水利工程論文-孔板泄洪洞事故閘門動水下門實驗研究.doc

水利工程論文-孔板泄洪洞事故閘門動水下門實驗研究摘要：在泄洪洞事故閘門動水下門過程中，洞內可能產生巨大的噪音和強烈的振動。為了保證孔板泄洪洞的運行安全，在理論分析的基礎上，對孔板泄洪洞事故閘門動水下門過程進行實驗研究。試驗中，量測了泄洪洞沿程的脈動壓力，事故閘門門井進口的風速等，并觀測了孔板洞內的流態(tài)和分析了中閘室噪音和振動的成因并提出了相應的措施。關鍵詞：孔板泄洪洞事故閘門中閘室脈動壓力實驗研究水電工程施工期間需要靠導流洞(或導流明渠等)排泄來流。當工程建成后，導流洞的導流使命已經完成。為節(jié)省工程投資，在條件許可的情況下，施工導流洞可改建成永久式泄水建筑物，如泄洪洞。導流洞改建泄洪洞得到了許多工程的采用，如美國格蘭峽工程，加拿大麥加工程及中國的小浪底工程等。導流洞可采用“龍?zhí)ь^”或豎井改建成泄洪洞，在原導流洞內可補建洞塞或孔板等消能設施。一般情況下，在泄洪洞正常運行時，洞內流態(tài)穩(wěn)定，中閘室出口水舌平穩(wěn)，無明顯不良水流現(xiàn)象出現(xiàn)。但是，如果工作閘門發(fā)生故障不能正常關閉而需采用事故閘門動水下門時，在泄洪洞有壓段有可能出現(xiàn)明滿流交替狀態(tài)，并在洞內和中閘室內產生較大聲響和振感。為研究孔板泄洪洞在運行過程中遇特殊情況須緊急關閉事故閘門，不利的水流條件是否會對洞身或中閘室結構產生破壞性影響，本文在理論分析的基礎上，進行了孔板泄洪洞事故閘門動水下門實驗研究。圖1泄洪洞計算斷面示意1理論分析在事故閘門動水下門過程中，泄洪洞內不良水流現(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，探討在不同工況時泄洪洞從事故閘門門井卷吸空氣發(fā)生的時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為庫水位，V1為庫區(qū)1-1斷面的行近流速，Z2為事故閘門門井內的水位，V2為事故閘門門井內水位的變化速度，hw為1-1斷面和2-2斷面間的局部水頭損失，主要由事故閘門引起，如果忽略事故閘門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分別為事故閘門處泄洪洞的流量和過水面積；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為通過工作閘門的下泄流量。忽略庫區(qū)的行近速度水頭和事故閘門門井內速度水頭，且考慮到Q2Q3，于是有(3)上式表明，在事故閘門下閘過程中，隨著事故閘門開度e的逐漸減少，事故閘門門井內的水位Z2將逐漸降低，當下降至泄洪洞上緣某一臨界高程Zc附近時，事故閘門門井內的空氣將被卷入泄洪洞內。在庫水位Z1一定的情況下，工作閘門的開度越小，通過工作閘門的下泄流量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)，近似認為(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Zc所要求的e越小，即發(fā)生卷吸空氣的時間越晚。2實驗模型與實驗內容實驗模型由上游平水塔池、孔板泄洪洞、下游量堰等構成。上游平水塔池長6m，高6.5m，寬1.7m，在泄洪洞進口對應一側修建有3個溢流口，分別控制3.48m,4.12m，5.12m的模型作用水頭，并分別模擬相當于87m，103m和128m的原型作用水頭(相當于模型比尺1:25)。孔板泄洪洞由15mm有機玻璃制作，孔板用有機玻璃經車床加工而成。事故閘門精工制作，由變頻器、電機、減速器、卷纜機、行程開關等設備控制。下游量堰長10m，寬1.05m，高1.5m，用于量測模型流量。試驗中將觀測不同作用水頭(87m，103m，128m)和不同中閘室工作閘門開度(1.0，0.8，0.5，0.25)條件下試驗段流態(tài)、測試事故門槽及下游閘室段和洞內沿程壓力分布、流量，事故門井通氣量、風速，事故閘門底緣及門葉下游面脈動壓力和時均壓力等。并根據試驗結果分析有害動水荷載的形成原因，評價其對建筑物的危害程度，為事故閘門動水下門操作提出防范不良現(xiàn)象的措施。