水利工程論文-孔板泄洪洞事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)實(shí)驗(yàn)研究摘要：在泄洪洞事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)過(guò)程中，洞內(nèi)可能產(chǎn)生巨大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。為了保證孔板泄洪洞的運(yùn)行安全，在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)孔板泄洪洞事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)中，量測(cè)了泄洪洞沿程的脈動(dòng)壓力，事故閘門(mén)門(mén)井進(jìn)口的風(fēng)速等，并觀測(cè)了孔板洞內(nèi)的流態(tài)和分析了中閘室噪音和振動(dòng)的成因并提出了相應(yīng)的措施。關(guān)鍵詞：孔板泄洪洞事故閘門(mén)中閘室脈動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)研究水電工程施工期間需要靠導(dǎo)流洞(或?qū)Я髅髑?排泄來(lái)流。當(dāng)工程建成后，導(dǎo)流洞的導(dǎo)流使命已經(jīng)完成。為節(jié)省工程投資，在條件許可的情況下，施工導(dǎo)流洞可改建成永久式泄水建筑物，如泄洪洞。導(dǎo)流洞改建泄洪洞得到了許多工程的采用，如美國(guó)格蘭峽工程，加拿大麥加工程及中國(guó)的小浪底工程等。導(dǎo)流洞可采用“龍?zhí)ь^”或豎井改建成泄洪洞，在原導(dǎo)流洞內(nèi)可補(bǔ)建洞塞或孔板等消能設(shè)施。一般情況下，在泄洪洞正常運(yùn)行時(shí)，洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，中閘室出口水舌平穩(wěn)，無(wú)明顯不良水流現(xiàn)象出現(xiàn)。但是，如果工作閘門(mén)發(fā)生故障不能正常關(guān)閉而需采用事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)時(shí)，在泄洪洞有壓段有可能出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替狀態(tài)，并在洞內(nèi)和中閘室內(nèi)產(chǎn)生較大聲響和振感。為研究孔板泄洪洞在運(yùn)行過(guò)程中遇特殊情況須緊急關(guān)閉事故閘門(mén)，不利的水流條件是否會(huì)對(duì)洞身或中閘室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了孔板泄洪洞事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)實(shí)驗(yàn)研究。圖1泄洪洞計(jì)算斷面示意1理論分析在事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)過(guò)程中，泄洪洞內(nèi)不良水流現(xiàn)象的出現(xiàn)發(fā)生在泄洪洞從事故閘門(mén)門(mén)井卷吸空氣后，因此，探討在不同工況時(shí)泄洪洞從事故閘門(mén)門(mén)井卷吸空氣發(fā)生的時(shí)間具有重要的理論意義。在圖1中，取1-1斷面和2-2斷面，在事故閘門(mén)下閘過(guò)程中(泄洪洞從事故閘門(mén)門(mén)井卷吸空氣前)，忽略慣性力引起的水頭損失和沿程水頭損失，建立能量方程，有(1)式中，Z1為庫(kù)水位，V1為庫(kù)區(qū)1-1斷面的行近流速，Z2為事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)的水位，V2為事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)水位的變化速度，hw為1-1斷面和2-2斷面間的局部水頭損失，主要由事故閘門(mén)引起，如果忽略事故閘門(mén)處水流的局部水頭損失系數(shù)的變化，hw可近似表示為：(2)式中，Q、A分別為事故閘門(mén)處泄洪洞的流量和過(guò)水面積；e為事故閘門(mén)開(kāi)度；Q2為事故閘門(mén)門(mén)井由于水位下降匯入泄洪洞的流量；Q3為通過(guò)工作閘門(mén)的下泄流量。