CN107447719B - 消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，以解决水电工程中已建弧形闸门在高水头及不利泄流工况下底水封及连接螺栓的破坏问题。具体地，本方法包括以下步骤：步骤1.设计和制作水工试验模型；步骤2.确定试验工况：根据不同的上游来流情况，结合上下游水位，确定不同的试验工况对模型进行泄水孔洞水力学模型试验；步骤3.布置参数测点；步骤4.根据各个工况下的所有参数测点测定的参数确定不利工况区域；步骤5.在不利工况的负压区域布置消力坎；步骤6.改善底水封压板与座板的螺栓连接方式；步骤7.效果检测：对模型进行检测和进一步优化，基于此在实际原型设置消力坎，并且改善螺栓连接方式。

Description

消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法

技术领域

本发明涉及消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法。

技术背景

充压伸缩式水封作为主水封在水利枢纽工程高水头泄水孔中应用日益广泛，然而，在设计、施工及运行中稍有不慎就会出现问题。弧形工作闸门在开、关运行过程中，受高速水流作用，止水及连接件松脱、被破坏导致闸门关闭不严实而漏水，闸门漏水可能会导致狭缝高速射流，引起闸门及门槽的切割、空化和流激振动，严重时还会产生空蚀破坏和危害性振动，使闸门无法正常工作。同时，突扩、跌坎门槽附近的空蚀破坏现象也时有发生。但是，止水压板螺栓被破坏现象较少见。水封及连接件(压板螺栓、压板)破坏的原因包括压板螺栓松脱与断裂破坏及空蚀破坏。由于工程运行中水流条件复杂，布置的通气孔有时候处于正压区域，不能发挥其降低负压和减蚀的作用。在工程实际中，由于施工难度、工期等诸多影响因素的限制，优化通气孔的布置非常困难，因此，需要发明一种新的方法，以解决闸门底部因不能补气及其他原因而引起的水封及连接螺栓空蚀、振动破坏的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，以解决如上所述的水电工程中已建弧形闸门在高水头及不利泄流工况下底水封及连接螺栓的破坏问题。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.设计和制作水工试验模型：通过重力相似准则设计并制作出水闸和河道的水工试验模型；步骤2.确定试验工况：根据不同的上游来流情况，结合上下游水位，确定不同的试验工况对模型进行泄水孔洞水力学模型试验；步骤3.布置参数测点：在模型上布置多个用于测定时均压力和脉动压力的参数测点，并且布置在通气孔附近的参数测点要尽可能靠近通气孔；步骤4.确定不利工况区域：测定各个工况下的各参数测点的时均压力和脉动压力，并且测定水流的脉动频率和底水封的固有频率，再根据测定出参数确定对水工建筑物不利的负压区域和水流的脉动频率；步骤5.布置消力坎：根据步骤4确定的负压区域，确定消力坎的布置范围并且设计出消力坎，再将消力坎布置在模型中，消力坎应布置在通气孔之前，紧邻但不覆盖通气孔；步骤6.改善底水封：将底水封压板与座板的连接形式由弹性连接改成刚性连接，使固有频率远离水流的脉动压力优势频率区；步骤7.效果检测：对布置消力坎和改善底水封后的模型进行检测，测定各个工况下的各参数测点的时均压力和脉动压力，并且测定水流的脉动压力优势频率和闸门底水封的固有频率是否接近，根据检测结果判断空蚀和振动破坏情况是否消除，在判断结果为是的情况下，可依据模型在实际原型上相应位置处设置等比例放大后的消力坎，并且改变螺栓连接方式；在判断结果为否的情况下，进一步优化消力坎的设计。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：在步骤1的水工试验模型中，弧形闸门采用有机玻璃及混凝土砖混结构制作，进水段与退水段采用混凝土砖混结构，过水表面水泥精细抹光确保模型糙率相似。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，给定上游水位，以临界尾水位作为下游水位，增加过渡工况，确保模型试验可以反映不同工况下的水流特性；当下游水位在临界水位以下时，出口水流为自由出流，水流波动剧烈，下游水位在临界水位以上时，出口水流为淹没出流，根据出口水流流态，寻找下游临界水位来确定过渡工况。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，参数测点的数据根据模型尺寸确定，在通气孔和水封附近加密布置参数测点，其它位置等间距布置参数测点。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，根据测定的不同工况下各个参数测点的时均压力，计算出各个参数测点的空化数，然后综合时均压力、空化数、脉动压力、脉动频率的数据，确定对底水封及连接件不利的负压区域及脉动频率。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，消力坎是由直角梯形坎和矩形小平台两部分组成，在保证水流衔接平顺的同时，直角梯形坎顶部安置矩形小平台以减小水流对顶部的冲刷破坏。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：直角梯形坎和矩形小平台是用钢材制成，并且采用焊接及螺栓锚固的方式进行安装，直角梯形坎的前端在焊接后打磨成尖角。

