胡智超

(浙江省錢塘江管理局嘉興管理處，浙江 海鹽 314300)

工作閘門局部開啟下底板壓力和底空腔長度規(guī)律研究

胡智超

(浙江省錢塘江管理局嘉興管理處，浙江 海鹽 314300)

泄洪洞工作閘門在不同開度下底板壓力和底空腔長度存有一定的變化規(guī)律.在工作閘門四種典型開度下，研究出口底板壓力，空腔壓力分布情況，分析其規(guī)律性；研究底空腔長度在四種開度下的變化規(guī)律，即工作閘門在不同開度下，底空腔的大小與壓力峰值位置呈一定比例關系，比例系數(shù)與閘門開度也呈線性關系.

底板壓力；空腔壓力；空腔長度

在高水頭泄水建筑物中，采用通氣設施的工程日益增多，摻氣設施的形式發(fā)展成多種多樣，像通氣槽、挑坎、跌坎及其組合形式等.這些形式的摻氣設施在一些工程進行了運用，突擴突跌形式的摻氣設施就是其中的一種.突擴突跌摻氣設施在泄洪洞和泄洪深孔中運用較多，國內外的一些工程都有采用[1].采用突擴突跌摻氣設施，一方面可以滿足摻氣減蝕的要求[2-3]，另一方面有利于采用偏心鉸弧門同曲面液壓密封止水，保證閘門止水的安全可靠和優(yōu)良運行.這種摻氣方式是底空腔與側空腔相通，這種方式要保證底空腔有一定的長度，以確保有足夠的摻氣濃度[4-5].

摻氣設施空腔長度是設置摻氣設施所必須確定的關鍵指標.目前對空腔長度的計算還沒有一個既有較高計算精度又相對簡潔的完全令人滿意的方法.現(xiàn)有的計算方法主要分三種：拋射體公式[6-7]、因次分析經(jīng)驗公式[8-9]和按勢流理論進行數(shù)值模擬[10].空腔是由于射流股脫離底板形成的，在射流沖擊到底板的時候，必然形成空腔，并伴有空腔回水，回水長度直接就縮減了空腔的長度，減弱了整個摻氣的效果.本文從空腔段底板時均動水壓力出發(fā)，研究空腔段壓力的分布規(guī)律，并在工作閘門于四種典型開度情況下，研究摻氣空腔的大小及空腔的大小與壓力峰值位置(xmax)關系.

1 試驗方案

試驗研究在糯扎渡水電站工程右岸泄洪洞水工模型上進行.模型按重力相似準則設計，模型比尺為1 ∶40，模型模擬泄洪隧洞進口至工作閘門出口，從樁號0+000.00至0+657.58的范圍，包括上游水庫、泄洪隧洞(有壓段和部分無壓段)、下游回水段.該泄洪洞模型全長16.44 m，有壓洞斷面為圓形，φ30 cm，出口處設有中墩，出口段頂板為1 ∶8的壓坡，將φ30 cm的圓形斷面擴成兩個12.5 cm×21.25 cm(寬×高)的矩形，設有t=1 cm的跌坎，側擴為b=3.5 cm，底坡比i=20%，兩側設有摻氣設施，兩通氣管對稱于洞的兩側，采用弧形工作閘門控制出流.

為了探討底板時均動水壓力和底空腔在閘門不同開度下的變化規(guī)律，在底板上布置了時均壓力測點，閘門布置的底坎高程為692.36 m，試驗的水庫水位為730 m、750 m、760 m、780 m和795 m，工作閘門的相對開度為1/4、2/4、3/4和4/4.

2 閘門局部開啟下水力特性研究

2.1 底板壓力研究

試驗在四個典型開度下，測得出口底板壓力(見圖1～圖4)，圖中橫軸為底板壓力位置(station)，縱軸表示底板壓力(P).從圖1～圖4可以看出，在閘門各開度下，不同水位的有壓出口段底板壓力的變化趨勢基本保持一致；在每一個水位下，都有一個峰值，且隨水頭的增大而增大，也隨閘門開度的增大而增大，這個峰值在同一水位不同開度的情況下，隨著開度的增加峰值隨之增大；在同一開度不同水位下，峰值的出現(xiàn)隨著水頭的增加峰值越往下游移，且隨之增加；在同一水位下，底板壓力峰值的出現(xiàn)是隨著閘門開度的增大而越來越靠近射流出口處.

從底板壓力分布來分析空腔和空腔回水，射流沖擊點為壓力的峰值，隨著閘門開度的增加，射流股越來越大，沖擊區(qū)域也越來越大，從圖1～圖4可以看出，在到達壓力峰值之前，隨著閘門開度的增加，有壓力的點越來越多，說明了開度越大回水越厲害，空腔越變得越小.

圖1 1/4開度出口底板壓力分布

圖2 2/4開度出口底板壓力分布

圖3 3/4開度出口底板壓力分布

圖4 4/4開度出口底板壓力分布

跌坎射流沖擊區(qū)底板壓力峰值隨閘門相對開度變化的關系曲線(見圖5)，圖中橫軸為閘門相對開度(η)，縱軸為底板壓力峰值(Pmax).由圖5可見，底板壓力峰值隨水頭的增加而增大；在各水位下，沖擊壓力峰值均隨閘門的開度的增加而增大，而且增大的幅度越來越大.

為了更進一步說明閘門在不同開度情況下底板壓力的變化規(guī)律，采用hpmax為壓力特征值，以底板最大壓力點距離跌坎末處的距離xmax為特征尺度，整理實測底板上時均動水壓力分布資料，則得到在四個典型開度情況下的一個相似性關系.

