犍為船閘輸水廊道體形比選試驗(yàn)研究*

吳禮國(guó)，嚴(yán)秀俊，李泳龍，徐 紅，陳 林，王敬鵬

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017；2.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

自葛洲壩船閘建設(shè)開(kāi)始，隨著船閘水頭的提高，閥門工作條件對(duì)保障船閘正常運(yùn)行愈來(lái)愈重要，由此開(kāi)始進(jìn)行閥門水力學(xué)專題研究。針對(duì)不斷興建的高水頭船閘，結(jié)合國(guó)內(nèi)外船閘運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采取了多種措施抑制閥門空化，如快速開(kāi)啟、增大閥門處廊道淹沒(méi)水深、優(yōu)化閥門段廊道體形等，取得了顯著效果。鑒于閥門段廊道體形是影響閥門段空化特性的主要因素，在我國(guó)高水頭船閘建設(shè)中，水口等船閘采用了“廊道頂部突擴(kuò)結(jié)合側(cè)面突擴(kuò)”的形式，沙溪口船閘采用了“底部突擴(kuò)結(jié)合側(cè)面突擴(kuò)”的廊道形式；廣西紅水河上的大化、樂(lè)灘(原名惡灘)船閘，門后廊道體形為“平底平頂形式”，而三峽船閘中間級(jí)廊道采用“底擴(kuò)結(jié)合頂漸擴(kuò)”廊道形式。

對(duì)于船閘輸水閥門水力學(xué)問(wèn)題，一般可通過(guò)物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和原型觀測(cè)等3種方式進(jìn)行研究和驗(yàn)證。閥門水力學(xué)物理模型試驗(yàn)從最初的閥門恒定流常壓水力學(xué)模型試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近30多年的努力，發(fā)展到目前的非恒定流常壓水力學(xué)模型試驗(yàn)[1]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)學(xué)模型在閥門水力學(xué)研究中逐漸得到廣泛應(yīng)用，特別是閥門段流場(chǎng)的計(jì)算在閥門段廊道體形的比選中作用愈來(lái)愈突出。在三峽船閘中間級(jí)閥門水力學(xué)[2]研究中，對(duì)閥門后廊道頂擴(kuò)和底擴(kuò)體形，采用大渦模擬方法對(duì)門后非恒定流流場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)計(jì)算，揭示了船閘非恒定流閥門段急變分離流復(fù)雜的流態(tài)特征。針對(duì)三峽船閘[3]末級(jí)閘首超長(zhǎng)泄水廊道輸水閥門存在的特殊水力學(xué)問(wèn)題，采取一維與二維數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法計(jì)算各種條件下的閥門段流態(tài)及廊道水動(dòng)力特性，揭示門后廊道明滿流演變機(jī)理。在嘉陵江草街[4]和烏江銀盤船閘[5]中，利用二維數(shù)值模型對(duì)閥門后突擴(kuò)廊道體形進(jìn)行優(yōu)化研究，由于船閘水力學(xué)領(lǐng)域原型與模型存在明顯的縮尺效應(yīng)，原型觀測(cè)和調(diào)試是對(duì)理論及模型試驗(yàn)研究的重要補(bǔ)充和驗(yàn)證。向祎[6]對(duì)閥門后上下突擴(kuò)體形廊道的摻氣水流的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

我國(guó)對(duì)原型觀測(cè)及調(diào)試十分重視，萬(wàn)安二線[7-8]、葛洲壩1、2、3號(hào)[9]、三峽船閘[10]、長(zhǎng)洲三四線船閘[11]、大藤峽[12]等船閘建成后均進(jìn)行了原型觀測(cè)及調(diào)試。通過(guò)原型觀測(cè)和調(diào)試一方面綜合論證船閘輸水系統(tǒng)性能及閘、閥門工作條件；另一方面，根據(jù)原型情況優(yōu)化和調(diào)整船閘運(yùn)行方式，及時(shí)解決調(diào)試中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，進(jìn)一步提高了船閘的通過(guò)能力。胡亞安[12]等對(duì)三峽船閘輸水閥門的啟閉力特性進(jìn)行研究，認(rèn)為啟閉機(jī)容量和閥門自重可以滿足動(dòng)水開(kāi)啟和關(guān)閉的要求。

