泄洪洞弧形閘門動水啟門力試驗(yàn)及數(shù)值模擬

李澤同

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆葉城縣柯克亞鄉(xiāng)境內(nèi)莫莫克水利樞紐是所在流域—提孜那莆河上的主要控制性水利工程，擔(dān)負(fù)著流域日常防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電等任務(wù)。水庫屬于中型Ⅲ等規(guī)模，設(shè)計(jì)庫容9 200萬m3，其水電站總設(shè)計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到26 MW，年發(fā)電量均值達(dá)到0.77×108（kW·h）。該水利樞紐主要包括擋水壩、溢洪道、泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及廠房等建筑物。其中，泄洪沖沙閘為弧形工作閘門設(shè)計(jì)，閘門孔口長5.50 m、寬5.50 m，共1扇，總重69.24 t，其中門葉重24.31 t。該水利樞紐工程規(guī)模大，泄洪洞所承擔(dān)的洪水宣泄量在樞紐工程總洪水宣泄量中占比20%左右，且其弧形工作閘門孔口尺寸大、工作水頭高，按照動水啟閉，局部開啟的條件操作。工作閘門基本參數(shù)見表1。

表1 泄洪沖沙閘弧形工作閘門基本參數(shù)表

2 弧形閘門原型受力分析

以弧形閘門開啟為例，在其開啟過程中，閘門門體同時(shí)承受自身重力、止水摩擦力、動水壓力、啟閉力、支絞反力等的作用。弧形閘門開啟過程中實(shí)際受力情況具體見圖1。

圖1 弧形閘門開啟過程中實(shí)際受力簡圖

弧形閘門開啟過程中速度均勻，故其受力過程必須符合力矩平衡和力平衡條件。力矩平衡對于閘門支絞O而言，∑M（O）i=0，也即：

式中字母含義同規(guī)范。

式（1）中：Fq—閘門開啟過程中實(shí)際啟門力（kN）；G—閘門結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的重力（kN）；rq—啟門力對閘門支絞O作用的力臂（m）；rG—閘門結(jié)構(gòu)重力對閘門支絞O的作用力臂（m）；Mf—閘門開啟過程中支絞O所承受的止水摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩（kN·m）；MPf—閘門開啟過程中支絞O所承受的動水摩擦力的轉(zhuǎn)動力矩（kN·m）；支絞反力N和動水壓力PW通過支絞O的力矩為0。

結(jié)合弧形閘門開啟過程中實(shí)際受力簡圖，所列出的切向力及徑向力平衡方程如下：

式中字母含義同規(guī)范。

結(jié)合以上分析可以看出，該水利樞紐工程泄洪洞弧形閘門在開啟過程中任意時(shí)刻的啟門力必須大于閘門自身結(jié)構(gòu)自重所對應(yīng)的重力，才能順利開啟，為此必須深入分析以上分力的變動過程。其中，考慮到該水利樞紐泄洪洞弧形為廠家定制并采用標(biāo)準(zhǔn)鋼材生產(chǎn)，故其閘門自身結(jié)構(gòu)重力可視為已知，僅就止水摩擦力和動水摩擦力進(jìn)行分析計(jì)算。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

結(jié)合以上對弧形閘門開啟過程中受力情況的分析，在進(jìn)行模型試驗(yàn)的階段，必須進(jìn)行該弧形閘門模型止水摩擦力和動水摩擦力的準(zhǔn)確量測，但考慮到當(dāng)前測量技術(shù)水平方面的發(fā)展現(xiàn)狀，尚無這種準(zhǔn)確量測模型閘門止水摩擦力和動水摩擦力的水工測量儀器，采用類似的測量工具所測得的模擬結(jié)果也不具備可比性。為此，本研究將泄洪洞弧形水工閘門開啟過程中止水摩擦力和動水摩擦力分開研究：先量測不考慮弧形水工閘門止水摩擦力項(xiàng)的閘門實(shí)際啟門力，此種情況下式（1）可寫成：

式（4）中：F′q—不考慮止水摩擦力項(xiàng)的弧形閘門啟門力（kN）；其余參數(shù)含義同前。公式中閘門自身結(jié)構(gòu)重力已知，應(yīng)用拉壓傳感器進(jìn)行弧形閘門啟門力測量，以便間接得出動水摩擦力實(shí)際變動情況。

