泄洪洞弧形闸门动水启门力试验及数值模拟

李泽同

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆叶城县柯克亚乡境内莫莫克水利枢纽是所在流域—提孜那莆河上的主要控制性水利工程，担负着流域日常防洪、农业灌溉、水力发电等任务。水库属于中型Ⅲ等规模，设计库容9 200万m3，其水电站总设计装机容量达到26 MW，年发电量均值达到0.77×108（kW·h）。该水利枢纽主要包括挡水坝、溢洪道、泄洪冲沙洞、发电引水系统及厂房等建筑物。其中，泄洪冲沙闸为弧形工作闸门设计，闸门孔口长5.50 m、宽5.50 m，共1扇，总重69.24 t，其中门叶重24.31 t。该水利枢纽工程规模大，泄洪洞所承担的洪水宣泄量在枢纽工程总洪水宣泄量中占比20%左右，且其弧形工作闸门孔口尺寸大、工作水头高，按照动水启闭，局部开启的条件操作。工作闸门基本参数见表1。

表1 泄洪冲沙闸弧形工作闸门基本参数表

2 弧形闸门原型受力分析

以弧形闸门开启为例，在其开启过程中，闸门门体同时承受自身重力、止水摩擦力、动水压力、启闭力、支绞反力等的作用。弧形闸门开启过程中实际受力情况具体见图1。

图1 弧形闸门开启过程中实际受力简图

弧形闸门开启过程中速度均匀，故其受力过程必须符合力矩平衡和力平衡条件。力矩平衡对于闸门支绞O而言，∑M（O）i=0，也即：

式中字母含义同规范。

式（1）中：Fq—闸门开启过程中实际启门力（kN）；G—闸门结构自重所产生的重力（kN）；rq—启门力对闸门支绞O作用的力臂（m）；rG—闸门结构重力对闸门支绞O的作用力臂（m）；Mf—闸门开启过程中支绞O所承受的止水摩擦力产生的转动力矩（kN·m）；MPf—闸门开启过程中支绞O所承受的动水摩擦力的转动力矩（kN·m）；支绞反力N和动水压力PW通过支绞O的力矩为0。

结合弧形闸门开启过程中实际受力简图，所列出的切向力及径向力平衡方程如下：

式中字母含义同规范。

结合以上分析可以看出，该水利枢纽工程泄洪洞弧形闸门在开启过程中任意时刻的启门力必须大于闸门自身结构自重所对应的重力，才能顺利开启，为此必须深入分析以上分力的变动过程。其中，考虑到该水利枢纽泄洪洞弧形为厂家定制并采用标准钢材生产，故其闸门自身结构重力可视为已知，仅就止水摩擦力和动水摩擦力进行分析计算。

3 试验模型构建

结合以上对弧形闸门开启过程中受力情况的分析，在进行模型试验的阶段，必须进行该弧形闸门模型止水摩擦力和动水摩擦力的准确量测，但考虑到当前测量技术水平方面的发展现状，尚无这种准确量测模型闸门止水摩擦力和动水摩擦力的水工测量仪器，采用类似的测量工具所测得的模拟结果也不具备可比性。为此，本研究将泄洪洞弧形水工闸门开启过程中止水摩擦力和动水摩擦力分开研究：先量测不考虑弧形水工闸门止水摩擦力项的闸门实际启门力，此种情况下式（1）可写成：

式（4）中：F′q—不考虑止水摩擦力项的弧形闸门启门力（kN）；其余参数含义同前。公式中闸门自身结构重力已知，应用拉压传感器进行弧形闸门启门力测量，以便间接得出动水摩擦力实际变动情况。

第二阶段则进行各止水部位动水压力值的测量与分析，进而计算弧形闸门开启过程中所承受止水量及转绞处实际摩擦力，该摩擦力为压力与摩擦系数的乘积。

3.1 摩擦力

考虑到试验目的及现有试验条件，将模型比尺确定为10，并根据重力相似原则设计弧形水工闸门模型。考虑到试验过程中对流态观测方面的要求，主要应用有机玻璃材料进行水工闸门模型的制作，确保模型工作闸门和原型闸门结构的相似性。试验开始后进行原水工闸门止水摩阻力模拟的过程存在很大难度，故根据偏心绞偏心行程，预留出2 mm宽度的缝隙，避免水工闸门模型在运行期间与顶框、边壁等周围结构发生摩擦。此外，必须在闸门支绞结构处加装滚轮轴承以达到减缓或消除该部位摩擦的目的，提升模拟结果的精确度。