相關(guān)研究表明[13-14]，若采用平頂平底廊道體形且在滿足輸水時(shí)間前提下，這些船閘均將發(fā)生較強(qiáng)空化，為此，提出了不同形式的突擴(kuò)方案，采用突擴(kuò)體形，一方面可顯著增加閥門后廊道水流壓力，減小門后廊道壁面水流壓力脈動(dòng)，降低閥門臨界空化數(shù)等，從而避免發(fā)生空化或減弱空化強(qiáng)度；另一方面，即使閥門底緣發(fā)生空化，而突擴(kuò)體可形成超空化結(jié)構(gòu)，將空化區(qū)限制在突擴(kuò)體水流內(nèi)部，減弱空泡潰滅時(shí)的沖擊壓力，對(duì)廊道邊壁起到保護(hù)作用。由于原模縮尺效應(yīng)，以及三維突擴(kuò)體存在多處邊界轉(zhuǎn)折，閥門底緣及突擴(kuò)體邊界仍存在一定程度空化。另外，突擴(kuò)廊道體形在平面上擴(kuò)大和收縮，增大了施工難度。

嚴(yán)秀俊等[15-16]已從閥門防空化的角度出發(fā)，采取門楣自然通氣的措施很好地解決了所選廊道體形的安全性，本文依托犍為船閘的非恒定流常壓模型試驗(yàn)，通過(guò)閥門廊道段動(dòng)水載荷特性及閥門啟閉力特性等各項(xiàng)指標(biāo)的綜合對(duì)比，進(jìn)行“底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體形+反弧門”與“平底頂漸擴(kuò)廊道體形+反弧門”的優(yōu)選研究。

1 工程背景

岷江犍為航電樞紐工程是岷江高等級(jí)航道建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)性工程，船閘等級(jí)為Ⅲ級(jí)，建設(shè)規(guī)模為220 m×34 m×4.5 m(有效長(zhǎng)度×有效寬度×門檻水深)，可通航2×1 000 t級(jí)船隊(duì)，單向年通航能力為1 474.67萬(wàn)t。

犍為船閘是目前我國(guó)采用閘墻長(zhǎng)廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)規(guī)模最大、水力指標(biāo)最高的船閘，最大工作水頭達(dá)19.0 m，屬中高水頭大型船閘，相關(guān)水力指標(biāo)較高，加之其上、下游水位變幅較大，閥門水力學(xué)問(wèn)題是該船閘水力設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵的技術(shù)難題之一。

船閘輸水系統(tǒng)主廊道尺寸為4.0 m×5.0 m，閥門處廊道尺寸為4.0 m×4.2 m。閥門水力學(xué)常壓模型試驗(yàn)第1階段對(duì)適應(yīng)較高水頭的“頂部突擴(kuò)+底部突擴(kuò)”廊道體形進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，見(jiàn)圖1a)。第2階段采用“平底+頂部漸擴(kuò)”的廊道形式，廊道頂部采用漸擴(kuò)形式，漸擴(kuò)比1:10，廊道斷面由4.2 m漸擴(kuò)至5.0 m，充水閥門下檢修門井距離閥門井23.9 m，閥門后廊道體形見(jiàn)圖1b)。

圖1 模型試驗(yàn)廊道形式(單位：m)

