孔板泄洪洞事故闸门动水下门实验研究

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水电工程施工期间需要靠导流洞(或导流明渠等)排泄来流。当工程建成后，导流洞的导流使命已经完成。为节省工程投资，在条件许可的情况下，施工导流洞可改建成永久式泄水建筑物，如泄洪洞。导流洞改建泄洪洞得到了许多工程的采用，如美国格兰峡工程，加拿大麦加工程及中国的小浪底工程等。导流洞可采用“龙抬头”或竖井改建成泄洪洞，在原导流洞内可补建洞塞或孔板等消能设施。一般情况下，在泄洪洞正常运行时，洞内流态稳定，中闸室出口水舌平稳，无明显不良水流现象出现。但是，如果工作闸门发生故障不能正常关闭而需采用事故闸门动水下门时，在泄洪洞有压段有可能出现明满流交替状态，并在洞内和中闸室内产生较大声响和振感。为研究孔板泄洪洞在运行过程中遇特殊情况须紧急关闭事故闸门，不利的水流条件是否会对洞身或中闸室结构产生破坏性影响，本文在理论分析的基础上，进行了孔板泄洪洞事故闸门动水下门实验研究。
图1 泄洪洞计算断面示意     1、理论分析

    在事故闸门动水下门过程中，泄洪洞内不良水流现象的出现发生在泄洪洞从事故闸门门井卷吸空气后，因此，探讨在不同工况时泄洪洞从事故闸门门井卷吸空气发生的时间具有重要的理论意义。在图1中，取1-1断面和2-2断面，在事故闸门下闸过程中(泄洪洞从事故闸门门井卷吸空气前)，忽略惯性力引起的水头损失和沿程水头损失，建立能量方程，有 (1) 式中，Z₁为库水位，V₁为库区1-1断面的行近流速，Z₂为事故闸门门井内的水位，V₂为事故闸门门井内水位的变化速度，h_w为1-1断面和2-2断面间的局部水头损失，主要由事故闸门引起，如果忽略事故闸门处水流的局部水头损失系数ξ的变化，h_w可近似表示为： (2) 式中，Q、A分别为事故闸门处泄洪洞的流量和过水面积；e为事故闸门开度；Q₂为事故闸门门井由于水位下降汇入泄洪洞的流量；Q₃为通过工作闸门的下泄流量。忽略库区的行近速度水头和事故闸门门井内速度水头，且考虑到Q₂《Q₃，于是有 (3) 上式表明，在事故闸门下闸过程中，随着事故闸门开度e的逐渐减少，事故闸门门井内的水位Z₂将逐渐降低，当下降至泄洪洞上缘某一临界高程Z_c附近时，事故闸门门井内的空气将被卷入泄洪洞内。在库水位Z₁一定的情况下，工作闸门的开度越小，通过工作闸门的下泄流量Q₃越小，Z_c降低到Z_c所要求的e越小，即发生卷吸空气的时间越晚。

　　记作用水头H=Z₁-Z₃(Z₃为中闸室工作闸门泄流断面中部高程)，近似认为(η可近似看成事故闸门开度和工作闸门开度的函数)，代入上式可得： (4)     上式表明，在工作闸门的开度一定的情况下，如果事故闸门的下闸方式相同，那么，作用水头H越高，Z₂降低到Z_c所要求的e越小，即发生卷吸空气的时间越晚。

    2、实验模型与实验内容

    实验模型由上游平水塔池、孔板泄洪洞、下游量堰等构成。上游平水塔池长6m，高6.5m，宽1.7m，在泄洪洞进口对应一侧修建有3个溢流口，分别控制3.48m,4.12m，5.12m的模型作用水头，并分别模拟相当于87m，103m和128m的原型作用水头(相当于模型比尺1:25)。孔板泄洪洞由15mm有机玻璃制作，孔板用有机玻璃经车床加工而成。事故闸门精工制作，由变频器、电机、减速器、卷缆机、行程开关等设备控制。下游量堰长10m，宽1.05m，高1.5m，用于量测模型流量。

    试验中将观测不同作用水头(87m，103m，128m)和不同中闸室工作闸门开度(1.0，0.8，0.5，0.25)条件下试验段流态、测试事故门槽及下游闸室段和洞内沿程压力分布、流量，事故门井通气量、风速，事故闸门底缘及门叶下游面脉动压力和时均压力等。并根据试验结果分析有害动水荷载的形成原因，评价其对建筑物的危害程度，为事故闸门动水下门操作提出防范不良现象的措施。

