向家坝大型导流底孔封堵闸门水力学试验研究

1、向家坝大型导流底孔封堵闸门水力学试验研究第42卷第11期2011年6月人民长江YangtzeRiverVoI.42.No.11June,2011文章编号:10014179(2011)11002304向家坝大型导流底孔封堵闸门水力学试验研究刘志雄,金峰,陈辉(长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010)摘要:向家坝枢纽导流底孔属临时建筑,用后封堵.但闸门尺寸大,水头高,若采用固定卷扬机启闭,启闭设备的容量和自重均较大,建造较为困难;若采用液压张紧提升系统启闭,此项技术又从未用于水工闸门的启闭操作,且闸门在启闭过程中经历的水力条件较为复杂.为了弄清在两种不同启闭方式过程中闸门水力学条件的变化情况

2、,通过导流底孔封堵闸门水力学模型试验,进行了两个启闭方案下底孔内流态,压力特性以及闸门启闭力的对比试验研究.结果表明,采用液压提升系统和固定卷扬机系统进行导流洞封堵的方案均可行;推荐了与不同启闭设备方案相适应的导流底孔体形.但考虑到液压张紧提升系统方案在经济性,工期和缆机资源占用等方面的优势,建议设计采用该启闭系统方案.关键词:导流底孔;封堵闸门;固定卷扬式启闭机;液压张紧提升系统中图法分类号:TV66文献标志码:A在一般的水电工程中,通常使用固定卷扬式启闭机进行平板闸门的启闭.固定卷扬式启闭机的主要特点是启闭速度相对较快,启闭历时较短,启闭过程中闸门的水力学条件相对简单,便于把握下闸时机和应

3、对下闸过程中遇到的意外情况,启闭设备安全可靠度较高,水电工程运用经验丰富.其缺点是设备自重较大,安装工作量大,设备投资较大,完成导流底孔以及其他非永久运行的闸门的启闭后,其拆除工作量大,回收利用率低,造成较大的浪费.针对这种情况,有关专家提出了采用液压张紧提升系统的启闭方案.液压张紧提升系统的液压提升机构为步进方式,系统采用标准化,轻型化的模块结构,其特点是提升系统荷载可适应范围大,单元重量轻,体积小,便于现场快捷安装和拆除.同时具备多点多单元同步控制功能,行程检测,监控准确,同步性好,控制组合方式灵活,设备可回收性好,投资较低.液压张紧提升系统已有丰富的工程经验,技术较为成熟,但尚未用于水工

4、闸门的启闭操作,同时,由于启闭速度较低,启闭过程中历时较长,闸门启闭时水力条件相对复杂一些.因此,以向家坝导流底孔为研究对象,研究了以上两种启闭设备方案下导流底孔的水力特性,推荐了与不同启闭设备方案相适应的导流底孔体型.其试验研究成果拓宽了水工闸门启闭设备的设计方法及思路,可为其他类似工程提供参考.1工程概况及模型设计1.1工程概况向家坝水电站位于四川省宜宾县与云南省水富县交界的峡谷出口处,是金沙江梯级开发的最后一级电站,混凝土重力坝坝顶高程383.00ITI,最大坝高161.00m,水库正常蓄水位380.00m.永久泄水建筑物由l2个表孔和l0个中孔组成,布置于河床中部偏右岸,电站总装机容量

5、6000MW.向家坝水电站共设6个导流底孔,连续布置于左岸非溢流坝段和冲沙孔坝段,其中14号导流底孔体形为:进口端两侧向前延伸至明流段导墙,侧墙曲线为半径5.0m的1/4圆弧,底板高程为260.00m,底孔顶部喇叭口为1/4椭圆,喇叭口后收缩成10.0m×14.0m(宽×高)的矩形孔,通过方变圆渐变段过渡成城门洞洞身,出口段为1:16压坡段,出口尺寸为10.0m×12.5m(宽×高),整个洞身长度为152.5m.导流底孔每孔在进口处设置l扇封堵闸门,门槽设于进收稿日期:20110218作者简介:刘志雄,男,工程师,主要从事水力学试验研究工作.Email:

6、liuzxmail.crsri 24人民长江口端部,处在明流段.封堵闸门启闭采用固定卷扬启闭机或液压张紧提升系统操作,每孔设置1套.向家坝水电站14号导流底孔剖面图见图1.281.0oD=】E.方变圆渐变段zq叫1:16260.000+IIj.朗口;_2型:Q鲤:丽垫Q:图1向家坝水电站14号导流底孔剖面1.2模型设计选择向家坝14号导流底孔其中的一孔作为研究对象,模型按重力相似准则设计,比尺为1:30.模型模拟范围包括完整的导流底孑L及进出口衔接段,上下游水位利用溢水槽控制.导流底孔部分利用有机玻璃制作,模型闸门按几何外形相似利用钢材制作,闸门和启闭机之间采用钢丝绳连接,并采用电机进行闸门启

7、闭驱动,启闭速度通过启闭机进行调节.模型利用布置在导流底孔进口,门槽附近区域,底孔沿程以及封堵门上的44个时均压力测点和21个脉动压力传感器来测量压力特性,利用封堵门启闭杆中串联的1只拉压传感器测量闸门启闭力.2固定卷扬式启闭机方案2.1运行工况及闸门运行方式采用固定卷扬式启闭机进行闸门启闭时,闸门启闭速度为2m/min,整个开启或关闭的时间约为10.5min.开始封堵时相应下泄流量为Q.=12240m/s,上游水位为295.59m,下游水位为278.46m,并在启闭过程中保持不变.2.2试验成果闸门关闭过程中,有少量空气从闸门下游面与胸墙之间的空隙进入到门后,并在门后形成较小范围,比较稳定的

8、空腔,闸门后水流流态为淹没出流,并有反向漩滚撞击闸门下游面的现象出现.导流底孔进口顶板测点在闸门开度16.012.0m时压力较低,最小压力值已接近极限负压;闸门开度为12.08.0m时,在进口段顶板及门槽附近的侧壁也有负压出现,负压值为(一1.15一2.42)×9.81kPa.其他开度下各部位测点压力分布均较好,没有负压出现.闸门关闭过程中,门槽附近区域及闸门底缘各测点压力变化过程基本相同,随着闸门逐渐关闭,测点时均压力逐渐减小,当闸门关到某个开度后,压力又逐渐增大.紧靠门槽测点压力在开度18.06.0m时脉动较大,在开度6.0m附近时瞬时压力达到了极限负压.在闸门关闭过程中,门槽下

9、游测点压力脉动仅在开度为6.0m左右时稍大,其他开度下均较小.进口顶部测点在闸门开度15.02.0m内均为负压.闸门底缘测点压力在闸门开度15.00.0m之间脉动较大,最低瞬时压力也达到极限负压,测点压力在整个过程中的脉动相对较小,闸门开度在12.08.0m范围内的压力为负压,压力最小值约为一4.0×9.81kPa.原型闸门启闭力,持住力及闭门力结果见图2.封堵闸门关闭过程中,原型最大启门力及持住力值分别为14700kN和9400kN(摩擦系数分别取0.12和0.05,下同).设计启闭机容量2×1000t能满足要求.封堵门关闭过程中,闸门闭门力最小值约为400kN(摩擦系数

10、取0.12,下同),因此,闸门依靠自重可以关闭到位.z8000只400003691215182l闸门开度/m图2原型闸门眉门力,持住力及闭门力变化过程线2.3小结(1)在闸门关闭过程中,闸门后一直为满流,有反向漩滚撞击闸门下游面的现象产生.(2)底孔底板,顶板,门槽附近侧壁等部位测点压力分布均较好,仅在部分开度范围内出现较小的负压.在闸门整个关闭过程中,门槽附近,门槽下游以及进口顶板,脉动压力在部分开度范围内为负压,并瞬时达到了极限负压.(3)设计启闭机容量2×1000t能满足要求,闸门依靠自重也可以关闭到位.3液压提升系统启闭方案3.1运行工况及闸门运行方式采用液压提升系统启闭闸门

11、时,开始封堵时的水流条件和采用固定卷扬式启闭机时相同,相应下泄流08.8一+000.0古08.卜00一o第11期刘志雄,等:向家坝大型导流底孔封堵闸门水力学试验研究25量Q=12240m/s,上游水位为295.59m,下游水位为278.46m.在导流底孔封堵闸门下闸4h后,上游水位为299.14m,下游水位为268.57ITI;8h后,上游水位为305.71m,下游水位为269.07m.闸门运行的一个行程为220mm,中间停顿2rain,运行平均速度为5m/h.原模型闸门启闭方式基本相同.3.2原方案试验成果试验中发现,闸门在关闭以及开启过程中底孔内的水流流态以及压力分布等在部分开度下不尽相同

