 0 m ，闸门动水关闭的操作水头达1 0 6 m ，闸门孔口尺寸为5 m x l 2 m ( 宽高) ，总 水压力超过1 0 0 m n ，其设计和应用水平已达到世界前列。在国外，高水头闸门的应用 也较广泛【2 , 5 1 1 ，典型的如法国谢尔邦松的深孔平板门，其设计水头达1 2 6 m ，总水压力 达8 4 3 m n ；巴西伊泰普深孔定轮平板闸门的挡水水头为1 4 0m ，孔口面积达1 4 7 4 m 2 ，总水压力达1 9 9 8 m n 。在加拿大m i c a 大坝中，电站进水口平板事故闸f - jr 8 】的孔 口尺寸为宽5 2 5 8 m x 高6 7 0 6 m ，最高水头达7 1 5 m 。 从国内外事故平面闸门的发展趋势来看，随着高库大坝的建设，事故平板闸门的 1 第1 章绪论 应用水头越来越高。在高水头及高流速的运行条件下，闸门的动水关闭及门槽空化等 水力学问题非常突出，闸门的体型及水力学性能是否良好，高水头条件下闸门能否正 常动水关闭，都是高水头闸门设计及运用所关注的焦点问题5 ，6 1 。 表1 1 我国上世纪早期投入运行的事故平面闸门 孔口尺寸( m ) 设计水头 工程名称闸门应用类型支承形式 ( 宽高) ( m ) 八盘峡泄洪闸事故检修门 1 0 92 4 滚轮 龚咀底孔事故门 5 1 0 55 6 履带 脊锅峡发电引水洞事故门 4 5 82 6 滚轮 密云发电引水洞事故门 3 5 4 64 4 5 滚轮 刘家峡泄水道事故门 3 9 87 0 滚轮 石泉泄洪事故门 1 l 1 2 92 3 尼龙滑道 云峰( 吉林)泄水孔事故门 5 3 77 0 胶木滑道 山美( 福建)泄水孔事故门 4 5 5 56 6 5 胶木滑道 枫树坝( 广东)进水口事故门 4 65 5 8 胶木滑道 陈村( 安徽)底孔事故门3 6 5 6 5 9 胶木滑道 拓溪进水口事故门 5 5 7 04 0 胶木滑道 表1 2 国、内外投入运行和正在建造的部分高水头事故平面闸门 孔口尺寸( m ) 设计水头总水压力 工程名称闸门应用类型支承形式 ( 宽高) ( m )( m n ) 龙羊峡底孔事故门 5 9 51 2 06 5 4 链轮 东江放空底孔事故门 6 8 91 1 58 l 链轮 漫湾冲沙底孔事故门 5 6 9 8 3 1 8 链轮 天生桥一级放空洞事故门 6 8 91 2 07 3 5 链轮 二滩中孔事故门 5 2 1 1 89 05 7 1 链轮 2 第1 章绪论 三峡深孔事故门 9 1 l 8 5 6 5 定轮 锦屏一级放空底孔事故门5 1 2 4 21 3 38 3定轮 小湾放空底孔事故门 5 1 21 6 01 0 0链轮 溪洛渡深孔事故门 5 2x1 4 1 41 1 08 1 定轮 加拿大m i c a进水口平板事故 5 2 6 6 77 1 52 5 定轮 电站闸门 法国谢尔邦松电站深孔平板门 7 9 71 2 68 4 3 履带式 巴西伊泰普深孔平板闸门 1 0 x 1 41 4 01 9 9 8 定轮 平面闸门的优点是在顺水流方向所占有的空间尺寸较小，闸门启闭装备的构造也 相对简单。闸门门叶可移出孔口而有利于检修和维护，泄水孔的孔数较多时还能做到 - i l 多用，因此在泄水建筑物进水口通常采用平面闸门作为事故或检修闸门。平面闸 门按照挡水位置一般可分为深孔( 潜孔式) 和表孔闸门( 露顶式) ，按照支承型式又可 分为滑道式、定轮式、链轮式三种门型。在深孔、泄洪洞及电站引水流道等水工建筑 物中，事故平板闸门的典型布置形式如图1 1 。 图1 1 泄水深孔事故平板闸门的典型布置形式 事故平面闸门底缘的型式对闸室流态及闸门启闭力有重要影响。