本发明提供的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，还可以具有以下特征：步骤6还包括：采用环氧材料填平底水封压板螺栓槽来改善底水封压板表面不平整度。

发明的作用与效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明可以大大减少施工成本，改造通气孔需要投入额外的资金，且花费相比增加消力坎来说要多，而且水闸工程一旦建成，改造通气孔的技术难度及工程量大大增加，增加消力坎既减少了改造通气孔的施工难度及施工成本，还消除了弧形闸门水封的负压及空蚀，同时又减小了水封振动的可能性，提高了闸门水封系统的安全性。

(2)本发明中消力坎用钢材制成，其安装采用焊接及螺栓锚固方式，前端在焊接后打磨，基本成尖角。消力坎是由直角梯形坎和矩形小平台两部分组成，在保证水流衔接平顺的同时，其顶部安置小平台可以减小水流对直角梯形消力坎的冲刷破坏，保证消力坎正常使用。相比混凝土消力坎，其结构较坚固。同时消力坎安装施工简单，不损害原建筑物的结构强度。

(3)本发明改变了螺栓连接方式将底水封压板与座板的连接形式由弹性连接改为刚性连接，使其固有频率远离水流脉动压力优势频率区，减小了振动破坏，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中在弧形闸门上布置消力坎的结构示意图；

图2为本发明实施例中时均压力与脉动压力的参数测点布置示意图；

图3为螺栓被弧形闸门剪断的示意图一；

图4为螺栓被弧形闸门剪断的示意图一；

图5为本发明实施例中水封压板与座板弹性连接的示意图；

图6为本发明实施例中水封压板与座板刚性连接的示意图；

图7为本发明实施例中消力坎布置方式及具体尺寸的示意图。

上述图1至7中，各结构标号如下：

1.弧形闸门、2.底水封、3.小平台、4.直角梯形坎、5.通气孔、6.进水口、7.闸室、8.参数测点位置、9.闸门面板、10.螺栓、11.钢套。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

某工程大坝发电厂房底部设有低位泄水洞，其作用为冲砂、调洪。根据枢纽布置，出口处设置工作闸门。该闸门投入运行后，在2009年汛期运行后出现底水封压板螺栓10旋出，从而造成底水封压板及底水封2损坏的情况，同时在底水封2转角处发现有空蚀现象。透过以上现象，初步判断为闸门底部水流情况复杂，存在较大的负压区域，底槛补气情况不理想等原因。为解决上述问题，通过水力学模型试验，检测门槽段及邻近区域的空化情况，并提出改进措施，特别是对闸门底槛的补气提出优化措施，解决闸门底部补气不足，引起底部充压水封2振动及空蚀的问题。

具体实施步骤如下：

步骤1.设计和制作水工试验模型

对于水利工程中出现的问题经常采用水工模型试验的方法模拟真实的场景。通过重力相似准则设计模型，要保证试验成果的准确性和可靠性，必须保证流道的水流相似性。在本工程中，对于弧形闸门1模型材料主要采用有机玻璃及混凝土砖混结构制作；进水段与退水段采用混凝土砖混结构，过水表面水泥精细抹光，以确保模型糙率相似；为便于观测水流流态，试验段采用有机玻璃制作，满足水动力学相似。综合考虑该工程低位泄水洞工作闸门的布置与尺寸，河床及水工建筑物糙率相似、泄水洞尺寸等要求，模型长度比尺为1：15，即λ_L＝15。

步骤2.明确试验工况

根据不同的上游来流情况，结合上下游水位，确定不同的试验工况对模型进行泄水孔洞水力学模型试验。特别地，给定具体的上游水位，以临界水位作为下游水位，增加过渡工况，确保模型试验可以反映不同工况下的水流特性。这里，进行模型试验时，一个上游库水位和一个下游水位就是一个工况。一种来流情况例如上游库水位为290.0m，试验时通过弧形闸门1调节下游水位为248m，即一个工况。上游库水位为290.0m不变，试验时通过弧形闸门1调节下游水位为255m，即另一个工况。