试验开始后，模型闸门和边壁之间并无肉眼可见的射流现象发生，闸门自身结构重力及其与止水间的摩擦力共同构成闸门启闭力，启闭力受到模型闸门和边壁间水流流态的影响很小，对启闭力量测结果的不利影响可忽略不计。

3.2 启门系统

采用1台与原型闸门同结构同操作原理的摆缸式液压启闭机进行模型闸门启门操作，油缸主要采用中部支承形式，支承点桩号和高程按照原型闸门确定，以确保模型闸门与原型闸门具备一致的启门力。此外，还应采用背压系统进行模型闸门启门操作，保证闸门不受来流及启门力的影响而稳定匀速开启。

3.3 测点布置

将1个性能型号均符合设计要求的拉压传感器增设在该弧形水工闸门模型液压启闭系统油缸和闸门连接杆的中部位置，主要进行模型闸门开启全过程中启门力数据的实时量测；此外，还应将1个脉动压力传感器设置在水工模型闸门顶止水位置，主要用于模型闸门开启过程中止水部位动水压力的实时量测。在以上两个量测过程中，通过拉压传感器和脉动压力传感器所采集、收集到的水工模型闸门启门力、止水部位动水压力等数据均经过YD-28型动态应变仪放大后，再由INV-306G型智能信号采集处理分析系统进行数据分析。以上量测过程中采样频率和分析频率应按照100Hz和50Hz进行设定和控制，采样时间应以水工模型闸门开启时间及关闭时间之和为准。

3.4 试验条件

以莫莫克水利枢纽工程上游库水位为模型试验控制条件，进行库水位40 m、45 m、48 m时模型闸门启闭力变动情况量测分析，其中闸门启闭速度根据模型闸门开关门时间进行换算：设计开门时间为8.70 min时，所得出的开门速度为0.01 m/s；设计关门时间为12.40 min时，所得到的关门速度0.01 m/s。

4 启门力试验成果分析

4.1 不考虑止水摩擦力项的弧形闸门启门力

因模型试验无法进行原型闸门摩擦力模拟，故模型试验结果为不考虑止水摩擦下的闸门启闭力，该试验结果仅与闸门自身结构重力和面板所承受动水压力有关。限于篇幅，只进行最高设计水位下F′q的试验成果分析，具体结果见图2所示。由图可知，在最高设计水位下试验闸门启门力随开启程度的增大而逐渐增大，但闸门开启过程中重力力矩持续增大，启门力对转动中心力臂持续减小。

图2 最高设计水位下F′q试验成果图

图3为水工模型闸门重力力矩启门工况过程线，图4为模型闸门启门力力臂启门工况过程线。在水工模型闸门开启的过程中以及全部开启后闸门门体自身结构重力始终是影响启门力的唯一因素，动水摩擦力对支绞转动力矩等因素均不产生影响作用，即F′qrq=GrG，不同工况下闸门最大启门力取值基本相等。因闸门门体遭受动水压力不同而造成模型闸门开启之初启门力存在微小差异，这也体现出动水摩阻力对弧形水工闸门启门力的影响并不大。

图3 模型闸门重力力矩启门工况过程线图

图4 模型闸门启门力力臂启门工况过程线图

4.2 考虑止水摩擦力项的闸门启门力

结合《水利水电工程钢闸门设计规范》，应根据下式计算水工弧形闸门启门力：

式（5）中：nT—动水摩擦力安全系数；TZ—止水摩擦力（kN）；r1—止水摩擦力对支绞的力臂（m）；TZr1—止水摩阻力矩（kN·m）；Tj—支绞摩擦力（kN）；r2—支绞摩擦力对支绞的力臂（m）；Tjr2—支绞摩擦力矩（kN·m）；nG—水工闸门启门力计算时闸门结构重力调整系数；G—闸门因自重而产生的重力（kN）；rG—闸门结构重力的支绞力臂（m）；GrG—闸门结构重力力矩（kN·m）；r3—闸门面板所承受的动水压力切向分力的支绞力臂（m）；Pfr3—动水摩擦力矩（kN·m）。

4.2.1 止水摩阻力矩

泄洪洞弧形闸门启闭期间闸门处于持续后撤状态，闸门所承受地埋件上压紧式水封的摩阻力基本为零，然而为避免模型闸门和边壁间缝隙发生射流，对设置于原型闸门门体的侧止水和门楣转铰止水性能要求较高，开启水工闸门的过程中要求其必须与相应构件发生摩擦，以增大启门力。结合水工闸门实际运行及止水工况，其摩阻力矩主要包括门楣处转绞止水和侧止水两部分摩阻力，表示如下：

