泄洪洞工作閘門關(guān)閉時水擊數(shù)值模擬研究

蘇小麗，劉韓生，范曉丹

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

泄洪洞是水庫的主要泄水建筑物[1]，對水庫能否發(fā)揮農(nóng)田灌溉功能至關(guān)重要。工作閘門位于泄洪洞末端，閘門的安全運行是泄洪洞發(fā)揮泄洪作用的必要條件。陳椿庭[3]指出工作閘門關(guān)閉過程中有可能產(chǎn)生水擊問題，引起工作閘門振動，但沒有深入研究。目前泄洪洞工作閘門采用勻速關(guān)閉方式[3]，可能由于其關(guān)閉速度緩慢[4],人們忽視了水擊對工作閘門的影響，迄今，尚無相關(guān)研究成果。在水擊計算方法[5,6]中，特征線法[7-9]的發(fā)展已較為成熟，采用特征線法建立青海省某水電站泄洪洞工作閘門關(guān)閉時水擊變化的數(shù)學(xué)模型，研究泄洪洞水擊問題，探究閘門在不同關(guān)閉方式下的水擊特性。

1 計算方法

1.1 數(shù)值計算模型

采用特征線法建立水擊計算的數(shù)學(xué)模型。水擊特征方程組如式(1)～(4)：

式中：t為水擊波傳播時間，s；x為水擊波傳播距離，m；V為泄洪洞內(nèi)水流流速，流向閘門為正方向，m/s；λ為泄洪洞摩阻系數(shù)；D為泄洪洞直徑，m；θ為泄洪洞洞身傾角,(°)；c為水擊波傳播速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

由式(2)、(4)描繪的特征線C+和C-在x-t平面上呈現(xiàn)為如圖1所示的曲線。

圖1 計算網(wǎng)格圖Fig.1 Calculation grid

對C+和C-積分，采用一階近似，聯(lián)立求解得P節(jié)點的水頭和流速：

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1.2 初始、邊界條件

方程的初始條件為泄洪洞穩(wěn)態(tài)流。泄洪洞進(jìn)口與水庫相連，假定水庫水位恒定不變，進(jìn)口斷面邊界條件可寫為：

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式中：j表示時刻；Hu為泄洪洞進(jìn)口斷面作用水頭，m.

泄洪洞出口閘門斷面的水流屬于典型的孔口出流。出口閘門斷面的邊界條件為：

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2 計算結(jié)果與分析

2.1 泄洪洞水擊壓強模擬結(jié)果及分析

青海省海南州班多峽谷的某水電站，水庫正常蓄水位為2 990.00 m。泄洪洞位于放空洞右側(cè)山體內(nèi)，全長約1 520 m，為有壓接無壓型隧洞，有壓隧洞全長700 m，隧洞底坡為平坡，底板高程2 910.00 m，洞徑D=11.5 m，洞長L=700 m，閘門全開時下泄流量為Q=2 193 m3/s。工作閘門勻速啟閉，啟閉速度V0=0.5 m/min，洞身采用混凝土襯砌，混凝土糙率n=0.014，經(jīng)計算此泄洪洞水擊波速為1 077 m3/s，正常蓄水位下水庫水頭為80 m。求工作閘門關(guān)閉過程中水擊壓強的變化過程。

泄洪洞工作閘門勻速關(guān)閉時間為1 524 s。最大水擊壓強增高值均發(fā)生在閘門斷面，重點研究閘門斷面的水擊變化過程。

采用上文介紹的特征線法數(shù)值計算該工程實例中工作閘門關(guān)閉時的壓強變化情況，計算結(jié)果如圖2所示。圖3為工作閘門關(guān)閉后水擊壓強變化過程，圖4為水擊壓強振幅隨時間變化的關(guān)系圖。

圖2 壓強時程圖Fig.2 Time-history of pressure

圖3 水擊壓強時程圖Fig.3 Time-history of water hammer pressure

圖4 水擊壓強振幅時程圖Fig.4 Time-history of water hammer pressure amplitude

分析圖2～4可知：盡管工作閘門關(guān)閉時間長達(dá)1 524 s，工作閘門勻速關(guān)閉仍會引起水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生。工作閘門關(guān)閉過程中，泄洪洞內(nèi)水流做壓強增大的非恒定流動，完全關(guān)閉時刻，壓強達(dá)最大(81.07 m水柱)，并立即產(chǎn)生水擊，一段時間之后，水擊現(xiàn)象消失，壓強穩(wěn)定于閘門完全關(guān)閉狀態(tài)下的壓強值(80 m水柱)。水擊壓強振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減，振幅和時間的關(guān)系如式(11)。最大水擊壓強為1.07 m水柱，振蕩時間長達(dá)140 s，振蕩周期為2.6 s，振蕩頻率為0.38 Hz。

ΔH=0.890 9 e-0.026(t-1 524)R2=0.996 5

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式中：ΔH表示水擊壓強振幅，m；t表示時間，s；R為擬合相關(guān)系數(shù)。