平面闸门底缘一 般可分为下游倾角、上游倾角和上、下游组合倾角三种型式( 见图1 2 ) 。对于在动水 中操作的平面事故闸门，一般要求保证闸门上游底缘受到正压力作用，避免水流发生 3 第1 章绪论 分离而脱离底缘。闸门底缘产生过大负压和较大的压力波动，不仅影响闸门启闭力， 严重时可能会导致门叶发生振动，甚至导致闸门发生空蚀破坏。我国水电钢闸门设计 规范1 9 】规定：“对于部分利用水柱的平面闸门，其上游倾角不应小于4 5 0 ；“平面闸 门下游底缘倾角应不小于3 0 0 ，当不能满足要求时应采取适当补气措施”。由于设计规 范主要根据低水头闸门特点给出相关建议，对于目前工程中操作水头超过l o o m 的平面 事故闸门是否适用还存在疑虑，高水头条件下闸门( 底缘) 体型布置的合理性、高速水 流对闸门水动力特性的影响以及门槽空化等问题，需要进行系统深入的研究，以满足 目前高水头闸门设计和运用的迫切需求。 阻皿人 ( a ) 下游底缘型式( b ) 上、下游倾角组合型式( c ) 上游倾角型式 图1 2 平面闸门的底缘型式 1 2 选题背景及研究意义 随着高坝大库不断涌现，泄水及引水建筑物闸门的设计水头越来越高，不少事故 平板闸门的操作水头高达l o o m 以上。当闸门设计布置或选型不当，造成在事故情况下 不能紧急关闭，带来的后果将十分严重，事故不仅会影响工程使用和威胁工程的泄水 安全，甚至可能给下游带来生命财产损失。国内关于闸门由于启闭机设计容量不足而 酿成事故的事例早有报道，如水口水电站溢洪道【1 0 】的事故检修闸门，该闸门为定轮闸 门，孔口净宽1 s i n ，在设计水位的闸门动水关闭试验中，由于持住力大大超过原设计 值，造成了门机卷扬机构超负荷破坏。在当前高水头闸门的应用逐渐增多的情况下， 闸门水动力特性更加复杂，闸门启闭力的影响因素多，高水头下闸门的运行可靠性及 第1 章绪论 安全问题就更加突出，因此深入研究高水头闸门动水关闭的水动力荷载及启闭力问题 就显得尤为重要。 在事故平面闸门的动水关闭过程中，闸门门体水动力荷载受闸门体型、作用水 头、流速、启闭速度及通气和补气等诸多因素的影响，变化非常复杂，目前还很难通 过理论进行准确计算，一直是闸门水力设计及研究的重点和难点 1 l - 1 4 】。水流流经闸门 底缘时，闸门底缘的形状显著影响过闸水流流线，水流和闸门底缘之间的相互作用十 分敏感，流态变化会改变闸门的水力荷载，致使闸门水力荷载的性质及量值大小常常 不能准确把握。平面闸门水动力荷载是合理设计启闭机容量，也是保证闸门正常运行 的基础资料，当对闸门下吸力荷载估计偏小时，就可能导致启闭机设计容量不足；当闸 门上托力荷载计算不准时，可能引起闸门不能正常关闭。另外当闸门体型设计不良， 如闸门底缘倾角和门体特征尺寸配合不当时，在闸门底缘因水流分离而导致的压力波 动会引起闸门的振动，过大的负压也可能导致闸门发生空化的风险。 以往针对闸门水动力荷载及启闭力的问题，在低水头条件下研究的较多，且现行 事故平板闸门启闭力计算的相关规范【9 j 中，闸门的底缘体型设计和水动力荷载计算也 主要参照水头相对较低的闸门动水关闭试验成果。对于目前日益增多的高水头平面闸 门，闸门作用水头及过流流速大幅增加，高速水流影响下闸门水动力荷载的变化特征 更加难以估计，与低水头闸门相比，高水头闸门的上托力及下吸力等荷载系数可能发 生变化，参照现有规范或以往经验设计时就会带来较大的偏差。另外，高速水流对闸 门体型更加敏感，闸门底缘更容易出现水流分离而引起压力波动。