帶導(dǎo)流墻的門槽結(jié)構(gòu)在閘門全開工況下的應(yīng)用

劉國瑞，劉旭輝

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

0 引言

平面閘門由于門槽的設(shè)置，造成水流條件惡化，一定條件下還會產(chǎn)生空穴、空蝕和振動，危及閘門及水工建筑物的安全，特別是對于深孔泄水道的閘門，這一問題尤為突出，而業(yè)界人士也一直在努力探尋新的門槽形式，力爭消除平面閘門的這一主要缺陷。

1 一種帶導(dǎo)流墻的門槽結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)［1］采用了一種帶導(dǎo)流墻的門槽結(jié)構(gòu)，與一種新型的平面閘門相配合，用以改善泄水閘工作門局部開啟運(yùn)行時的水流條件和降低門槽區(qū)的氣蝕危險性。其主要結(jié)構(gòu)特點是:將上游的閘墻按倒梯形延伸至閘槽中，形成導(dǎo)流墻，在門槽下端設(shè)置錯距、斜坡及圓角，只在上游面設(shè)置閘門前緣及止水結(jié)構(gòu)，以增加閘下出流沿邊墻的流程，防止泄流時水流沿水平方向大幅擴(kuò)散，減小或避免水流沖擊下游門槽邊緣，使水流特性良好，宛如無門槽的弧形閘門的泄流狀態(tài)。其門葉、門槽的關(guān)系如圖1所示。

圖1 門葉門槽關(guān)系

該文強(qiáng)調(diào)的是帶導(dǎo)流墻的門槽結(jié)構(gòu)在閘門局部開啟工況下的運(yùn)用，但對此種門槽在閘門全開工況下的運(yùn)用卻未提及。筆者認(rèn)為，此種門槽在閘門全開工況下同樣可以起到改善流態(tài)、降低門槽受沖刷和空蝕危險性的作用。當(dāng)閘門局部開啟時，此種帶導(dǎo)流墻的Ⅱ型門槽，由于導(dǎo)流墻起到增加流程和挑流的作用，可協(xié)助過槽水流越過門槽爬上斜坡段，因此槽內(nèi)水流很小，可不對槽內(nèi)水流做過多研究。但當(dāng)閘門全開泄洪時，槽內(nèi)必然充滿水流，槽內(nèi)水力特性及水流流態(tài)的好壞就成為此種門槽在閘門全開工況下應(yīng)用優(yōu)越與否的關(guān)鍵，而門槽的水力特性又主要通過其空穴特性來表現(xiàn)。

2 空穴的定義和類型

水流經(jīng)過門槽段時，形成壓力場和速度場，具有一定的壓力分布和速度分布。當(dāng)溫度不變、流速增加時，壓力降低。當(dāng)壓力降低到某臨界值后，水體內(nèi)部含有的小氣泡就迅速膨脹而形成空氣泡或空腔，這就是空穴現(xiàn)象，也稱空化現(xiàn)象。當(dāng)水流夾帶著空氣泡從低壓區(qū)流向下游高壓區(qū)時，空氣泡的內(nèi)外壓差迫使其迅速發(fā)生潰滅，在局部產(chǎn)生巨大的瞬時沖擊力，反復(fù)作用于門槽邊界后，門槽表面因疲勞而產(chǎn)生剝蝕，這種現(xiàn)象就稱為空蝕，也稱氣蝕。空穴是產(chǎn)生空蝕的原因，而空蝕后的固體表面又會使空穴現(xiàn)象激化，加劇空蝕作用，在深孔泄水道內(nèi)這種空蝕現(xiàn)象發(fā)展尤為迅速。水流空穴數(shù)與門槽初生空穴數(shù)的關(guān)系是判別空穴現(xiàn)象是否發(fā)生的依據(jù)。如果物體形狀不變，當(dāng)水流空穴數(shù)降低到某一數(shù)值時，水流開始發(fā)生空穴現(xiàn)象，則這一水流空穴數(shù)就稱為這一體形的初生空穴數(shù)。初生空穴數(shù)反映物體形狀的空穴特性，初生空穴數(shù)越小說明體形越好，水流越不容易發(fā)生空穴現(xiàn)象。常見的門槽空穴形態(tài)有分離型空穴和漩渦型空穴2類。在分離型空穴中可見到非球形的空腔或單個球形空泡或空穴云。在漩渦型空穴中，一般在門槽內(nèi)出現(xiàn)漏斗型立軸漩渦，當(dāng)漩渦中心的壓力低于汽化壓力時，將發(fā)生漩渦型空穴，有時在門槽下游邊界上亦伴隨分離型空穴。門槽寬深比是影響門槽初生空穴數(shù)的主要參數(shù)，對槽內(nèi)水流的空穴類型起決定性作用。寬深比為0．75～1．50時，門槽中水流特性為強(qiáng)漩渦區(qū)，此時漩渦型空穴的初生空穴數(shù)大于分離型空穴的初生空穴數(shù)，故漩渦型空穴起主導(dǎo)作用，盡管這時分離型空穴較少，但強(qiáng)漩渦將會引起空蝕破壞。寬深比為2．00～3．50時，槽內(nèi)水流為弱漩渦區(qū)，此時分離型空穴的初生空穴數(shù)大于槽內(nèi)漩渦型空穴的初生空穴數(shù)，故前者起主導(dǎo)作用。寬深比為1．50～2．00時，水流為上述2種特性的過渡形態(tài)，既非孤立漩渦型空穴，又非孤立分離型空穴，而且分離型空化數(shù)又相對較小，是規(guī)范中推薦的較優(yōu)寬深比范圍。

