大型人字門水動力特性綜合研究*

李 云，劉本芹，陳 瓊

(南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

船閘工作閘門按結構形式可劃分為人字閘門、三角閘門、一字閘門、橫拉閘門、平面閘門和弧形閘門等。人字閘門因具有耗用鋼材少、運轉靈活、能封閉大尺度孔口等優(yōu)點，成為船閘設計中采用最普遍的閘門形式[1-3]。船閘運行時人字門啟閉頻繁，幾乎終年不間斷地運轉，其性能及其運行安全問題與水動力學特性密切相關[4]。大型人字門具有平面尺度大、擋水水頭高、淹沒水深大等特點，人字門開、關門初期及末期的啟閉力和動水阻力矩將成倍增加，顯著增大啟閉設備的設計與制造難度；此外，船閘輸水和樞紐運行也會導致人字門存在反向水頭，使其存在發(fā)生漂移的外部條件及可能性，進而影響船閘安全，可見大型人字門啟閉運行條件十分復雜。本文依托大藤峽水利樞紐船閘工程，針對其下閘首人字門設計布置及運行水動力特性開展綜合研究，支撐工程設計與建設，推動學科發(fā)展[5-6]。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐是一座以防洪、航運、發(fā)電、水資源配置為主，結合灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程，樞紐建筑物主要包括泄水、發(fā)電、通航、擋水、灌溉取水及過魚建筑物等。大藤峽船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×5.8 m(長×寬×門檻水深)，設計最大水頭40.25 m，是我國實際運行水頭最高的單級船閘。大藤峽船閘下游通航水位變幅達20.49 m，下閘首單扇人字門寬度為20.2 m，高度為47.50 m，門體質量約1 170 t，屬于特大型閘門。最大擋水高度為46.05 m，最大淹沒水深為26.29 m。就人字門的尺寸、設計水頭、淹沒水深、運行條件而言，大藤峽船閘人字門的技術規(guī)模已超過世界上已建船閘的人字門。

大藤峽船閘下閘首人字門由門葉、支承、止水以及其他部分組成。人字門位于關門位置時，門扇軸線與船閘橫軸線的夾角采用22.5°，人字門旋轉中心位置向支撐反力作用線上游方向的偏離值為100 mm，旋轉中心至支承點在合力線上的投影距離為900 mm，門軸柱支承點伸入閘墻面的距離為1 662 mm，人字門啟閉設備為2×3 200 kN直聯(lián)式液壓啟閉機。人字門門扇下游背面設有預應力背拉桿裝置，用于提高門體抗扭剛度，減小閘門運行時門扇發(fā)生過大的翹曲變形。人字門及啟閉機的平面布置見圖1。

圖1 人字門及啟閉機平面布置(單位：mm)

2 人字門門庫邊界條件

影響人字門水動力特性的門庫邊界條件主要有門底間隙和門庫體型，它們直接影響閘門過流流態(tài)，尤其在啟閉開始階段及結束階段更為明顯[7]。為便于描述，定義“門位”來表示人字門啟閉過程所處的位置。如圖2所示，當人字門處于全關位時，門位為0；當人字門處于全開位時，門位為1；當人字門啟閉過程處于全關位與全開位之間時，根據(jù)門體運動旋轉角度不同，其門位為0～1之間的某個數(shù)。

圖2 門位

2.1 門底間隙

門底間隙的大小影響水流通過底部的通暢與否。不同門底間隙下人字門啟閉過程動水阻力矩曲線見圖3。對比結果說明：1)人字門開、關門過程的動水阻力矩峰值隨門底間隙的增大相應減?。?)開門階段，門底間隙對開門初期的動水阻力矩峰值影響較為明顯；3)關門階段，關門末期的動水阻力矩峰值對門底間隙大小更為敏感；4)門底間隙由2.5 m繼續(xù)增大時，動水阻力矩峰值降低幅度減緩。因此，從降低人字門啟閉運行動水阻力矩峰值的角度分析，門底間隙設置為2.5 m較為合理。