2 模型與測(cè)點(diǎn)布置

利用充水閥門非恒定流常壓模型，重點(diǎn)研究動(dòng)水壓力、啟閉力特性，動(dòng)水關(guān)閉工況下閥門段廊道水動(dòng)力荷載，開(kāi)啟速率及作用水頭對(duì)水動(dòng)力荷載及啟閉力特性影響等問(wèn)題，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。廊道底布置15個(gè)脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)，廊道頂布置10個(gè)脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)，采用高精度拉壓傳感器測(cè)量啟閉力。

圖2 脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水動(dòng)力特性

開(kāi)度n=0.4時(shí)不同廊道體形廊道頂時(shí)均壓力分布對(duì)比見(jiàn)圖3，底擴(kuò)頂擴(kuò)體形由于升坎出口抬升壓力作用，典型開(kāi)度廊道頂最低壓力水頭比平底漸擴(kuò)體形高1.2 m左右。n=0.7時(shí)不同廊道體形廊道頂脈動(dòng)壓力對(duì)比見(jiàn)圖4，底擴(kuò)頂擴(kuò)體形由于流態(tài)順暢，典型開(kāi)度廊道頂對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力相對(duì)較小。

圖3 n=0.4不同廊道體形廊道頂時(shí)均壓力水頭分布

圖4 n=0.7不同廊道體形廊道頂脈動(dòng)壓力水頭均方根值分布

n=0.3時(shí)不同廊道體形廊道底時(shí)均壓力對(duì)比見(jiàn)圖5，底擴(kuò)頂擴(kuò)體形由于升坎出口抬升壓力作用，典型開(kāi)度廊道底對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)最低壓力水頭比平底漸擴(kuò)體形高7.0 m左右。n=0.6時(shí)不同廊道體形廊道底脈動(dòng)壓力對(duì)比見(jiàn)圖6，底擴(kuò)頂擴(kuò)體形由于流態(tài)順暢，剔除跌坎射流區(qū)，廊道底最大脈動(dòng)壓力比平底漸擴(kuò)體形低0.8 m左右。

圖5 n=0.3不同廊道體形廊道底時(shí)均壓力水頭分布

圖6 n=0.6不同廊道體形廊道底脈動(dòng)壓力水頭均方根值分布

3.2 動(dòng)水閉門閥門段廊道水動(dòng)力荷載特性

從提高船閘安全運(yùn)行的可靠性出發(fā)，輸水閥門應(yīng)能在任意開(kāi)度事故停機(jī)和緊急動(dòng)水關(guān)閉，這類工況下閥門及閥門段廊道所承受的水動(dòng)力荷載是應(yīng)予以關(guān)注的技術(shù)參數(shù)。閥門井水位HW和門后壓力的計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：H2為閥門井水位；H1為上游水位；ξ1、ξ2分別為閥門前后輸水系統(tǒng)阻力系數(shù)；v為閥門處廊道斷面平均流速；g為重力加速度；dv/dt為流速增率；Pc/γ為閥門后收縮斷面處廊道頂部的壓力水頭；HT為船閘上游水位與閥門后廊道頂部的差值；μn、Hn、ξvn′分別為開(kāi)度n時(shí)的流量系數(shù)、上下閘室水位差、閥門阻力系數(shù)；L′、L″分別為閥門前后廊道慣性換算長(zhǎng)度；α為閥門前后廊道擴(kuò)大比。

閥門承受的作用水頭為：

(3)

由式(3)可知，在高水頭、大流量條件下，閥門動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，水流慣性作用dv/dt發(fā)生驟變，廊道水流呈現(xiàn)負(fù)水擊波特性，導(dǎo)致閥門上游廊道壓力迅速上升，而門后廊道壓力下降，閥門承受的作用水頭增大，閥門工作條件趨于惡化。閥門前后壓力的升降程度取決于閥門開(kāi)啟和關(guān)閉速率tv1、tv2，閥門啟閉間隔時(shí)段Δt和閥門關(guān)閉開(kāi)度n。