忽略庫(kù)區(qū)的行近速度水頭和事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)速度水頭，且考慮到Q2Q3，于是有(3)上式表明，在事故閘門(mén)下閘過(guò)程中，隨著事故閘門(mén)開(kāi)度e的逐漸減少，事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)的水位Z2將逐漸降低，當(dāng)下降至泄洪洞上緣某一臨界高程Zc附近時(shí)，事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)的空氣將被卷入泄洪洞內(nèi)。在庫(kù)水位Z1一定的情況下，工作閘門(mén)的開(kāi)度越小，通過(guò)工作閘門(mén)的下泄流量Q3越小，Zc降低到Zc所要求的e越小，即發(fā)生卷吸空氣的時(shí)間越晚。記作用水頭H=Z1-Z3(Z3為中閘室工作閘門(mén)泄流斷面中部高程)，近似認(rèn)為(可近似看成事故閘門(mén)開(kāi)度和工作閘門(mén)開(kāi)度的函數(shù))，代入上式可得：(4)上式表明，在工作閘門(mén)的開(kāi)度一定的情況下，如果事故閘門(mén)的下閘方式相同，那么，作用水頭H越高，Z2降低到Zc所要求的e越小，即發(fā)生卷吸空氣的時(shí)間越晚。2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮嫌纹剿亍⒖装逍购槎?、下游量堰等?gòu)成。上游平水塔池長(zhǎng)6m，高6.5m，寬1.7m，在泄洪洞進(jìn)口對(duì)應(yīng)一側(cè)修建有3個(gè)溢流口，分別控制3.48m,4.12m，5.12m的模型作用水頭，并分別模擬相當(dāng)于87m，103m和128m的原型作用水頭(相當(dāng)于模型比尺1:25)?？装逍购槎从?5mm有機(jī)玻璃制作，孔板用有機(jī)玻璃經(jīng)車(chē)床加工而成。事故閘門(mén)精工制作，由變頻器、電機(jī)、減速器、卷纜機(jī)、行程開(kāi)關(guān)等設(shè)備控制。下游量堰長(zhǎng)10m，寬1.05m，高1.5m，用于量測(cè)模型流量。試驗(yàn)中將觀測(cè)不同作用水頭(87m，103m，128m)和不同中閘室工作閘門(mén)開(kāi)度(1.0，0.8，0.5，0.25)條件下試驗(yàn)段流態(tài)、測(cè)試事故門(mén)槽及下游閘室段和洞內(nèi)沿程壓力分布、流量，事故門(mén)井通氣量、風(fēng)速，事故閘門(mén)底緣及門(mén)葉下游面脈動(dòng)壓力和時(shí)均壓力等。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析有害動(dòng)水荷載的形成原因，評(píng)價(jià)其對(duì)建筑物的危害程度，為事故閘門(mén)動(dòng)水下門(mén)操作提出防范不良現(xiàn)象的措施。3實(shí)驗(yàn)成果及分析3.1事故閘門(mén)下閘過(guò)程中洞內(nèi)流態(tài)的變化規(guī)律為了探討不同作用水頭時(shí)洞內(nèi)流態(tài)的變化規(guī)律，以工作閘門(mén)全開(kāi)為例進(jìn)行探討，工作閘門(mén)其它開(kāi)度的情形與之類(lèi)似。在工作閘門(mén)全開(kāi)的條件下，隨著事故閘門(mén)的逐步關(guān)閉，事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)的水位相應(yīng)地逐步下降，泄洪洞內(nèi)水流流態(tài)逐漸趨于紊亂。在事故閘門(mén)達(dá)到一定開(kāi)度時(shí)，門(mén)井內(nèi)的水體全部排干，泄洪洞內(nèi)的水流開(kāi)始卷吸門(mén)井內(nèi)的空氣，吸入的空氣首先在事故閘門(mén)附近形成水氣二相流，并逐漸在泄洪洞上部形成氣囊。隨著事故閘門(mén)開(kāi)度的進(jìn)一步降低，進(jìn)入泄洪洞內(nèi)的水量在減少，而從門(mén)井內(nèi)吸入的空氣量在增加，這樣，泄洪洞內(nèi)的氣囊量也不斷增加，并一步步向下游擴(kuò)展。當(dāng)水氣二相流擴(kuò)充至整個(gè)龍?zhí)ь^段時(shí)，水和氣進(jìn)一步混合，并在洞壁形成明顯的振動(dòng)。當(dāng)水氣二相流運(yùn)動(dòng)至孔板段時(shí)，由于孔板的阻水作用，水體形成振蕩。同時(shí)，由于事故閘門(mén)的開(kāi)度越來(lái)越小，泄洪洞內(nèi)的水流將出現(xiàn)明滿(mǎn)流過(guò)渡狀態(tài)，這進(jìn)一步加劇了流態(tài)的不穩(wěn)定。當(dāng)振蕩的摻有大量氣囊的水氣二相流到達(dá)工作閘門(mén)門(mén)孔時(shí)，必然在中閘室內(nèi)形成水流沖擊波，出現(xiàn)所謂的氣囊摯蚺跀?shù)默F(xiàn)象。可見(jiàn)，從門(mén)井內(nèi)卷吸空氣是形成一系列不良水流現(xiàn)象的前提。不同作用水頭時(shí)開(kāi)始卷吸空氣的事故閘門(mén)的開(kāi)度見(jiàn)表1。