孔板泄洪洞事故閘門動(dòng)水下門實(shí)驗(yàn)研究

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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，如果工作閘門發(fā)生故障不能正常關(guān)閉而需采用事故閘門動(dòng)水下門時(shí)，在泄洪洞有壓段有可能出現(xiàn)明滿流交替狀態(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，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動(dòng)水下門實(shí)驗(yàn)研究。
圖1 泄洪洞計(jì)算斷面示意     1、理論分析

    在事故閘門動(dòng)水下門過(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門井卷吸空氣后，因此，探討在不同工況時(shí)泄洪洞從事故閘門門井卷吸空氣發(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，在事故閘門下閘過(guò)程中(泄洪洞從事故閘門門井卷吸空氣前)，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為事故閘門門井內(nèi)的水位，V₂為事故閘門門井內(nèi)水位的變化速度，h_w為1-1斷面和2-2斷面間的局部水頭損失，主要由事故閘門引起，如果忽略事故閘門處水流的局部水頭損失系數(shù)ξ的變化，h_w可近似表示為： (2) 式中，Q、A分別為事故閘門處泄洪洞的流量和過(guò)水面積；e為事故閘門開度；Q₂為事故閘門門井由于水位下降匯入泄洪洞的流量；Q₃為通過(guò)工作閘門的下泄流量。忽略庫(kù)區(qū)的行近速度水頭和事故閘門門井內(nèi)速度水頭，且考慮到Q₂《Q₃，于是有 (3) 上式表明，在事故閘門下閘過(guò)程中，隨著事故閘門開度e的逐漸減少，事故閘門門井內(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Z_c附近時(shí)，事故閘門門井內(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，工作閘門的開度越小，通過(guò)工作閘門的下泄流量Q₃越小，Z_c降低到Z_c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為中閘室工作閘門泄流斷面中部高程)，近似認(rèn)為(η可近似看成事故閘門開度和工作閘門開度的函數(shù))，代入上式可得： (4)     上式表明，在工作閘門的開度一定的情況下，如果事故閘門的下閘方式相同，那么，作用水頭H越高，Z₂降低到Z_c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)。孔板泄洪洞由15mm有機(jī)玻璃制作，孔板用有機(jī)玻璃經(jīng)車床加工而成。事故閘門精工制作，由變頻器、電機(jī)、減速器、卷纜機(jī)、行程開關(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開度(1.0，0.8，0.5，0.25)條件下試驗(yàn)段流態(tài)、測(cè)試事故門槽及下游閘室段和洞內(nèi)沿程壓力分布、流量，事故門井通氣量、風(fēng)速，事故閘門底緣及門葉下游面脈動(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，為事故閘門動(dòng)水下門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，以工作閘門全開為例進(jìn)行探討，工作閘門其它開度的情形與之類似。

    在工作閘門全開的條件下，隨著事故閘門的逐步關(guān)閉，事故閘門門井內(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。在事故閘門達(dá)到一定開度時(shí)，門井內(nèi)的水體全部排干，泄洪洞內(nèi)的水流開始卷吸門井內(nèi)的空氣，吸入的空氣首先在事故閘門附近形成水氣二相流，并逐漸在泄洪洞上部形成氣囊。隨著事故閘門開度的進(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)，由于事故閘門的開度越來(lái)越小，泄洪洞內(nèi)的水流將出現(xiàn)明滿流過(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)工作閘門門孔時(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?？梢?jiàn)，從門井內(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)開始卷吸空氣的事故閘門的開度見(jiàn)表1。 表1 工作閘門全開時(shí)事故閘
門開始卷吸空氣時(shí)的開度 作用水頭/m 87 103 128 事故閘門開度 0.65 0.60 0.50   表2 作用水頭103m工作閘門不同開度時(shí)
事故閘門開始卷吸空氣的開度 工作閘門開度 1.0 0.8 0.25 事故閘門開度 0.60 0.425 0.125       表1說(shuō)明，正如理論分析的那樣，作用水頭越高，開始卷吸空氣的時(shí)間越晚。當(dāng)事故閘門達(dá)到開始卷吸空氣的開度時(shí)，洞內(nèi)水流開始摻氣并且紊亂加劇，并隨即出現(xiàn)明滿流交替狀態(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)事故閘門的開度繼續(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。

    為了探討工作閘門不同開度時(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似。

    工作閘門開度不同，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，而工作閘門的開度控制著出口的過(guò)流能力。因此，在上游條件相同的情況下，較小的工作閘門開度將大大降低泄洪洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流的可能性和規(guī)模，同時(shí)，在事故閘門下閘過(guò)程中，各種不良水流現(xiàn)象明顯減弱。