12、,现分述如下:(1)闸门关闭过程中流态.闸门开始关闭初期,整个导流底孔内水流基本为满流,但有少量空气被水流从门侧缘以及下游面带入到孔内,在底孔的进口顶缘形成了较小范围的空腔.闸门关闭到16.0m时,闸门底缘后的剪切水流范围增大,底孔进口顶缘出现的空腔尺度及掺气的水流范围也增加.闸门关闭到14.0m时,门后反向水流的漩滚强度相对减弱,水流的掺气效果也随之减弱,当闸门逐渐关闭到12.06.0m范围时,闸门的顶缘已逐渐淹没到上游水面之下,孔内恢复到无空腔的满流状态.当闸门关闭到约4.5ITI开度时,底孔内水流流态由满流变为明流.随着闸门继续关闭,水流沿闸门底缘呈射流状态,水流掺气较多.(2)闸门开启

13、过程中的流态.当闸门开度小于10.0m时,导流洞内水流流态为明流.当闸门开启到约1I.0m时,下游出口附近的水跃跃首迅速向上游移动,底孔内水流流态也逐渐由明流过渡为满流.当开度增加到大于12.0m时,导流底孔内已变为满流.(3)关闭过程中测点时均压力.当闸门关闭到16.0ITI开度时,各测点压力较全开时有所减小,沿程最小压力出现在进口喇叭口的顶缘,其它测点压力均为正值.当闸门继续关闭到14.0rn开度时,水流在门后形成的反向漩滚强度增大,影响区域也增大,各测点压力进一步减小,进口喇叭口的顶缘以及门槽下游侧壁部分区域出现了负压,其他测点压力均为正值.当闸门关闭到12.0m以及小于12.0m开度时

14、,水流在门后形成的剪切水流逐渐靠近底部,反向漩滚的长度及高度逐渐增大,导流底孔进口部位出现了较大范围的负压区域,且闸门开度越小,负压出现的范围越广,负压值也越大,甚至达到了极限负压.当闸门关闭到小于4.0m开度时,闸门后底孔内水流变为明流,负压区域消失,沿程测点压力均为正值,压力变化也较平顺.(4)开启过程中测点时均压力.当底孔内水流为明流(开度2.011.0m)时,导流底孔各测点压力分布特性较好,压力变化平顺,仅个别点出现负压.当开度大于12.0in时,水流由明流变为满流,在闸门门后的底孔进口顶部形成一定范围的空腔,测点压力较低,出现了较大范围的负压,最低压力已接近极限负压,随着闸门开度继续

15、增加,负压范围逐渐减小,负压绝对值也渐渐减小,直至闸门全开时,该部位测点压力才变为正值.该方案下原型闸门启闭力,持住力及闭门力结果见图3.闸门关闭过程中,原型启门力及持住力最大值分别为20000kN和10500kN,设计启闭机容量2×1000t能满足要求.闸门关闭过程中,闭门力最小值约为一600kN(负值表明封堵门依靠自重不能关闭到位).因此,为了保证原型闸门能正常关闭到位,需要减小闭门力的摩擦系数,或加大闸门自重.240002000016000至120008000400004000036912151821闸门开度,m图3原型闸门届门力,闭f】力及持住力过程线3.3修改方案试验成果针

16、对以上流态及压力分布的不良状况,分析其主要原因,是由于闸门在局部开启条件下,孔口高速水流在门后产生强剪切,形成大尺度漩滚,使相关范围内压力降低所致.因此模型上开展了在进口段顶部设置通气孔的修改方案试验研究.具体措施是在底孔顶板设置通气孔,通过对通气孔的大小尺寸及总面积进行优化试验,最终确定在距离进口2.0133位置断面上加设3个直径均为0.9m的通气孔.该修改方案下,闸门在关闭过程中出现满流向明流过渡所对应的开度约为14.0/1,整个持续时间约110s,且在满明流过渡的过程中,明满流分界断面一直向下游单向移动.闸门由全开关闭到12.0m(即从满流过渡到明流)过程中,导流底孔沿程底板,门槽及门槽