根據(jù)前人的研究成果和實際工程中空蝕破壞的部位分析判斷，門槽的空蝕破壞主要是分離型空穴引起的，而漩渦型空穴所引起的門槽空蝕為數(shù)較少，破壞程度也較輕。這是因為漩渦中心雖然壓強(qiáng)較低，但漩渦型空穴的溢出和潰滅均發(fā)生在水層中，很少波及邊墻表面。而且，只要槽內(nèi)漩渦不是過強(qiáng)，對過槽水流流線還起到一定的推移作用，對射流自由擴(kuò)散起到一定的約束作用，可協(xié)助過槽水流越過門槽爬上斜坡段，而過強(qiáng)的漩渦可通過門槽寬深比的控制來有效避免。

由此可見，平面閘門門槽減小空蝕破壞的關(guān)鍵，就是在門槽寬深比取值在較優(yōu)范圍的前提下，盡量避免水流與門槽邊壁分離而產(chǎn)生分離型空穴，而分離型空穴的產(chǎn)生又起源于門槽內(nèi)的上游面附近局部低壓區(qū)的產(chǎn)生。因此，若帶導(dǎo)流墻的門槽結(jié)構(gòu)能有效提高槽內(nèi)上游面附近的水壓，就能夠在閘門全開工況下有效抑制分離型空穴和空蝕的產(chǎn)生。

3 帶導(dǎo)流墻門槽結(jié)構(gòu)在閘門全開工況下的空穴特性及流態(tài)特征分析［2－4］

當(dāng)閘門全開泄洪時，對于帶導(dǎo)流墻的門槽結(jié)構(gòu)，最小壓強(qiáng)仍出現(xiàn)在槽內(nèi)上游面，這和普通門槽是一樣的。這是由于水流的慣性作用，水流在門槽上游面附近出現(xiàn)邊壁分離，導(dǎo)致該處壓強(qiáng)降低，而門槽下游面受到水流的沖擊影響，時均壓力值較大。同時，水流受門槽下游面的阻擋而進(jìn)入門槽內(nèi)部，從而在門槽內(nèi)部產(chǎn)生一個漩渦。