    在作用水頭103m時(shí)，工作閘門不同開度時(shí)事故閘門開始卷吸空氣時(shí)的開度明顯不同(見(jiàn)表2)。

    表2說(shuō)明，工作閘門的開度對(duì)開始卷吸空氣的時(shí)間的影響非常明顯。事故閘門的動(dòng)水下門試驗(yàn)表明，工作閘門的開度越小，事故閘門處開始卷吸空氣的時(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。

　　在工作閘門部分開啟的條件下，泄洪洞內(nèi)的流態(tài)與工作閘門全開時(shí)相比有明顯改善。以作用水頭103m，中閘室開度0.5工況為例，在事故閘門的整個(gè)下門過(guò)程中，泄洪洞內(nèi)水流基本保持平穩(wěn)。事故閘門門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)，事故閘門門井內(nèi)的水位很高，孔板洞內(nèi)水流始終處于滿流狀態(tài)，其流態(tài)穩(wěn)定，脈動(dòng)壓強(qiáng)較小。隨著事故閘門的關(guān)閉，閘門后門井內(nèi)的水位也逐漸降低，當(dāng)水位降低到門井下緣與洞身的交界面后，泄洪洞才能開始卷吸空氣，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)劇增。當(dāng)泄洪洞工作閘門開度小時(shí)，泄洪流量小，因而門井內(nèi)的水位下降緩慢，泄洪洞水流卷吸空氣的開始時(shí)間亦延后，直到閘門快要關(guān)閉完時(shí)，才開始卷吸空氣。

    3.2 事故閘門進(jìn)風(fēng)口通風(fēng)       為了測(cè)量事故閘門進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速，本次試驗(yàn)特地在進(jìn)風(fēng)通道中部布設(shè)有測(cè)速點(diǎn)。圖2為下閘過(guò)程中事故閘門進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速時(shí)間過(guò)程曲線。

    圖2表明，同一水位情況下，中閘室開度越小，通風(fēng)口開始大量進(jìn)氣的時(shí)間越晚；同一開度情況下，作用水頭越低，通風(fēng)口開始大量進(jìn)氣的時(shí)間越早。這與試驗(yàn)中觀察到的事故閘門出口處開始卷吸 圖3 作用水頭103m中閘室開度1.0事故閘門后緣脈動(dòng)頻譜曲線 空氣的情形是一致的，也與理論分析結(jié)果一致。因此，作用水頭越低，中閘室開度越大，孔板泄洪洞內(nèi)發(fā)生水氣二相流的時(shí)間越早，氣囊的規(guī)模也越大。

    3.3 孔板泄洪洞沿程脈動(dòng)壓力變化規(guī)律       孔板洞正常運(yùn)行時(shí)，脈動(dòng)比較強(qiáng)烈的區(qū)域在孔板段，脈動(dòng)幅值在20m水柱上下，其次為中閘室水舌落水區(qū)，幅度在4～20m水柱之間。從脈動(dòng)壓力頻譜特性上看，事故閘門槽附近的主頻為0.8Hz(見(jiàn)圖3)；在龍?zhí)ь^段壓力脈動(dòng)頻率集中在0～10Hz之間；在整個(gè)孔板段頻譜曲線大致呈單調(diào)下降趨勢(shì)，較小的頻率占據(jù)了較大的功率；在中閘室水舌落水區(qū)，頻譜曲線比較平緩，低頻所占份額略大一些；中閘室空腔內(nèi)的空氣脈動(dòng)明顯集中于低頻區(qū)(0～2.5Hz)。

    在整個(gè)事故閘門下閘過(guò)程中，事故閘門下緣的脈動(dòng)壓力曲線除了閘門開啟時(shí)有一明顯振蕩外，其它時(shí)間內(nèi)均呈單調(diào)下降趨勢(shì)并最終穩(wěn)定于大氣壓強(qiáng)(參見(jiàn)圖4a)；在龍?zhí)ь^段，脈動(dòng)曲線均單調(diào)下降并最終趨于一穩(wěn)定值，壓強(qiáng)變幅很大(見(jiàn)圖4b)；在孔板段，各測(cè)點(diǎn)具有較大的脈動(dòng)壓強(qiáng)(參見(jiàn)圖4c)；在中閘室閘門前的7.75m斷面的側(cè)壁上，脈動(dòng)壓力隨事故閘門的逐步關(guān)閉有增強(qiáng)的趨勢(shì)，并在事故閘門完成關(guān)閉前1分鐘左右達(dá)到峰值(見(jiàn)圖4d)。該處距中閘室較近，其壓強(qiáng)脈動(dòng)可能是造成中閘室工作間樓層地面有振感的重要原因；在中閘室水舌落水區(qū)的側(cè)壁和地板，事故閘門下閘過(guò)程中泄洪洞內(nèi)流量變化快，水舌落水區(qū)位置變化大，導(dǎo)致了測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)的不穩(wěn)定和較大的脈動(dòng)變幅(參見(jiàn)圖4e和4f)。
圖4 作用水頭87m中閘室開度1.0各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)間過(guò)程       3.4 孔板泄洪洞流態(tài)改善的措施       對(duì)于作用水頭較低，工作閘門開度較大，中閘室振感強(qiáng)烈的工況，可以采取下列措施：① 加快事故閘門下閘速度。下閘速度的提高可以有效減少摻氣量，減弱孔板泄洪洞內(nèi)的水氣二相流振蕩幅度，從而緩解中閘室內(nèi)氣囊摯蚺跀現(xiàn)象；② 降低工作閘門的開度。這相當(dāng)于改變了下閘工況。當(dāng)然，在工作閘門無(wú)法正常工作的情況下，其開度的改變恐難實(shí)現(xiàn)；③ 封堵事故閘門進(jìn)風(fēng)口。這將在一定程度上減少事故閘門門槽處卷吸空氣的時(shí)間和風(fēng)量，從而降低氣囊的規(guī)模。上述措施得到了一系列試驗(yàn)的多次印證。