注：C-1.0表示門底間隙為1.0 m。圖3 不同門底間隙情況下動水阻力矩計算曲線

2.2 門庫體型與布置

門庫體型及尺寸關系到人字閘門啟閉運行初、末期的水流流暢與否，進而影響動水阻力矩峰值。從門庫深度、全開位門頭距上游閘墻的尺度以及局部連接形式等方面，對比分析圖4中的6種門庫體型，其中體型1為原設計方案，體型2～6為5種優(yōu)化方案。優(yōu)化體型在體型1的基礎上進行了局部布置調整，并將門庫深度由最初的0.64 m逐漸增加至2.5 m，體型6進一步改變了人字門門庫與上、下游邊墻的連接方式，由垂直連接調整為圓弧連接。

圖4 6種門庫體型(單位：m)

6種不同門庫體型下的人字門運行動水阻力矩峰值如表1所示。當門庫深度由0.64 m增加至2.50 m時，人字門開、關門初期和末期的動水阻力矩峰值均有較大幅度的下降。其中，當門庫深度由0.64 m增加至1.50 m時，各階段人字門動水阻力矩峰值分別降低4.1%、46.2%、28.0%和43.1%；當由1.50 m繼續(xù)增加至2.50 m時，各階段人字門動水阻力矩峰值進一步分別下降2.6%、7.5%、18.1%和6.4%，下降幅度明顯變小。此外，在門庫深度同為1.50 m的條件下，門庫與上下游閘墻的連接方式由垂直連接調整為圓弧連接后，各階段人字門動水阻力矩峰值相應下降了1.8%、4.7%、5.0%和4.4%。

表1 6種人字門門庫體型的動水阻力矩峰值

通過6種門庫體型的比較分析認為，為了便于人字門運行時門體兩側的水體交換，大型人字門門庫邊墻與門體之間應具有一定的深度，該深度宜取1.50 m。同時，門庫與上、下游邊墻的連接方式宜采用圓弧連接。該體型及布置可有效降低動水阻力矩峰值，有利于人字門啟閉機安全可靠運行。

3 人字門水動力特性及啟閉方式

采用幾何比尺為1:20的人字門及啟閉機聯(lián)動物理模型，試驗研究大型人字門運行水動力特性及啟閉運行方式。圖5為人字門啟閉機活塞桿勻速運動和變速運動對應的閘門角速度理論曲線。當啟閉機勻速運行時，人字門并不作勻速運動，閘門的角速度過程線是兩端大、中間小的凹形曲線，實際運行中閘門須在較短時間內達到某一角速度，其角加速度會非常大；當啟閉機變速運行時，在運行始、末階段有加速和減速過程，初始和末了的角速度有所減小，角加速度也會相應減小，在啟閉時間相同的前提下，變速時間越長，啟閉機活塞桿加速度越小，相應的閘門角加速度也越小。

圖5 人字門啟閉機活塞桿勻速與變速運行時的角速度理論曲線

圖6為典型運行方式下的角速度理論曲線與模型試驗實測曲線對比。不論勻速開啟還是變速開啟，人字門運行角速度變化過程線與理論計算曲線都吻合較好，所建立的物理模型較為可靠。

圖6 典型運行方式下的角速度理論與實測曲線對比

3.1 啟閉力特性

勻速運行時，人字門開啟過程中，由于閘門及活塞桿在開門初期存在加速過程，要在很短的時間內達到某一運行速度，必然產生很大的加速度，導致開門初期產生較大啟門力。人字門關門過程中，在關門初和關門末受啟閉機活塞桿突然加速及減速影響而存在閉門力峰值，受門庫邊界條件及啟動控制影響導致勻速關門初期的閉門力略大。隨著勻速啟閉時間的延長，相應活塞桿勻速運動的速度減小，始、末階段的加速度隨之減小，因而啟閉力峰值也相應降低。當人字門啟閉機采用勻速3～6 min啟閉閘門時，開門初啟門力峰值在1 234～764 kN，關門末閉門力峰值在1 398～997 kN。