    3、实验成果及分析

    3.1 事故闸门下闸过程中洞内流态的变化规律       为了探讨不同作用水头时洞内流态的变化规律，以工作闸门全开为例进行探讨，工作闸门其它开度的情形与之类似。

    在工作闸门全开的条件下，随着事故闸门的逐步关闭，事故闸门门井内的水位相应地逐步下降，泄洪洞内水流流态逐渐趋于紊乱。在事故闸门达到一定开度时，门井内的水体全部排干，泄洪洞内的水流开始卷吸门井内的空气，吸入的空气首先在事故闸门附近形成水气二相流，并逐渐在泄洪洞上部形成气囊。随着事故闸门开度的进一步降低，进入泄洪洞内的水量在减少，而从门井内吸入的空气量在增加，这样，泄洪洞内的气囊量也不断增加，并一步步向下游扩展。当水气二相流扩充至整个龙抬头段时，水和气进一步混合，并在洞壁形成明显的振动。当水气二相流运动至孔板段时，由于孔板的阻水作用，水体形成振荡。同时，由于事故闸门的开度越来越小，泄洪洞内的水流将出现明满流过渡状态，这进一步加剧了流态的不稳定。当振荡的掺有大量气囊的水气二相流到达工作闸门门孔时，必然在中闸室内形成水流冲击波，出现所谓的气囊摯蚺跀的现象。可见，从门井内卷吸空气是形成一系列不良水流现象的前提。不同作用水头时开始卷吸空气的事故闸门的开度见表1。 表1 工作闸门全开时事故闸
门开始卷吸空气时的开度 作用水头/m 87 103 128 事故闸门开度 0.65 0.60 0.50   表2 作用水头103m工作闸门不同开度时
事故闸门开始卷吸空气的开度 工作闸门开度 1.0 0.8 0.25 事故闸门开度 0.60 0.425 0.125       表1说明，正如理论分析的那样，作用水头越高，开始卷吸空气的时间越晚。当事故闸门达到开始卷吸空气的开度时，洞内水流开始掺气并且紊乱加剧，并随即出现明满流交替状态。此时，触摸模型洞身，可以感到泄洪洞壁出现抖动。当事故闸门的开度继续降低时，泄洪洞内的水流进一步紊乱，由于孔板的阻水作用，洞内水流出现一定的阵歇性，洞壁的抖动加剧，水气混合流在中闸室出口阵发型喷射，形成压力冲击波。作用水头87m时水流卷吸空气的发生时间最早，压力冲击波的持续时间最长，强度也较大；作用水头103m时的情况略好于作用水头87m时；作用水头128m时发生卷吸空气的时间最晚，尽管洞身承受更大的水流压力，但由于水气混合流形成较晚，压力冲击波的影响反而有所降低。

    为了探讨工作闸门不同开度时洞内流态的变化规律，以作用水头103m为例进行探讨，其它作用水头的情形与之类似。

    工作闸门开度不同，泄洪流量明显不同，洞内流速存在较大的差异。当开度较小时，洞内流量小，孔板消能少。泄洪洞内出现明满流的前提是上游来流量小于出口的过流能力，而工作闸门的开度控制着出口的过流能力。因此，在上游条件相同的情况下，较小的工作闸门开度将大大降低泄洪洞内出现明满流的可能性和规模，同时，在事故闸门下闸过程中，各种不良水流现象明显减弱。

    在作用水头103m时，工作闸门不同开度时事故闸门开始卷吸空气时的开度明显不同(见表2)。

    表2说明，工作闸门的开度对开始卷吸空气的时间的影响非常明显。事故闸门的动水下门试验表明，工作闸门的开度越小，事故闸门处开始卷吸空气的时间越晚(与理论分析结果一致)，孔板洞内水流的紊动越弱，中闸室出口形成的水流冲击波越不明显，中闸室内的振动感越弱。

　　在工作闸门部分开启的条件下，泄洪洞内的流态与工作闸门全开时相比有明显改善。以作用水头103m，中闸室开度0.5工况为例，在事故闸门的整个下门过程中，泄洪洞内水流基本保持平稳。事故闸门门井附近的水流掺气发生在下闸过程已完成3/4的时候，洞内水流出现明满流交替状态也仅发生在龙抬头的上段。在中闸室出口无压力冲击波出现。其原因可根据试验观察和分析解释如下：
图2 事故闸门进风口风速时间过程
    泄洪洞正常泄洪时，事故闸门门井内的水位很高，孔板洞内水流始终处于满流状态，其流态稳定，脉动压强较小。随着事故闸门的关闭，闸门后门井内的水位也逐渐降低，当水位降低到门井下缘与洞身的交界面后，泄洪洞才能开始卷吸空气，形成水气二相流。此后，泄洪洞内的流态急剧恶化，压强脉动剧增。当泄洪洞工作闸门开度小时，泄洪流量小，因而门井内的水位下降缓慢，泄洪洞水流卷吸空气的开始时间亦延后，直到闸门快要关闭完时，才开始卷吸空气。

    3.2 事故闸门进风口通风       为了测量事故闸门进风口的风速，本次试验特地在进风通道中部布设有测速点。图2为下闸过程中事故闸门进风口的风速时间过程曲线。

    图2表明，同一水位情况下，中闸室开度越小，通风口开始大量进气的时间越晚；同一开度情况下，作用水头越低，通风口开始大量进气的时间越早。这与试验中观察到的事故闸门出口处开始卷吸 图3 作用水头103m中闸室开度1.0事故闸门后缘脉动频谱曲线 空气的情形是一致的，也与理论分析结果一致。因此，作用水头越低，中闸室开度越大，孔板泄洪洞内发生水气二相流的时间越早，气囊的规模也越大。