水擊壓強周期性變化，壓強時大時小，往復(fù)作用于閘門上，可能引起閘門產(chǎn)生強烈的振動。當(dāng)水擊振蕩頻率和閘門的自振頻率性接近時，可能引起閘門共振，導(dǎo)致其破壞，影響閘門的安全運行。

2.2 工作閘門關(guān)閉方式對水擊壓強特性的影響

為探究工作閘門運行方式對泄洪洞水擊壓強特性的影響，保持工作閘門關(guān)閉時間不變，改變閘門關(guān)閉方式(如圖5)，數(shù)值模擬水擊壓強。閘門關(guān)閉規(guī)律按式(12)計算[5]，選取m<1、m=1和m>1 三種典型關(guān)閉規(guī)律。方式Ⅰ中m=0.5，工作閘門關(guān)閉速度先慢后快；方式Ⅱ中m=1，即閘門常規(guī)關(guān)閉方式，上文已計算其水擊壓強；方式Ⅳ中m=2，關(guān)閉速度先快后慢；方式Ⅲ參考抽水蓄能電站導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律，前80%時間內(nèi)，關(guān)閉速度為0.6 m/min，后20%時間內(nèi)，關(guān)閉速度為0.1 m/min。

(12)

式中：t為閘門運行時間；Ts=1 524 s，為閘門啟閉總時間。

圖5 閘門關(guān)閉方式Fig.5 Closing ways of working gate

由以上研究可知，閘門關(guān)閉時，壓強逐漸增大，不發(fā)生水擊，水擊發(fā)生于閘門完全關(guān)閉后。圖6表示不同工作閘門運行方式下，閘門關(guān)閉后的水擊壓強變化情況。

分析圖6可知：①上述4種工作閘門關(guān)閉方式中，方式Ⅰ是最不利的工作閘門關(guān)閉方式。閘門關(guān)閉過程中，水擊壓強振蕩劇烈，最大水擊壓強為141.08 m水柱，是恒定流時壓強的1.76倍，水擊壓強的大幅變化，且振蕩時間較長，可能引起閘門結(jié)構(gòu)振動。②方式Ⅲ和方式Ⅱ相比，水擊壓強振幅明顯減小，最大振幅僅為勻速關(guān)閉方式下的18.69%。③方式Ⅳ是工作閘門四種運行方式中最優(yōu)的關(guān)閉方式，閘門關(guān)閉過程中徹底消除了水擊。

圖6 閘門不同關(guān)閉方式下壓強時程圖Fig.6 Time-history of pressure in different closing ways of working gate

圖7(a)表示以方式Ⅳ關(guān)閉閘門時，閘門關(guān)閉速度的變化情況，圖7(b)表示閘門關(guān)閉加速度的變化情況。分析圖7可知：當(dāng)工作閘門以適當(dāng)恒定加速度關(guān)閉時，可以避免水擊的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

通過利用特征線法對青海省某水電站泄洪洞水擊的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)工作閘門勻速關(guān)閉時，盡管關(guān)閉速度很小，仍會引起水擊壓強振蕩。水擊發(fā)生于閘門關(guān)閉后階段，水擊壓強振幅按指數(shù)規(guī)律遞減。

(2)工作閘門運行方式是泄洪洞水擊的重要影響因素。水擊壓強振幅與工作閘門運行方式密切相關(guān)，工作閘門關(guān)閉速度先慢后快的變速運行方式，壓強變化幅度很大，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)壓，不利于閘門結(jié)構(gòu)的受力，容易引起閘門振動。工作閘門關(guān)閉速度先快后慢的運行方式可有效減小水擊

圖7 方式Ⅳ下閘門關(guān)閉速度和加速度時程圖Fig.7 Time-history of velocity and acceleration of gate in the way of Ⅳ

壓強振幅，甚至可以避免水擊的產(chǎn)生。當(dāng)以適當(dāng)恒定加速度關(guān)閉工作閘門時，可完全消除水擊，非常有利于閘門安全運行。

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[1] 沙海飛，吳時強，陳振文. 泄洪洞整體三維紊流數(shù)值模擬[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(4)：507-511.

[2] 陳椿庭.高壩大流量泄洪建筑物[M]. 北京：水利電力出版社，1988.

[3] 陳 端，王忠亮，陳秀玲. 偏心鉸式弧形閘門啟閉力試驗研究[J]. 長江科學(xué)院院報，2010，27(5)：44-49.

[4] 西格爾 CK. 泄水閘門設(shè)計指南(續(xù))[J]. 水利水電快報，1997，18(18)：15-19.

[5] 斯特里特·V L，懷利·E B. 瞬變流[M]. 清華大學(xué)流體傳動與控制教研組譯. 北京：水利電力出版社, 1983.

[6] 王樹人. 水擊理論與水擊計算[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1981.

[7] Dallali M，Guidara MA，Bouaziz MA.Accuracy and security analysis of transient flows in relatively long pipelines[J]. Engineering Failure Analysis，2015，51：69-82.

[8] 張 健，黎東洲，結(jié)少鵬，等. 考慮摩阻的停泵水錘傳播公式[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2015，34(9)：92-97.

[9] 王文全，張立翔，閆 妍，等. 長距離輸水系統(tǒng)停泵水錘的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41(11)：63-67.