本实施例中，根据不同的上游来流情况，试验按以下试验工况进行低位泄水洞水力学模型试验：a、上游库水位300.0m，下游水位259.8m、255.0m、248.0m、245.0m，弧形闸门1开启过程及全开状态。b、上游库水位285.0m，下游水位259.8m、255.0m、248.0m、245.0m，弧形闸门1开启过程及全开状态。c、上游库水位290.0m，下游水位255.0m、248.0m，弧形闸门1开启过程及全开状态。d、需要额外增加过渡工况，即上游库水位为290.0m，下游水位为临界尾水位。当下游水位在临界水位以下时，出口水流为自由出流，水流波动剧烈，下游水位在临界水位以上时，出口水流为淹没出流。根据出口水流流态，寻找下游临界水位，无消力坎情况，下游临界水位为248.9m，有消力坎情况，下游临界水位为249m。

步骤3.布置参数测点

合理设置桩号，根据工程实际布置参数(时均压力、脉动压力)测点，参数测点的数量根据模型的尺寸确定，其布置位置宜等距间隔布置，水流变化激烈的特殊位置附近(如通气孔5及水封2附近)可加密布置，且通气孔5参数测点要尽可能靠近通气孔5(通气孔5处无法设置桩号)，保证测出来的数据能反映通气孔5的相关特性。在该工程中分别设置桩号0-015.0、0+000.0、0+015.0、0+030.0、0+045.0、0+060.0、0+065.0、0+070.0、0+071.6、0+071.8、0+072.3.0、0+072.5、0+075.0、0+080.0，其中桩号0+071.6为底水封2处、桩号0+071.8为斜坡坡脚处、桩号0+072.3.0处为通气孔5处，桩号0+072.5为紧邻通气孔的测点。

步骤4.确定不利工况区域

测定各个工况(包括过渡工况)下的各测点的参数(时均压力、脉动压力)，以测出的参数为依据确定不利工况，由此得出不利工况下的负压区。同时测定水流的脉动频率与底水封2的固有频率，底水封2的固有频率可用试验方法或模态分析方法确定。

试验测得不同工况下各个测点的时均压力后，可进行各测点空化数的计算。综合依据时均压力、空化数、脉动压力的数据，确定可能对水工建筑物不利的负压区域。各种工况下，泄水廊道底部在桩号0+070.0m上游均为正压。由于水流方向发生改变，泄水廊道出口下游水位在248.0m以下时，底水封2处(桩号0+071.6m)出现较大负压，通气孔处(桩号0+072.3m)为正压。由此可知负压主要分布在桩号0+070.0m与桩号0+072.3m之间，所以此区段为沿着水流方向的对结构不利的区段。在泄流量272.8m³/s，库水位290.0m，下游水位248.0m工况时，底水封2处(桩号0+071.6m)出现最小空化数0.17，桩号0+070.0m至桩号0+072.3m区域属于低空化数区域，泄水建筑物易受空蚀破坏。

在实际工程中，须在结构设计中避免结构的固有频率与水流的优势频率相接近。试验表明，由于底水封2处的小斜坡改变了水流流速方向，上下游水流条件衔接不够平顺，水流脉动强烈，水流脉动压力频谱图中出现两个优势频率分布区(一个是0～2.5Hz，另一个是5～9Hz)，增加了水封压板发生共振的机率，水封压板与山型水封结构形式的固有频率接近水流脉动频率时，在水流作用下易诱发强烈振动，水封压板长期振动过程中将螺栓10旋松，以至螺栓10旋出量超出弧形闸门1的起弧线。若在实际水工建筑物原型中，当关闭闸门时，上游压板螺栓被闸门底缘强行挤断，应采用工程措施改善水封附近的水流条件。

步骤5.布置消力坎

由步骤4得到顺水流方向的负压区间，确定布置消力坎的范围为0+070.0m～0+072.3m。由于通气孔5的补气功能已经基本丧失，通气孔5处为正压，后置消力坎应该布置在底水封2之后、通气孔5之前，且紧邻通气孔但不能覆盖通气孔5，让失效的通气孔5重新发挥一定的作用。

在保证各个参数测点处时均压力均为正值的前提下，由不同实际工况及过渡工况下的模型试验综合确定消力坎的外形及尺寸。本发明中，消力坎是由直角梯形坎4和矩形小平台3两部分组成，在保证水流衔接平顺的同时，直角梯形坎4顶部安置小平台3以减小水流对直角梯形坎4的冲刷破坏。本实施例中，直角梯形坎4高11.25cm，其下底尖端在0+071.84m处，直角梯形坎4右侧底端在0+072.12m处，顶部小平台3宽3cm，其厚度能保证直角梯形坎4顶部冲刷破坏减少即可。本实施例中，消力坎用钢材制成，其安装采用焊接及螺栓锚固的方式，前端在焊接后打磨，基本成尖角。