    3.3 孔板泄洪洞沿程脉动压力变化规律       孔板洞正常运行时，脉动比较强烈的区域在孔板段，脉动幅值在20m水柱上下，其次为中闸室水舌落水区，幅度在4～20m水柱之间。从脉动压力频谱特性上看，事故闸门槽附近的主频为0.8Hz(见图3)；在龙抬头段压力脉动频率集中在0～10Hz之间；在整个孔板段频谱曲线大致呈单调下降趋势，较小的频率占据了较大的功率；在中闸室水舌落水区，频谱曲线比较平缓，低频所占份额略大一些；中闸室空腔内的空气脉动明显集中于低频区(0～2.5Hz)。

    在整个事故闸门下闸过程中，事故闸门下缘的脉动压力曲线除了闸门开启时有一明显振荡外，其它时间内均呈单调下降趋势并最终稳定于大气压强(参见图4a)；在龙抬头段，脉动曲线均单调下降并最终趋于一稳定值，压强变幅很大(见图4b)；在孔板段，各测点具有较大的脉动压强(参见图4c)；在中闸室闸门前的7.75m断面的侧壁上，脉动压力随事故闸门的逐步关闭有增强的趋势，并在事故闸门完成关闭前1分钟左右达到峰值(见图4d)。该处距中闸室较近，其压强脉动可能是造成中闸室工作间楼层地面有振感的重要原因；在中闸室水舌落水区的侧壁和地板，事故闸门下闸过程中泄洪洞内流量变化快，水舌落水区位置变化大，导致了测点压强的不稳定和较大的脉动变幅(参见图4e和4f)。
图4 作用水头87m中闸室开度1.0各测点脉动压力时间过程       3.4 孔板泄洪洞流态改善的措施       对于作用水头较低，工作闸门开度较大，中闸室振感强烈的工况，可以采取下列措施：① 加快事故闸门下闸速度。下闸速度的提高可以有效减少掺气量，减弱孔板泄洪洞内的水气二相流振荡幅度，从而缓解中闸室内气囊摯蚺跀现象；② 降低工作闸门的开度。这相当于改变了下闸工况。当然，在工作闸门无法正常工作的情况下，其开度的改变恐难实现；③ 封堵事故闸门进风口。这将在一定程度上减少事故闸门门槽处卷吸空气的时间和风量，从而降低气囊的规模。上述措施得到了一系列试验的多次印证。

    4、结论

    (1) 孔板洞正常运行时，脉动比较强烈的区域在孔板段，脉动幅值在20m水柱上下，其次为中闸室水舌落水区，幅度在4～20m水柱之间。从脉动压力频谱特性上看，事故闸门槽附近的主频为0.8Hz；在龙抬头段压力脉动频率集中在0～10Hz之间；在整个孔板段频谱曲线大致呈单调下降趋势，较小的频率占据了较大的功率；在中闸室水舌落水区，频谱曲线比较平缓，低频所占份额略大一些；中闸室空腔内的空气脉动明显集中于低频区(0～2.5Hz)。

    (2) 从风速测量结果来看，在下闸过程中，中闸室工作闸门全开工况下，事故闸门通风口吸入的空气量最多。同一作用水头情况下，中闸室工作闸门的开度越小，通风口开始大量进气的时间越晚；同一工作闸门开度情况下，作用水头越低，通风口开始大量进气的时间越早。这一现象与理论分析结果一致。因此，作用水头越低，中闸室工作闸门开度越大，孔板泄洪洞内发生水气二相流的时间越早，气囊的规模也越大。

    (3) 事故闸门关闭过程中，门后压强逐渐减小，门井内水位不断降低，当降低到门井与泄洪洞连通时，泄洪洞开始卷吸空气，在洞内形成水气二相混合流。随着闸门的继续关闭，洞内开始出现明满流交替、气囊来回振荡等现象，流态不稳定，脉动压强明显增加。

    (4) 由于三级孔板对水流的阻塞作用，往往在孔板之间形成水流振荡和波浪，造成低频大幅的脉动荷载。由于中闸室前后压差较大，含气水流通过工作门孔时突然膨胀，出现气囊“打炮”现象，从而在中闸室内形成水流冲击波，并在中闸室有压收缩段造成间歇性的强烈动水压强，其脉动压强幅值约为20余m水柱，它可能是造成洞外建筑物有感振动的主要原因。

    (5)落石出总体说来，中闸室弧型工作闸门开度越小，作用水头越高，在事故闸门下闸过程中，泄洪洞内水气二相流发生的时间越晚，流态越稳定，中闸室出现气囊摯蚺跀的现象越弱。工作闸门全开，且作用水头较低时，中闸室内的有感振动最强烈，在所有试验工况中，作用水头87m工作门全开时洞内流态最不稳定，不良水流现象最为严重。

    (6) 对于作用水头较低，工作闸门开度较大，中闸室振感强烈的工况，可以采取下列措施：① 加快事故闸门下闸速度；② 降低工作闸门的开度；或③ 封堵事故闸门进风口。