與常規(guī)門槽體形不同的是，由于上游側(cè)設(shè)置了導(dǎo)流墻，對槽內(nèi)漩渦產(chǎn)生了阻擋作用，因此，槽內(nèi)上游面的壓力值遠(yuǎn)大于常規(guī)門槽體形，其壓力隨導(dǎo)流墻長度的增加而增大。因此，此種門槽形式能有效提高槽內(nèi)上游面附近的水壓，減小其與門槽下游水流的水壓差，從而能夠有效抑制分離型空穴和空蝕的產(chǎn)生。而導(dǎo)流墻的設(shè)置也增加了水流的水平流程，有利于水流越槽。因水流漩渦是由門槽邊壁對水流的反射而形成的，因此，導(dǎo)流墻的設(shè)置在提高槽內(nèi)上游面水壓的同時，還促進(jìn)了槽內(nèi)漩渦的充分發(fā)展。通過以上對于門槽空穴類型的分析可知，門槽內(nèi)部的漩渦型空穴很少波及邊墻表面，而且槽內(nèi)漩渦對過槽水流流線還能起到一定的推移作用，像導(dǎo)流墻的作用一樣可協(xié)助過槽水流越過門槽爬上斜坡段，因此，基本不會因漩渦而產(chǎn)生空蝕破壞。

相反，如果漩渦未能得到充分發(fā)展，漩渦外圍流線沒有得到充分約束而脫離了門槽邊界范圍，就會產(chǎn)生低壓區(qū)并造成流態(tài)紊亂。而漩渦外圍流線脫離門槽邊界后，就會沖擊到門槽下游的斜坡，下游側(cè)壁就相應(yīng)地處在了漩渦較強(qiáng)的區(qū)域，最終導(dǎo)致門槽邊界至門槽下游斜坡上各點間的壓力變化幅度較大，容易引起空穴現(xiàn)象。因此，只有漩渦在門槽內(nèi)部得到充分的發(fā)展，才能有效抑制槽內(nèi)低壓區(qū)的產(chǎn)生，從而避免分離型空穴和空蝕的產(chǎn)生，而導(dǎo)流墻就能起到這個作用。當(dāng)然，前面也提到，漩渦的利弊是辯證的，過強(qiáng)的漩渦同樣會引起門槽空蝕，因此，要選擇較優(yōu)的門槽寬深比，以避免過強(qiáng)漩渦的發(fā)生。

導(dǎo)流墻的設(shè)置也增加了水流的水平流程，再加上槽內(nèi)漩渦對過槽水流流線的推移作用，對射流自由擴(kuò)散的約束作用，這些因素都可協(xié)助過槽水流順利越過門槽爬上斜坡段并使得槽內(nèi)漩渦充分發(fā)展。因此，與普通的Ⅱ型門槽相比，帶導(dǎo)流墻門槽的過槽水流流線更加清晰，槽內(nèi)漩渦邊界更加分明，流態(tài)更好。2種門槽的流態(tài)示意圖如圖2、圖3所示。

4 結(jié)束語

綜上所述，在閘門全開泄洪時，導(dǎo)流墻的設(shè)置提高了槽內(nèi)上游面附近的水壓，有效抑制了造成門槽空蝕破壞的主要因素——分離型空穴的產(chǎn)生。增加導(dǎo)流墻的長度對增壓有利，但其長度同時受門葉尺寸的限制。此外，在保證門槽寬深比取值在較優(yōu)范圍的前提下，導(dǎo)流墻的設(shè)置使得槽內(nèi)漩渦充分而適度發(fā)展，在充分發(fā)揮漩渦對過槽水流流態(tài)所起積極作用的同時，有效避免了其漩渦過強(qiáng)所產(chǎn)生的消極作用。因此，這種帶導(dǎo)流墻的門槽型式在閘門全開泄洪的情況下可以起到改善流態(tài)、降低門槽受沖刷和空蝕危險性的作用，值得在深孔泄水道閘門及其他高水頭平面閘門中推廣應(yīng)用。

［1］龔悅?cè)兀菛|電站新型平面閘門設(shè)計［J］．金屬結(jié)構(gòu)，2000(4):20－23．

［2］安徽省水利局勘測設(shè)計院．水工鋼閘門設(shè)計［M］．北京:水利出版社，1980．

［3］水利水電科學(xué)研究院，水電部第四工程局勘測設(shè)計研究院，水電部第十一工程局勘測設(shè)計研究院．防止閘門槽空蝕的試驗研究［J］．水利水電技術(shù)，1978(3):39－45．

［4］劉明軍．積石峽中孔泄洪洞工作門槽體型優(yōu)化研究［D］．天津:天津大學(xué)，2007．