變速運行方式下，人字門的啟閉門力峰值比勻速運行顯著降低，最大啟閉力出現(xiàn)在開門初和關門末，且關門末的閉門力峰值大于開門初的啟門力峰值。人字門采用3 min啟閉時，不同變速時間下的最大啟門力在577～531 kN，最大閉門力在880～849 kN。

圖7表明，勻速運行開門初和關門末的啟閉力峰值與閘門啟閉時間基本呈線性關系，變速運行開門初和關門末的啟閉力峰值與變速時間呈線性關系，均隨時間的延長而減小。

圖7 人字門運行啟閉力峰值與時間的關系

3.2 動水阻力矩特性

人字門啟閉機活塞桿做勻速運動時，動水阻力矩變化過程線是一個兩端大、中間小的馬鞍形曲線，在開門和關門的瞬時都產生一個較大的阻力矩峰值，且關門階段大于開門階段。動水阻力矩峰值隨著人字門勻速啟閉時間的增大而減小，閘門角加速度與活塞桿勻速運行的速度大小密切相關，初始角速度與角加速度與活塞桿的初始速度及加速度成正比。當閘門勻速啟閉時間由3 min延長到6 min時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值分別降低38%、15%、41%和29%。圖8顯示，開門初和關門末的動水阻力矩峰值隨勻速啟閉時間的增大而基本呈線性減小趨勢。

圖8 人字門運行動水阻力矩峰值與時間的關系

與相同啟閉時間下的勻速運行相比，一級無級變速運行的動水阻力矩峰值明顯降低。3 min運行時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值最大降低幅度分別為56%、23%、68%和39%；5 min啟閉運行時開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值最大降低幅度分別為63%、15%、62%和43%。在啟閉時間一定的條件下，動水阻力矩峰值隨著變速時間的增大而呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢。啟閉時間為3 min，變速時間由45 s延長至75 s時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值降低幅度分別為8%、3%、9%和4%；啟閉時間為5 min，變速時間由60 s延長至120 s時，開門初、開門末、關門初和關門末各階段的動水阻力矩峰值降低幅度分別為17%、4%、2%和5%。變速運行在啟閉時間一定的條件下，開門初和關門末的動水阻力矩峰值隨變速時間的增大而呈現(xiàn)圖8中的線性緩慢減小變化特性。

3.3 人字門啟閉運行方式

由圖9中的人字門門位過程線可知，變速運行方式下的門位過程線在啟閉始末兩端加減速過程變化比較平緩，而勻速運行方式的門位過程線近似一條直線，始末兩端的變化與中間時段規(guī)律相同。由圖10中的人字門啟閉過程角速度曲線可知，變速運行方式下的人字門角速度也相應存在加速和減速過程，與勻速運行相比，啟動角加速度降低，使得閘門前進方向水位壅高和相反方向水位下降所形成的門體前后波動水位差減小，同時減小了閘門與水體的慣性阻力矩。

圖9 人字門的門位過程線

圖10 人字門啟閉過程的實測角速度曲線

根據(jù)模型試驗結果，推薦大藤峽船閘人字門啟閉機采用不對稱的一級無級變速啟閉方式。具體為：開門總時間為3 min，開門初增速時間90 s，開門末減速時間60 s；關門總時間為3 min，關門初增速時間60 s，關門末減速時間90 s。該運行方式下的啟閉力及阻力矩峰值見表2，人字門動水阻力矩曲線見圖11，啟閉機最大驅動力為775 kN，最大動水阻力矩為4 345 kN·m。

圖11 推薦方式下的人字門動水阻力矩曲線

表2 推薦運行方式下的人字門啟閉力和動水阻力矩峰值

4 人字門漂移對策

船閘人字門只能承受單向水頭，在受到反向水壓的作用時，閘門啟閉機會受到較大推力，當啟閉機持住力小于反向水壓力時，會出現(xiàn)閘門漂浮移動現(xiàn)象。船閘運行中發(fā)生動態(tài)漂移故障不僅會影響自動程序的正常運轉，在關閥保護程序失效或出現(xiàn)電氣故障的情況下，還有可能會產生十分嚴重的后果，甚至會導致事故的發(fā)生[8-9]。