17、区域附近压力分布特性较好,压力变化平顺,没有负压出现,说明增设通气孔后,门后区域的压力得到了较大改善,通气效果明显.26人民长江在闸门关闭过程中,门槽附近区域测点时均压力逐渐减小,压力脉动逐渐增大.但在整个闸门关闭过程中,出现在极限负压附近的瞬时压力所对应的开度区间大大变小(仅在开度为5.0In左右).进口顶板测点压力在闸门全开至关到16.0in开度范围内基本呈单调减小变化规律,开度小于16.0ITI时,测点时均压力基本在零压附近.闸门底缘上的测点在闸门开始关闭时刻的时均压力约为7.0×9.81kPa,在闸门关闭到开度小于16.0in时降低到零压附近,当闸门开度小于6.0in时,测点

18、压力脉动明显增加,部分时刻的瞬时压力达到了极限负压.修改方案下封堵门关闭过程中,原型启门力,持住力最大值分别为12900kN和8390kN.封堵门关闭过程中,闸门开度小于1.0m时,闸门闭门力在0附近,闭门力最小值约为一60kN.因此,原型封堵闸门基本能正常关闭到位.3.4小结(1)原方案闸门关闭及开启过程中,出现满流向明流过渡时对应的闸门开度不同,持续的时间也不同.在洞顶加设通气孔后(修改方案),闸门关闭及开启过程中出现明满流过渡所对应的开度均约为14.0rfl.(2)试验测出原方案在较长时间,较大范围内出现了负压;闸门底缘在闸门关闭及开启过程中较长时间内处于极限负压状况之中.修改方案仅在部

19、分开度下个别时均压力测点出现了负压;门槽附近区域及闸门底缘测点除在部分开度出现了较低的瞬时压力和较大压力脉动之外,其他时刻的压力特性均较好.以上压力特性说明,闸门启闭过程中,在门后区域得到有效,充分通气后,整个进口区域的测点压力均得到较大改善.(3)原方案及修改方案的原型启门力最大值分别为20000kN和12900kN,最小闭门力分别为一600kN和一60kN,原方案需采取减小原型摩擦系数或增大闸门自重的措施后,闸门才能正常关闭到位,而修改方案依靠自重基本能正常关闭到位.总之,在导流底孔进口顶部设置通气孔后,基本可消除闸门启闭过程中不利流态,同时可极大地改善底孔顶板,门槽附近侧壁以及闸门底缘的

20、压力特性和闸门的启闭力特性.通气孔布置可能会带来新的空化源问题,可通过减压模型试验对其体形进行优化解决.4结论采用固定式启闭机及液压提升系统进行闸门启闭时,由于闸门启闭速度的差别,引起了闸门启闭过程中导流底孔内水力条件的差别.卷扬启闭机方案闸门关闭速度较快,下游水位一直维持在较高的水位,底孔内水流在闸门关闭过程中总体保持满流状态,流道内的水力特性较好;液压提升系统闸门启闭速度较慢,闸门关闭过程中上游水位持续上升,下游水位持续下降,底孑L内出现长时间明满流过渡流态,因此底孔进口部位出现长时间,较大范围负压,可加设通气孔解决此问题.因此,从水力学的角度看,大型导流底孔采用液压提升系统和固定卷扬机系

21、统进行导流洞封堵的方案均是可行的.考虑到固定卷扬机设计容量较大,设备自重较大,设备投资较大,安装及拆除工作量大,混凝土排架施工工期较长的特点,采用液压张紧提升系统方案则在经济性,工期和缆机资源占用等方面具有明显优势.(编辑:徐诗银)HydraulicexperimentalresearchonpluggingsluicegateoflargescalediversionbottomoutletofXiangjiabaHydropowerStationLIUZhixiong,JINFeng,CHENHui(DepartmentofHydraulics,Chang#angRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)Abstract:ThediversionbottomoutletofXiangjiabaHydropowerStationisatemporarybuildingwhichwillbepluggedafteritsusage.However,thesluiceisoflargesizeandhighwaterheadanditsconstructionwouldbedifficultiffixedhoisterisadoptedfortheonoff