定義Kf=ΔH/H0為閥門水動(dòng)力荷載系數(shù)，其中ΔH為閥門承受的作用水頭；H0為閥門初始作用水頭。

不同廊道體形下門體動(dòng)水荷載對(duì)比見(jiàn)圖7，顯而易見(jiàn)，不同開(kāi)啟方式下，平底頂漸擴(kuò)體形廊道的門體動(dòng)水荷載都大于底擴(kuò)頂擴(kuò)體形。

圖7 不同廊道體形下門體動(dòng)水荷載

3.3 閥門啟閉力特性

除空化特性、防空化措施及水動(dòng)力荷載是船閘設(shè)計(jì)和建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題外，船閘輸水閥門啟閉頻繁，工作條件復(fù)雜，保證閥門系統(tǒng)的可靠性及啟閉的靈活性也是設(shè)計(jì)人員極為重視的問(wèn)題，而閥門啟閉力直接關(guān)系到閥門結(jié)構(gòu)和啟閉機(jī)容量的設(shè)計(jì)。

圖8a)為閥門以tv=240 s速率開(kāi)啟全開(kāi)時(shí)，平底頂漸擴(kuò)及底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體形的閥門凈動(dòng)水啟門力過(guò)程線對(duì)比，2種廊道體形的閥門最大凈動(dòng)水啟門力相當(dāng)，但閥門最大凈動(dòng)水啟門力發(fā)生的開(kāi)度不同，底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體形最大凈動(dòng)水啟門力發(fā)生在n=0.2～0.3，平底頂漸擴(kuò)廊道體形最大凈動(dòng)水啟門力發(fā)生在n=0.5～0.6。且如前文所述，平底頂漸擴(kuò)廊道閥門后廊道頂壓力脈動(dòng)大于底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道，其啟門力脈動(dòng)幅值也較大。

圖8b)為閥門以tv=240 s速率開(kāi)啟全開(kāi)，再以tv=180 s速率關(guān)門時(shí)，為平底頂漸擴(kuò)及底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體形的閥門凈動(dòng)水閉門力過(guò)程線對(duì)比，2種廊道體形的閥門最大凈動(dòng)水閉門力相當(dāng)，底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體形最大凈動(dòng)水閉門力發(fā)生在n=0.2～0.3，平底頂漸擴(kuò)廊道體形最大凈動(dòng)水閉門力發(fā)生在n=0.5～0.6。

圖8 閥門凈動(dòng)水啟閉力過(guò)程線

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)閥門廊道段動(dòng)水動(dòng)力載荷特性及閥門啟閉力特性等各項(xiàng)指標(biāo)的分析，綜合對(duì)比了底擴(kuò)頂擴(kuò)和平底頂漸擴(kuò)2種廊道體形的不同特性。

2)底擴(kuò)頂擴(kuò)由于升坎出口抬升壓力作用，底擴(kuò)頂擴(kuò)體型典型開(kāi)度下廊道頂、底的最低壓力均比平底漸擴(kuò)體型高；由于流態(tài)更順暢，其在典型開(kāi)度下廊道頂、底的脈動(dòng)壓力比平底漸擴(kuò)體型也相對(duì)較小。

3)對(duì)于高水頭(20～40 m)的船閘，“底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體型+反弧門”優(yōu)于“平底頂漸擴(kuò)廊道體型+反弧門”，但該廊道形式工程量較大，體形復(fù)雜，對(duì)于施工要求較高，后期檢修維護(hù)也較困難。

4)綜合各種因素，犍為船閘選用“平底頂漸擴(kuò)廊道體型+反弧門”方案。一般而言，與“底擴(kuò)頂擴(kuò)廊道體型+反弧門”相比，“平底頂漸擴(kuò)廊道體型+反弧門”閥門后水流流態(tài)不平順，壓力脈動(dòng)幅值較大，導(dǎo)致閥門啟閉力脈動(dòng)較大，對(duì)于閥門結(jié)構(gòu)和啟閉系統(tǒng)要求稍高。