式（6）中：Tzc—侧止水摩阻力（kN），其由止水橡皮预压缩后所产生的摩阻力Tzc1和止水处动水压力所引起的摩阻力Tzc2两部分构成，Tzc2=f1Pzc；Tzd—水工闸门顶部止水摩阻力（kN），Tzd=f2Pzd；f1、f2—水工闸门止水橡皮对钢结构的摩擦系数值；Pzc、Pzd—作用于水工闸门侧止水、顶止水的动水压力值（kN）。水工闸门侧止水处动水压力值应按照静水压力值近似确定，莫莫克水利枢纽工程泄洪洞弧形闸门在水位48 m工况下止水摩阻力矩TZr1的结果见图5。根据分析，在闸门最初开启时顶止水处动水压力取最大值，随着闸门开启宽度的增大，顶止水动水压力值持续减小；闸门门体开度大到80%后顶止水动水压力降幅突然增大，直至闸门全开状态后，顶止水动水压力值降至零。

图5 水位48m工况下止水摩阻力矩变动情况图

侧止水变动趋势规律与顶止水摩阻力矩基本一致，也就是说当泄洪洞弧形闸门达到全开状态后侧止水与顶止水摩阻力全部降至零，所对应的摩阻力矩也归零。

4.2.2 支绞摩擦力矩

泄洪洞弧形闸门在转动过程中支绞处也存在一定摩阻力，其测算及表示公示如下：）

式（7）中：f3—支绞处摩擦系数，本工程取0.08；N—支绞反力（kN）。闸门启门工况下支绞反力过程线详见图6。根据分析，在泄洪洞弧形闸门开启过程中，支绞反力和支绞摩阻力均呈减小趋势，且支绞反力主要与闸门面板承受的径向动水压力有关。当闸门开启时，动水压力持续减小，故支绞反力随之降低。

图6 闸门启门工况下支绞反力过程线

4.2.3 动水摩擦力矩

通过动水摩阻力体现该水流枢纽工程泄洪洞弧形闸门启门全过程中水流对闸门运动所施加的阻力，动水摩阻力矩Pfr3主要由闸门启门力推求，公式如下：

式中字母含义同上。

将库水位取48 m时泄洪洞弧形闸门动水摩阻力矩计算结果绘制在图7中，结合最终得到的试验结果，在泄洪洞弧形水工闸门开启之初其所对应的动水摩阻力矩取最大值，随着开度的增加，动水摩阻力矩持续下降，到最终的483 s时刻该弧形水工闸门动水摩阻力矩归零，该结果与根据启门速度设计值所计算的闸门底缘离开水体的时间基本吻合。

图7 最大水位工况下泄洪洞弧形闸门动水摩阻力矩图

将以上所分析出的止水摩阻力矩TZr1、支绞摩擦力矩Tjr3及动水摩擦力矩Pfr3结果代入式（5）可以得出最高库水位工况下泄洪洞弧形闸门启闭力实际值，结果详见图8，因为存在摩擦力的影响，故所求出的启门力和不考虑摩擦力情况下试验启门力变动趋势规律并不相同，实际工况下，启门力最大值出现在弧形闸门开启之初，为1 638 kN；随着闸门开度的增大，止水摩擦力逐渐减小，闸门底缘离开水面时启门力大到最小值1 113 kN；此后在闸门持续提升的过程中，启门力因启门力力臂的减小而增大，闸门启闭力实际值也增大。

图8 最高库水位工况下弧形闸门启闭力实际值图

5 结论

综上，泄洪洞弧形闸门在启门过程中受力情况较为复杂，常规闸门受力计算方式很难用于衡量泄洪洞弧形闸门启门受力状态。研究采用水工模型量测不考虑摩擦力项的弧形闸门启门力，在此基础上分析了闸门受力情况并计算出原型闸门启门力变动趋势特征。该泄洪洞弧形闸门闭门力的分析与启门力分析过程基本一致，限于篇幅，故省略。莫莫克水利枢纽工程泄洪洞弧形闸门原型安装完毕后无水调试结果显示，各项指标均符合设计要求；次年，在上游水位1 894.00 m条件下进行了事故检修闸门静水启门试验，闸门启门运行稳定，无卡阻，冲水阀也升降自如，水封无泄漏，弧形闸门设备运行稳定。