步骤6.改善底水封

改善底水封压板表面不平整度，采用环氧材料填平底水封压板螺栓槽，使过流表面更加平顺光滑，减少诱发振动的概率与水流冲击波的影响。同时，采用加钢套11的方式将底水封压板与座板的连接形式由弹性连接改为刚性连接，使其固有频率远离水流脉动优势频率区。

步骤7、空蚀和振动破坏消除效果检测

对本实施例中的水工模型进行试验检测，在运行不利工况下库水位285.0m，下游水位248.0m，可以得到泄水廊道底部时均压力分布，由此可知泄水廊道底水封处负压消失，正压效果明显，水流空化数都大于0.3，减小了建筑物易受空蚀破坏的影响。特别的，在过渡工况下，底水封处(桩号0+071.6m)平均压力均为正压。

依据模型在实际水闸原型上相应位置处设置等比例放大后的消力坎，并且改变螺栓连接方式后，在各个工况(包括过渡工况)下水流脉动压力能谱图中未明显出现两个优势频率分布区，说明诱发水封压板共振机率减小，出口段消能减蚀方案使水流条件得到改善。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.设计和制作水工试验模型

通过重力相似准则设计并制作出水闸和河道的水工试验模型；

步骤2.确定试验工况

根据不同的上游来流情况，结合上下游水位，确定不同的试验工况对模型进行泄水孔洞水力学模型试验；

步骤3.布置参数测点

在模型上布置多个用于测定时均压力和脉动压力的参数测点，并且布置在通气孔附近的参数测点要尽可能靠近通气孔；

步骤4.确定不利工况区域

测定各个工况下的各参数测点的时均压力和脉动压力，并且测定水流的脉动频率和底水封的固有频率，再根据测定出参数确定对水工建筑物不利的负压区域和水流的脉动频率；

步骤5.布置消力坎

根据步骤4确定的负压区域，确定消力坎的布置范围并且设计出消力坎，再将消力坎布置在模型中，消力坎应布置在通气孔之前，紧邻但不覆盖通气孔；

步骤6.改善底水封

将底水封压板与座板的连接形式由弹性连接改成刚性连接，使固有频率远离水流的脉动压力优势频率区；

步骤7.效果检测

对布置消力坎和改善底水封后的模型进行检测，测定各个工况下的各参数测点的时均压力和脉动压力，并且测定水流的脉动压力优势频率和闸门底水封的固有频率是否接近，根据检测结果判断空蚀和振动破坏情况是否消除，在判断结果为是的情况下，可依据模型在实际原型上相应位置处设置等比例放大后的消力坎，并且改变螺栓连接方式；在判断结果为否的情况下，进一步优化消力坎的设计。

2.根据权利要求1所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，在步骤1的水工试验模型中，弧形闸门采用有机玻璃及混凝土砖混结构制作，进水段与退水段采用混凝土砖混结构，过水表面水泥精细抹光确保模型糙率相似。

3.根据权利要求1所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，给定上游水位，以临界尾水位作为下游水位，增加过渡工况，确保模型试验可以反映不同工况下的水流特性；当下游水位在临界水位以下时，出口水流为自由出流，水流波动剧烈，下游水位在临界水位以上时，出口水流为淹没出流，根据出口水流流态，寻找下游临界水位来确定过渡工况。

4.根据权利要求1所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，参数测点的数据根据模型尺寸确定，在通气孔和水封附近加密布置参数测点，其它位置等间距布置参数测点。

5.根据权利要求1所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，在步骤4中，根据测定的不用工况下各个参数测点的时均压力，计算出各个参数测点的空化数，然后综合时均压力、空化数、脉动压力、脉动频率的数据，确定对底水封及连接件不利的负压区域及脉动频率。

6.根据权利要求1所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，在步骤5中，消力坎是由直角梯形坎和矩形小平台两部分组成，在保证水流衔接平顺的同时，直角梯形坎顶部安置矩形小平台以减小水流对顶部的冲刷破坏。

7.根据权利要求6所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，直角梯形坎和矩形小平台是用钢材制成，并且采用焊接及螺栓锚固的方式进行安装，直角梯形坎的前端在焊接后打磨成尖角。

8.根据权利要求1所述的消除弧形闸门底水封及连接件空蚀和振动破坏的方法，其特征在于：

其中，步骤6还包括：采用环氧材料填平底水封压板螺栓槽来改善底水封压板表面不平整度。