(1)

其中，x—距離跌坎末處的距離；

xmax—最大時均動水壓力點到跌坎末的距離；

hp—底板壓力水頭；

hpmax—底板壓力水頭最大值.

分析該泄洪洞工作閘門在四種典型開度情況下的空腔壓力分布，由圖6可知：

(1)從四種開度的空腔壓力分布圖看，點的個數(shù)是由1/4開度～4/4開度遞減的，說明隨著開度的增大，底板時均動水壓力出現(xiàn)峰值就越快，也即射流的沖擊點越靠近跌坎的末端，同時也說明在同一水頭下，隨著開度的增大，空腔越來越小.

(3)根據(jù)圖中點的分布情況，擬合了一條相似性關系的曲線，數(shù)據(jù)擬合公式見式(1).

圖5 底板壓力峰值與閘門相對開度的關系

圖6 空腔壓力分布圖

2.2 底空腔長度研究

對于這種跌坎式的摻氣設施，空腔長度是一個很重要的因素，它影響這套摻氣設施的摻氣效果.孔口出流脫離跌坎后，水舌底緣沿程紊動擴散，摻氣量加大，水和空氣間形成一道過度帶，沒有明顯的氣水界面，所以底空腔的長度很難確定，有文獻曾定義沿空腔中摻氣濃度為60%的等濃度線為空腔氣水界面，通過量測摻氣濃度分布來確定底空腔長度[11-12].有人直接用底板時均壓力峰值的位置來確定底空腔長度.也有人用公式(2)的位置來確定底空腔長度.

P=0.4(Pmax-Pca)

(2)

式中：Pmax—底板上最大時均壓力；

Pca—空腔中的最小壓力.

本文是從工作閘門的四種典型開度分析底空腔的長度，一般認為底空腔長度是Lb(見圖7).大量試驗和原型觀測表明，水舌沖擊底板后，產(chǎn)生一部分水流沿底板向上游回溯的現(xiàn)象，實際凈空腔的長度小于底空腔長度，這個稱為有效空腔長度Lr(見圖7).因此采用底空腔長度Lb來說明摻氣能力是不夠全面的，有效空腔長度Lr縮短，摻氣量減小，減蝕效果也大為削弱.

圖7 空腔長度示意圖

本試驗在四種閘門開度下，對底空腔長度進行測量，得出的數(shù)據(jù)與下面幾個表達式的底板時均壓力較為吻合.1/4開度為Lr=0.86xmax；2/4開度為Lr=0.80xmax；3/4開度為Lr=0.75xmax；4/4開度為Lr=0.70xmax.

在四種開度下，底有效空腔長度和底板時均壓力最大值的位置成上述關系，可以歸納表達為Lr=kxmax，k是一個跟閘門相對開度相關的系數(shù).對四種典型開度和四個系數(shù)進行擬合得k和η的關系式：k=-0.212η+0.91.底有效空腔長度的量測，與底板時均壓力大小來確定空腔長度的方法進行對比分析(見圖8)，有效空腔長度值符合上述表達式.

3 結 論

(1)工作閘門在四種典型開度下，空腔壓力的分布擬合曲線比較一致，但達到的壓力峰值是隨著閘門開度的大小而定，同水位下空腔長度隨著閘門開度的增大而減小，空腔回水隨著閘門開度的增大而更嚴重.

(2)工作閘門在不同開度下，底空腔的大小與壓力峰值位置呈一定比例關系，比例系數(shù)與閘門開度也呈線性關系.

[1] 肖興斌，王才歡，王業(yè)紅.弧形閘門突擴突跌坎式通氣減蝕研究進展綜述[J].長江科學院院報,2000(5):1-4.

[2] 張宏偉，劉之平，張 東,等.高水頭大流量泄洪洞側壁摻氣設施水力特性研究[J].水力發(fā)電學報,2015,34(10):111-116.

[3] 呂緒明,徐一民,喬 梁,等.泄洪洞突擴突跌摻氣設施水力特性研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2015(8):152-157.

[4] 朱榮林．突擴跌坎式通氣設施的若干問題[C]//中國水利水電科學研究院科學研究論文集(第21集).北京:水利電力出版社，1986.

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[10] 楊永森,楊永全.摻氣減蝕設施后二維空腔流動計算[J].水利學報,2000(6):54-60.

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[12] 時啟燧.通氣減蝕挑坎水力學問題的試驗研究[J].水利學報,1984(3):33-34.

StudyonBottomPressureandtheLengthDisciplmesofBottomCavityinPartialOpeningofWorkingGate

HU Zhi-chao

(Jiaxing Administrative Office, Qiantang River Administration of Zhejiang Province, Haiyan 314300, China)

The pressure of bottom plate and the length of bottom cavity in spillway tunnel are different under different opening conditions of the working gate. Under four typical opening conditions of the working gate, the bottom pressure of outlet tunnel and the distribution of cavity pressure are studied for their disciplines. The variation of bottom cavity length is also analyzed in 4 partial openings. The results show that the size of bottom cavity keeps a certain proportion with the peak value of cavity press, while the proportion coefficient holds a linear relationship with the gate opening.

bottom pressure; cavity pressure; cavity length

2016-10-08

胡智超(1983-)，男，浙江臨安人，碩士，工程師，主要從事工程管理工作.

TV663

A

1008-536X(2016)12-0034-04