分析可知，人字門漂移故障的影響因素主要包括外力因素(風力、涌浪、往復流、船行波、水位變化等外部條件變化引起的作用于人字閘門上的反向水壓力)、環(huán)境因素(如水體中的雜物夾在人字門上導致其無法合攏，氣溫的變化導致閘首結構熱脹冷縮發(fā)生變形等)、內部因素(人字門液壓啟閉機油缸因制造質量、設計缺陷等產生的內外泄漏)、液壓系統(tǒng)正向持住力設計不足(人字門關終停機后啟閉機油缸無桿腔未能產生足夠的背壓，正向持住力不足以抗衡外力的反作用)等幾大方面。

通過研究船閘充、泄水時的慣性水頭變化規(guī)律，以及船閘充泄水、電站調峰和大壩調洪等樞紐不同調度運行工況下的人字門附近非恒定流波動特性及反向涌浪特征指標，并模擬反向涌浪作用下的人字門漂移特性物理模型試驗，研究提出大藤峽船閘應對人字門漂移的綜合措施如下：1)采用“平水開啟人字門+動水關閉輸水閥門”的啟閉方式。2)電站調峰流量最大變率不超過“2臺機組滿發(fā)流量/30 min”，控制只有1臺機組發(fā)電基流基礎上的負荷增長速度(每30 min增加1臺機組)，并加強水位監(jiān)測；非正常情況下的電站甩負荷操作運行，應視具體情況采取緊急應對方案，確保船閘及人字門安全。3)汛期通航條件下，大壩泄洪最大流量變率不大于3 500 m3/(s·h)。4)調峰、調洪期間若船閘不運行，應向閘室灌入一定水體，使其與下游水位之間存在5～8 m的水頭，以此通過水壓力壓住下閘首人字門。5)人字門關終位反向水頭0.20 m對應的上、下閘首水壓力分別為1 929、2 223 kN，反向水頭0.25 m對應的上、下閘首水壓力分別為2 414、2 782 kN，啟閉機設計容量滿足持住力要求。6)液壓系統(tǒng)方面，選用合理的高壓持住力回路和保壓回路，盡量選用內泄漏量小的錐閥；制造安裝及使用過程中，確保管道油路及所有零部件的清潔。7)電氣程序自動控制方面，裝設全套檢測設備，采用絕對值的位移傳感器使兩扇閘門在運行過程中盡量保持同步，人字門關終位的反向水頭不大于0.20 m時，通過啟閉機持住力抵抗反向水頭作用力，大于0.20 m采取安全退讓措施，船閘輸水過程發(fā)生人字門關終信號丟失時應關閉輸水閥門，輸水末期得到人字門前后水位齊平信號瞬間發(fā)出開閘信號。

5 結語

1)采用數(shù)學模型研究大型人字門門庫邊界條件對動水阻力矩峰值的影響，確定門底間隙宜取2.5 m，人字門全關位與門庫邊墻的距離宜取1.5 m，門庫與上下游閘墻宜采用圓弧連接方式。

2)大型人字門啟閉運行水動力特性物理模型試驗研究表明：勻速運行開門初和關門末動水阻力矩峰值隨啟閉時間的延長而基本呈線性減小趨勢；變速運行在啟閉時間一定的條件下，開門初和關門末動水阻力矩峰值隨變速時間的延長而呈現(xiàn)線性減小變化特性；隨著開門初和關門末人字門運行角加速度的增大，動水阻力矩峰值呈線性增大趨勢；大藤峽船閘人字門優(yōu)化運行方式下，在最大淹沒水深26.29 m平水啟閉人字門時，最大啟閉門力為775 kN，啟閉機能力有較大富余，可適當減小啟閉機設計容量。

3)從船閘運行方式、電站調峰、樞紐泄洪等方面提出應對人字門漂移的運行規(guī)則，從人字門啟閉機液壓系統(tǒng)和電氣自動控制方面，提出應對大型人字門漂移的設計對策。