第二階段則進(jìn)行各止水部位動水壓力值的測量與分析，進(jìn)而計(jì)算弧形閘門開啟過程中所承受止水量及轉(zhuǎn)絞處實(shí)際摩擦力，該摩擦力為壓力與摩擦系數(shù)的乘積。

3.1 摩擦力

考慮到試驗(yàn)?zāi)康募艾F(xiàn)有試驗(yàn)條件，將模型比尺確定為10，并根據(jù)重力相似原則設(shè)計(jì)弧形水工閘門模型?？紤]到試驗(yàn)過程中對流態(tài)觀測方面的要求，主要應(yīng)用有機(jī)玻璃材料進(jìn)行水工閘門模型的制作，確保模型工作閘門和原型閘門結(jié)構(gòu)的相似性。試驗(yàn)開始后進(jìn)行原水工閘門止水摩阻力模擬的過程存在很大難度，故根據(jù)偏心絞偏心行程，預(yù)留出2 mm寬度的縫隙，避免水工閘門模型在運(yùn)行期間與頂框、邊壁等周圍結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦。此外，必須在閘門支絞結(jié)構(gòu)處加裝滾輪軸承以達(dá)到減緩或消除該部位摩擦的目的，提升模擬結(jié)果的精確度。

試驗(yàn)開始后，模型閘門和邊壁之間并無肉眼可見的射流現(xiàn)象發(fā)生，閘門自身結(jié)構(gòu)重力及其與止水間的摩擦力共同構(gòu)成閘門啟閉力，啟閉力受到模型閘門和邊壁間水流流態(tài)的影響很小，對啟閉力量測結(jié)果的不利影響可忽略不計(jì)。

3.2 啟門系統(tǒng)

采用1臺與原型閘門同結(jié)構(gòu)同操作原理的擺缸式液壓啟閉機(jī)進(jìn)行模型閘門啟門操作，油缸主要采用中部支承形式，支承點(diǎn)樁號和高程按照原型閘門確定，以確保模型閘門與原型閘門具備一致的啟門力。此外，還應(yīng)采用背壓系統(tǒng)進(jìn)行模型閘門啟門操作，保證閘門不受來流及啟門力的影響而穩(wěn)定勻速開啟。

3.3 測點(diǎn)布置

將1個(gè)性能型號均符合設(shè)計(jì)要求的拉壓傳感器增設(shè)在該弧形水工閘門模型液壓啟閉系統(tǒng)油缸和閘門連接桿的中部位置，主要進(jìn)行模型閘門開啟全過程中啟門力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)量測；此外，還應(yīng)將1個(gè)脈動壓力傳感器設(shè)置在水工模型閘門頂止水位置，主要用于模型閘門開啟過程中止水部位動水壓力的實(shí)時(shí)量測。在以上兩個(gè)量測過程中，通過拉壓傳感器和脈動壓力傳感器所采集、收集到的水工模型閘門啟門力、止水部位動水壓力等數(shù)據(jù)均經(jīng)過YD-28型動態(tài)應(yīng)變儀放大后，再由INV-306G型智能信號采集處理分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以上量測過程中采樣頻率和分析頻率應(yīng)按照100Hz和50Hz進(jìn)行設(shè)定和控制，采樣時(shí)間應(yīng)以水工模型閘門開啟時(shí)間及關(guān)閉時(shí)間之和為準(zhǔn)。

3.4 試驗(yàn)條件

以莫莫克水利樞紐工程上游庫水位為模型試驗(yàn)控制條件，進(jìn)行庫水位40 m、45 m、48 m時(shí)模型閘門啟閉力變動情況量測分析，其中閘門啟閉速度根據(jù)模型閘門開關(guān)門時(shí)間進(jìn)行換算：設(shè)計(jì)開門時(shí)間為8.70 min時(shí)，所得出的開門速度為0.01 m/s；設(shè)計(jì)關(guān)門時(shí)間為12.40 min時(shí)，所得到的關(guān)門速度0.01 m/s。