表1工作閘門(mén)全開(kāi)時(shí)事故閘門(mén)開(kāi)始卷吸空氣時(shí)的開(kāi)度作用水頭/m87103128事故閘門(mén)開(kāi)度0.650.600.50表2作用水頭103m工作閘門(mén)不同開(kāi)度時(shí)事故閘門(mén)開(kāi)始卷吸空氣的開(kāi)度工作閘門(mén)開(kāi)度1.00.80.25事故閘門(mén)開(kāi)度0.600.4250.125表1說(shuō)明，正如理論分析的那樣，作用水頭越高，開(kāi)始卷吸空氣的時(shí)間越晚。當(dāng)事故閘門(mén)達(dá)到開(kāi)始卷吸空氣的開(kāi)度時(shí)，洞內(nèi)水流開(kāi)始摻氣并且紊亂加劇，并隨即出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替狀態(tài)。此時(shí)，觸摸模型洞身，可以感到泄洪洞壁出現(xiàn)抖動(dòng)。當(dāng)事故閘門(mén)的開(kāi)度繼續(xù)降低時(shí)，泄洪洞內(nèi)的水流進(jìn)一步紊亂，由于孔板的阻水作用，洞內(nèi)水流出現(xiàn)一定的陣歇性，洞壁的抖動(dòng)加劇，水氣混合流在中閘室出口陣發(fā)型噴射，形成壓力沖擊波。作用水頭87m時(shí)水流卷吸空氣的發(fā)生時(shí)間最早，壓力沖擊波的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，強(qiáng)度也較大；作用水頭103m時(shí)的情況略好于作用水頭87m時(shí)；作用水頭128m時(shí)發(fā)生卷吸空氣的時(shí)間最晚，盡管洞身承受更大的水流壓力，但由于水氣混合流形成較晚，壓力沖擊波的影響反而有所降低。為了探討工作閘門(mén)不同開(kāi)度時(shí)洞內(nèi)流態(tài)的變化規(guī)律，以作用水頭103m為例進(jìn)行探討，其它作用水頭的情形與之類(lèi)似。工作閘門(mén)開(kāi)度不同，泄洪流量明顯不同，洞內(nèi)流速存在較大的差異。當(dāng)開(kāi)度較小時(shí)，洞內(nèi)流量小，孔板消能少。泄洪洞內(nèi)出現(xiàn)明滿(mǎn)流的前提是上游來(lái)流量小于出口的過(guò)流能力，而工作閘門(mén)的開(kāi)度控制著出口的過(guò)流能力。因此，在上游條件相同的情況下，較小的工作閘門(mén)開(kāi)度將大大降低泄洪洞內(nèi)出現(xiàn)明滿(mǎn)流的可能性和規(guī)模，同時(shí)，在事故閘門(mén)下閘過(guò)程中，各種不良水流現(xiàn)象明顯減弱。在作用水頭103m時(shí)，工作閘門(mén)不同開(kāi)度時(shí)事故閘門(mén)開(kāi)始卷吸空氣時(shí)的開(kāi)度明顯不同(見(jiàn)表2)。表2說(shuō)明，工作閘門(mén)的開(kāi)度對(duì)開(kāi)始卷吸空氣的時(shí)間的影響非常明顯。事故閘門(mén)的動(dòng)水下門(mén)試驗(yàn)表明，工作閘門(mén)的開(kāi)度越小，事故閘門(mén)處開(kāi)始卷吸空氣的時(shí)間越晚(與理論分析結(jié)果一致)，孔板洞內(nèi)水流的紊動(dòng)越弱，中閘室出口形成的水流沖擊波越不明顯，中閘室內(nèi)的振動(dòng)感越弱。在工作閘門(mén)部分開(kāi)啟的條件下，泄洪洞內(nèi)的流態(tài)與工作閘門(mén)全開(kāi)時(shí)相比有明顯改善。以作用水頭103m，中閘室開(kāi)度0.5工況為例，在事故閘門(mén)的整個(gè)下門(mén)過(guò)程中，泄洪洞內(nèi)水流基本保持平穩(wěn)。事故閘門(mén)門(mén)井附近的水流摻氣發(fā)生在下閘過(guò)程已完成3/4的時(shí)候，洞內(nèi)水流出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替狀態(tài)也僅發(fā)生在龍?zhí)ь^的上段。在中閘室出口無(wú)壓力沖擊波出現(xiàn)。其原因可根據(jù)試驗(yàn)觀察和分析解釋如下：圖2事故閘門(mén)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速時(shí)間過(guò)程泄洪洞正常泄洪時(shí)，事故閘門(mén)門(mén)井內(nèi)的水位很高，孔板洞內(nèi)水流始終處于滿(mǎn)流狀態(tài)，其流態(tài)穩(wěn)定，脈動(dòng)壓強(qiáng)較小。隨著事故閘門(mén)的關(guān)閉，閘門(mén)后門(mén)井內(nèi)的水位也逐漸降低，當(dāng)水位降低到門(mén)井下緣與洞身的交界面后，泄洪洞才能開(kāi)始卷吸空氣，形成水氣二相流。此后，泄洪洞內(nèi)的流態(tài)急劇惡化，壓強(qiáng)脈動(dòng)