    4、結(jié)論

    (1) 孔板洞正常運(yùn)行時(shí)，脈動(dòng)比較強(qiáng)烈的區(qū)域在孔板段，脈動(dòng)幅值在20m水柱上下，其次為中閘室水舌落水區(qū)，幅度在4～20m水柱之間。從脈動(dòng)壓力頻譜特性上看，事故閘門槽附近的主頻為0.8Hz；在龍?zhí)ь^段壓力脈動(dòng)頻率集中在0～10Hz之間；在整個(gè)孔板段頻譜曲線大致呈單調(diào)下降趨勢(shì)，較小的頻率占據(jù)了較大的功率；在中閘室水舌落水區(qū)，頻譜曲線比較平緩，低頻所占份額略大一些；中閘室空腔內(nèi)的空氣脈動(dòng)明顯集中于低頻區(qū)(0～2.5Hz)。

    (2) 從風(fēng)速測(cè)量結(jié)果來(lái)看，在下閘過(guò)程中，中閘室工作閘門全開工況下，事故閘門通風(fēng)口吸入的空氣量最多。同一作用水頭情況下，中閘室工作閘門的開度越小，通風(fēng)口開始大量進(jìn)氣的時(shí)間越晚；同一工作閘門開度情況下，作用水頭越低，通風(fēng)口開始大量進(jìn)氣的時(shí)間越早。這一現(xiàn)象與理論分析結(jié)果一致。因此，作用水頭越低，中閘室工作閘門開度越大，孔板泄洪洞內(nèi)發(fā)生水氣二相流的時(shí)間越早，氣囊的規(guī)模也越大。

    (3) 事故閘門關(guān)閉過(guò)程中，門后壓強(qiáng)逐漸減小，門井內(nèi)水位不斷降低，當(dāng)降低到門井與泄洪洞連通時(shí)，泄洪洞開始卷吸空氣，在洞內(nèi)形成水氣二相混合流。隨著閘門的繼續(xù)關(guān)閉，洞內(nèi)開始出現(xiàn)明滿流交替、氣囊來(lái)回振蕩等現(xiàn)象，流態(tài)不穩(wěn)定，脈動(dòng)壓強(qiáng)明顯增加。

    (4) 由于三級(jí)孔板對(duì)水流的阻塞作用，往往在孔板之間形成水流振蕩和波浪，造成低頻大幅的脈動(dòng)荷載。由于中閘室前后壓差較大，含氣水流通過(guò)工作門孔時(shí)突然膨脹，出現(xiàn)氣囊“打炮”現(xiàn)象，從而在中閘室內(nèi)形成水流沖擊波，并在中閘室有壓收縮段造成間歇性的強(qiáng)烈動(dòng)水壓強(qiáng)，其脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值約為20余m水柱，它可能是造成洞外建筑物有感振動(dòng)的主要原因。

    (5)落石出總體說(shuō)來(lái)，中閘室弧型工作閘門開度越小，作用水頭越高，在事故閘門下閘過(guò)程中，泄洪洞內(nèi)水氣二相流發(fā)生的時(shí)間越晚，流態(tài)越穩(wěn)定，中閘室出現(xiàn)氣囊摯蚺跀?shù)默F(xiàn)象越弱。工作閘門全開，且作用水頭較低時(shí)，中閘室內(nèi)的有感振動(dòng)最強(qiáng)烈，在所有試驗(yàn)工況中，作用水頭87m工作門全開時(shí)洞內(nèi)流態(tài)最不穩(wěn)定，不良水流現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

    (6) 對(duì)于作用水頭較低，工作閘門開度較大，中閘室振感強(qiáng)烈的工況，可以采取下列措施：① 加快事故閘門下閘速度；② 降低工作閘門的開度；或③ 封堵事故閘門進(jìn)風(fēng)口。