4 啟門力試驗(yàn)成果分析

4.1 不考慮止水摩擦力項(xiàng)的弧形閘門啟門力

因模型試驗(yàn)無法進(jìn)行原型閘門摩擦力模擬，故模型試驗(yàn)結(jié)果為不考慮止水摩擦下的閘門啟閉力，該試驗(yàn)結(jié)果僅與閘門自身結(jié)構(gòu)重力和面板所承受動水壓力有關(guān)。限于篇幅，只進(jìn)行最高設(shè)計(jì)水位下F′q的試驗(yàn)成果分析，具體結(jié)果見圖2所示。由圖可知，在最高設(shè)計(jì)水位下試驗(yàn)閘門啟門力隨開啟程度的增大而逐漸增大，但閘門開啟過程中重力力矩持續(xù)增大，啟門力對轉(zhuǎn)動中心力臂持續(xù)減小。

圖2 最高設(shè)計(jì)水位下F′q試驗(yàn)成果圖

圖3為水工模型閘門重力力矩啟門工況過程線，圖4為模型閘門啟門力力臂啟門工況過程線。在水工模型閘門開啟的過程中以及全部開啟后閘門門體自身結(jié)構(gòu)重力始終是影響啟門力的唯一因素，動水摩擦力對支絞轉(zhuǎn)動力矩等因素均不產(chǎn)生影響作用，即F′qrq=GrG，不同工況下閘門最大啟門力取值基本相等。因閘門門體遭受動水壓力不同而造成模型閘門開啟之初啟門力存在微小差異，這也體現(xiàn)出動水摩阻力對弧形水工閘門啟門力的影響并不大。

圖3 模型閘門重力力矩啟門工況過程線圖

圖4 模型閘門啟門力力臂啟門工況過程線圖

4.2 考慮止水摩擦力項(xiàng)的閘門啟門力

結(jié)合《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算水工弧形閘門啟門力：

式（5）中：nT—?jiǎng)铀Σ亮Π踩禂?shù)；TZ—止水摩擦力（kN）；r1—止水摩擦力對支絞的力臂（m）；TZr1—止水摩阻力矩（kN·m）；Tj—支絞摩擦力（kN）；r2—支絞摩擦力對支絞的力臂（m）；Tjr2—支絞摩擦力矩（kN·m）；nG—水工閘門啟門力計(jì)算時(shí)閘門結(jié)構(gòu)重力調(diào)整系數(shù)；G—閘門因自重而產(chǎn)生的重力（kN）；rG—閘門結(jié)構(gòu)重力的支絞力臂（m）；GrG—閘門結(jié)構(gòu)重力力矩（kN·m）；r3—閘門面板所承受的動水壓力切向分力的支絞力臂（m）；Pfr3—?jiǎng)铀Σ亮兀╧N·m）。

4.2.1 止水摩阻力矩

泄洪洞弧形閘門啟閉期間閘門處于持續(xù)后撤狀態(tài)，閘門所承受地埋件上壓緊式水封的摩阻力基本為零，然而為避免模型閘門和邊壁間縫隙發(fā)生射流，對設(shè)置于原型閘門門體的側(cè)止水和門楣轉(zhuǎn)鉸止水性能要求較高，開啟水工閘門的過程中要求其必須與相應(yīng)構(gòu)件發(fā)生摩擦，以增大啟門力。結(jié)合水工閘門實(shí)際運(yùn)行及止水工況，其摩阻力矩主要包括門楣處轉(zhuǎn)絞止水和側(cè)止水兩部分摩阻力，表示如下：

式（6）中：Tzc—側(cè)止水摩阻力（kN），其由止水橡皮預(yù)壓縮后所產(chǎn)生的摩阻力Tzc1和止水處動水壓力所引起的摩阻力Tzc2兩部分構(gòu)成，Tzc2=f1Pzc；Tzd—水工閘門頂部止水摩阻力（kN），Tzd=f2Pzd；f1、f2—水工閘門止水橡皮對鋼結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)值；Pzc、Pzd—作用于水工閘門側(cè)止水、頂止水的動水壓力值（kN）。水工閘門側(cè)止水處動水壓力值應(yīng)按照靜水壓力值近似確定，莫莫克水利樞紐工程泄洪洞弧形閘門在水位48 m工況下止水摩阻力矩TZr1的結(jié)果見圖5。根據(jù)分析，在閘門最初開啟時(shí)頂止水處動水壓力取最大值，隨著閘門開啟寬度的增大，頂止水動水壓力值持續(xù)減小；閘門門體開度大到80%后頂止水動水壓力降幅突然增大，直至閘門全開狀態(tài)后，頂止水動水壓力值降至零。