因此对于高水头事 故平面闸门，研究闸门动水关闭的复杂水动力荷载特性，研究高速水流对闸门水动力 特性的影响，不仅是当前高水头闸门设计和应用急需解决的问题，也是现代闸门水动 力学研究的重要课题之一。本文将针对高水头事故平面闸门动水关闭的水动力特性问 题，采用数值模拟和物理模型试验及原型观测相结合的方法，系统研究闸门体型及水 头等参数和闸门水动力荷载的关系，分析高速水流对闸门水动力特性的影响，为高水 头平板闸门的工程设计和运行提供科学依据和技术支持。 为适应工程布置需要，目前门槽型式逐渐多样化，如工程中适应坝体布置而采用 的斜交门槽以及链轮闸门的异形门槽 1 1 , 1 2 ( 如小湾底孔链轮闸门) 。与常规门槽相比， 异形门槽及斜交门槽的水力及空化特性相对复杂，其中斜交门槽可能会导致门槽漩涡 气 第l 章绪论 特性变化，异形墩头对门槽空化特性影响也不明确。随着闸门门槽的作用水头不断增 加，高速水流带来的门槽空化空蚀问题会更加突出。因此，高水头闸门异形门槽及斜 交门槽对门槽水力空化特性的影响是高水头闸门设计急需解决的问题，也是本文的主 要研究工作之一。 1 3高水头平面闸门动水关闭及门槽水力特性研究进展 平面闸门水动力荷载及启闭力特性一直是闸门水力设计和研究的重点内容。本节 介绍了作用在闸门上的水动力荷载，总结了高水头平面闸门动水关闭水动力特性的研 究进展和趋势。 1 3 1 闸门水动力作用荷载 影响平面闸门启闭力的因素很多，主 要有闸门自重、动水作用力、摩擦力及因 启闭加速度引起的惯性力等。在闸门设计2 6 】 中，一般将启闭力进行力系分解为：门体 重力、门顶水柱压力、底缘上托力及下吸 力、水平推力及摩擦力，在分析各项分力 的特性和内在联系基础上，再根据力系平 衡原理进行启闭力的计算分析。 事故平板闸门一般匀速关闭，惯性力 可以忽略。因而在闸门的动水关闭过程， 闸门的闭门持住力与门顶水柱压力、底缘 上托力( 或下吸力) 、摩擦力及门体重力构 成一个平衡力系，其作用力系构成见图 1 3 ，其中： 1 ) 闸门门顶水柱压力矿 当闸门采用下游止水型式时，闸门关 闭过程中就在门顶形成水柱压力，从而增 6 图1 3 闸门上的作用力系示意图 1 _ 第1 章绪论 大闸门的闭门力；对于上游止水型式闸门，闸门处于大开度且门后为满流流态时，门 井水位的存在同样在门顶产生一定的水柱压力。 2 ) 闸门底缘上托力只或下吸力只 闸门底缘上托力或下吸力与底缘型式及门后水流转换过程相关。 对于仅有上游底缘倾角的闸门( 见图1 2 c ) ，闸门启闭过程中底缘上一般呈 上托力： 对于仅有下游底缘倾角的闸门( 见图1 2 a ) ，闸门启闭过程中水流作用在底 缘水力荷载形式与门后流态转换相关，当门后为满流时一般呈上托力；当门后 为明满流或明流时，由于底缘处可能的水流分离和水流吸气影响，在闸门底缘 上作用力会转换成下吸力，且下吸力大小与底缘脱流形态和补气是否充足相关； 当底缘设计为前后均为锐角型式时( 见图1 2 b ) ，底缘上的上托力和下吸力 需分开计算。 3 ) 闸门上、下游面板上的压力、及水平推力峨 闸门上、下游面板上的压力和差值为作用在闸门上的水平推力峨，是计 算闸门运行摩擦力的水力荷载，表达式为： 峨= 一 ( 1 - 1 ) 4 ) 摩擦力t 闸门摩擦力主要指支撑行走系统( 滚轮、链轮等) 和止水水封摩擦两部分，在闸门 水平推力荷载作用下，摩擦力表达式为： t = 峨+ ( g g + g 。) s i n o f ( 1 - 2 ) 其中：为综合摩擦系数，0i 甲qi 7 门井与铅垂线夹角，闸门门槽铅直型式时 o = 0 0 。 5 ) 闸门重量g 闸门结构自身的重量，有时会加以配重g ，采用拉杆形式时还应计