3實驗成果及分析3.1事故閘門下閘過程中洞內流態(tài)的變化規(guī)律為了探討不同作用水頭時洞內流態(tài)的變化規(guī)律，以工作閘門全開為例進行探討，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閉，事故閘門門井內的水位相應地逐步下降，泄洪洞內水流流態(tài)逐漸趨于紊亂。在事故閘門達到一定開度時，門井內的水體全部排干，泄洪洞內的水流開始卷吸門井內的空氣，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一步降低，進入泄洪洞內的水量在減少，而從門井內吸入的空氣量在增加，這樣，泄洪洞內的氣囊量也不斷增加，并一步步向下游擴展。當水氣二相流擴充至整個龍?zhí)ь^段時，水和氣進一步混合，并在洞壁形成明顯的振動。當水氣二相流運動至孔板段時，由于孔板的阻水作用，水體形成振蕩。同時，由于事故閘門的開度越來越小，泄洪洞內的水流將出現(xiàn)明滿流過渡狀態(tài)，這進一步加劇了流態(tài)的不穩(wěn)定。當振蕩的摻有大量氣囊的水氣二相流到達工作閘門門孔時，必然在中閘室內形成水流沖擊波，出現(xiàn)所謂的氣囊摯蚺跀?shù)默F(xiàn)象?？梢姡瑥拈T井內卷吸空氣是形成一系列不良水流現(xiàn)象的前提。不同作用水頭時開始卷吸空氣的事故閘門的開度見表1。表1工作閘門全開時事故閘門開始卷吸空氣時的開度作用水頭/m87103128事故閘門開度0.650.600.50表2作用水頭103m工作閘門不同開度時事故閘門開始卷吸空氣的開度工作閘門開度1.00.80.25事故閘門開度0.600.4250.125表1說明，正如理論分析的那樣，作用水頭越高，開始卷吸空氣的時間越晚。當事故閘門達到開始卷吸空氣的開度時，洞內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，觸摸模型洞身，可以感到泄洪洞壁出現(xiàn)抖動。當事故閘門的開度繼續(xù)降低時，泄洪洞內的水流進一步紊亂，由于孔板的阻水作用，洞內水流出現(xiàn)一定的陣歇性，洞壁的抖動加劇，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時水流卷吸空氣的發(fā)生時間最早，壓力沖擊波的持續(xù)時間最長，強度也較大；作用水頭103m時的情況略好于作用水頭87m時；作用水頭128m時發(fā)生卷吸空氣的時間最晚，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洞內流態(tài)的變化規(guī)律，以作用水頭103m為例進行探討，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，洞內流速存在較大的差異。當開度較小時，洞內流量小，孔板消能少。泄洪洞內出現(xiàn)明滿流的前提是上游來流量小于出口的過流能力，而工作閘門的開度控制著出口的過流能力。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出現(xiàn)明滿流的可能性和規(guī)模，同時，在事故閘門下閘過程中，各種不良水流現(xiàn)象明顯減弱。在作用水頭103m時，工作閘門不同開度時事故閘門開始卷吸空氣時的開度明顯不同(見表2)。表2說明，工作閘門的開度對開始卷吸空氣的時間的影響非常明顯。事故閘門的動水下門試驗表明，工作閘門的開度越小，事故閘門處開始卷吸空氣的時間越晚(與理論分析結果一致)，孔板洞內水流的紊動越弱，中閘室出口形成的水流沖擊波越不明顯，中閘室內的振動感越弱。在工作閘門部分開啟的條件下，泄洪洞內的流態(tài)與工作閘門全開時相比有明顯改善。以作用水頭103m，中閘室開度0.5工況為例，在事故閘門的整個下門過程中，泄洪洞內水流基本保持平穩(wěn)。事故閘門門井附近的水流摻氣發(fā)生在下閘過程已完成3/4的時候，洞內水流出現(xiàn)明滿流交替狀態(tài)也僅發(fā)生在龍?zhí)ь^的上段。在中閘室出口無壓力沖擊波出現(xiàn)。其原因可根據試驗觀察和分析解釋如下：圖2事故閘門進風口風速時間過程泄洪洞正常泄洪時，事故閘門門井內的水位很高，孔板洞內水流始終處于滿流狀態(tài)，其流態(tài)穩(wěn)定，脈動壓強較小。隨著事故閘門的關閉，閘門后門井內的水位也逐漸降低，當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，泄洪洞內的流態(tài)急劇惡化，壓強脈動