圖5 水位48m工況下止水摩阻力矩變動情況圖

側(cè)止水變動趨勢規(guī)律與頂止水摩阻力矩基本一致，也就是說當(dāng)泄洪洞弧形閘門達(dá)到全開狀態(tài)后側(cè)止水與頂止水摩阻力全部降至零，所對應(yīng)的摩阻力矩也歸零。

4.2.2 支絞摩擦力矩

泄洪洞弧形閘門在轉(zhuǎn)動過程中支絞處也存在一定摩阻力，其測算及表示公示如下：）

式（7）中：f3—支絞處摩擦系數(shù)，本工程取0.08；N—支絞反力（kN）。閘門啟門工況下支絞反力過程線詳見圖6。根據(jù)分析，在泄洪洞弧形閘門開啟過程中，支絞反力和支絞摩阻力均呈減小趨勢，且支絞反力主要與閘門面板承受的徑向動水壓力有關(guān)。當(dāng)閘門開啟時(shí)，動水壓力持續(xù)減小，故支絞反力隨之降低。

圖6 閘門啟門工況下支絞反力過程線

4.2.3 動水摩擦力矩

通過動水摩阻力體現(xiàn)該水流樞紐工程泄洪洞弧形閘門啟門全過程中水流對閘門運(yùn)動所施加的阻力，動水摩阻力矩Pfr3主要由閘門啟門力推求，公式如下：

式中字母含義同上。

將庫水位取48 m時(shí)泄洪洞弧形閘門動水摩阻力矩計(jì)算結(jié)果繪制在圖7中，結(jié)合最終得到的試驗(yàn)結(jié)果，在泄洪洞弧形水工閘門開啟之初其所對應(yīng)的動水摩阻力矩取最大值，隨著開度的增加，動水摩阻力矩持續(xù)下降，到最終的483 s時(shí)刻該弧形水工閘門動水摩阻力矩歸零，該結(jié)果與根據(jù)啟門速度設(shè)計(jì)值所計(jì)算的閘門底緣離開水體的時(shí)間基本吻合。

圖7 最大水位工況下泄洪洞弧形閘門動水摩阻力矩圖

將以上所分析出的止水摩阻力矩TZr1、支絞摩擦力矩Tjr3及動水摩擦力矩Pfr3結(jié)果代入式（5）可以得出最高庫水位工況下泄洪洞弧形閘門啟閉力實(shí)際值，結(jié)果詳見圖8，因?yàn)榇嬖谀Σ亮Φ挠绊?，故所求出的啟門力和不考慮摩擦力情況下試驗(yàn)啟門力變動趨勢規(guī)律并不相同，實(shí)際工況下，啟門力最大值出現(xiàn)在弧形閘門開啟之初，為1 638 kN；隨著閘門開度的增大，止水摩擦力逐漸減小，閘門底緣離開水面時(shí)啟門力大到最小值1 113 kN；此后在閘門持續(xù)提升的過程中，啟門力因啟門力力臂的減小而增大，閘門啟閉力實(shí)際值也增大。

圖8 最高庫水位工況下弧形閘門啟閉力實(shí)際值圖

5 結(jié)論

綜上，泄洪洞弧形閘門在啟門過程中受力情況較為復(fù)雜，常規(guī)閘門受力計(jì)算方式很難用于衡量泄洪洞弧形閘門啟門受力狀態(tài)。研究采用水工模型量測不考慮摩擦力項(xiàng)的弧形閘門啟門力，在此基礎(chǔ)上分析了閘門受力情況并計(jì)算出原型閘門啟門力變動趨勢特征。該泄洪洞弧形閘門閉門力的分析與啟門力分析過程基本一致，限于篇幅，故省略。莫莫克水利樞紐工程泄洪洞弧形閘門原型安裝完畢后無水調(diào)試結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求；次年，在上游水位1 894.00 m條件下進(jìn)行了事故檢修閘門靜水啟門試驗(yàn)，閘門啟門運(yùn)行穩(wěn)定，無卡阻，沖水閥也升降自如，水封無泄漏，弧形閘門設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。