关键词:防空化设计; 通气措施; 阀门段廊道; 高水头船闸

中图分类号: U641　文献标识码: A　 文章编号: 1001 - 4179 （2009） 23 - 0051 - 03

高水头船闸水力学的关键技术问题之一是阀门及阀门段廊道的空化。对此,设计上主要采取降低阀门段廊道高程增加淹没水深、快速开启阀门、选择合适的阀门段廊道体型、通气减蚀等措施,以提高阀门及阀门段廊道的防空化能力。

1　输水廊道阀门段埋深

阀门后廊道收缩断面压力的计算式为:

式中H′T 为输水系统下游水位与阀门后水流收缩断面处廊道顶部高程的差值; L″np为收缩断面后的廊道惯性换算长度;μn和Hn分别为阀门开度是n时的流量系数和工作水头;ξ2 为输水阀门后廊道阻力系数;α为廊道扩大前后的面积比;ξ′vn为开度为n时考虑阀门后廊道扩大的阀门阻力系数。

由式（1） 可知,增大H′T 可提高值。国内外已建高水头船闸设计经验表明,降低阀门段廊道高程增加淹没水深可显著提高阀门后的水流压力,从而提高阀门的工作空化数。这是防空化气蚀措施中**简单有效的措施。特别是当船闸输水主廊道采用与闸首、闸室结构分开布置的隧洞型式时,其优势尤显突出。因为对于隧洞开挖,阀门段廊道高程的降低,只会少量增加隧洞长度和阀门井深度,基本不影响闸室结构,降低阀门段高程对船闸工程造价的影响很小。三峡船闸采用了隧洞式主廊道降低阀门段廊道高程作为抗空化气蚀的主要措施,中间级闸室阀门段廊道**小淹没水深达26 m,使阀门安全运行的**大工作水头达到了45. 2 m。如输水主廊道与船闸结构结合布置时,降低廊道高程加大阀门段淹没水深的办法,一般都会较大幅度地增加工程造价,美国一般只在12 m水头以下的船闸上采用此方法,当水头大于12 m时要与其他方案进行经济比较。我国早期建成的高水头船闸从输水系统水力学的角度,都采用以增加阀门段廊道埋深为主的布置作为防空化措施,廊道埋深相对较大。具体埋深值见表1。

表1　我国早期建成的非洞挖输水主廊道阀门段廊道**小淹没水深

2　阀门段廊道体型

高水头船闸阀门段廊道一般采用顶渐扩、平顶和突扩3种体型。顶渐扩体型结构简单,施工方便,运行经验丰富;相对而言突扩体型结构复杂,施工精度要求高,若采用洞挖将增加施工难度,运行经验较少,但同等条件下,廊道埋深较顶渐扩体型的小,节省开挖工程量;平顶型式在美国较多采用,设计较成功的是湾泉船闸（**大设计水头25. 6 m,下同） ,我国仅有大化船闸（29. 0 m）和乐滩船闸（29. 1 m）采用这种型式。在同等条件下的总体抗空化能力,突扩体型优于顶扩体型,顶扩体型优于平顶体型,而满足阀门段廊道防空化要求所需的淹没水深则逐渐增加。大量的试验研究和工程实践均表明,采用合理的廊道体型,可以改善阀门底缘空化条件,减弱底缘空化强度。此外,廊道体型的抗空化能力还与门型以及阀门开启方式有很大关系,因此高水头船闸的阀门段廊道体型的选择,不仅要看廊道体型的抗空化能力,还要结合其他抗空化气蚀措施和结构条件等进行综合考虑,**终选择一种有效、经济、便于施工的廊道体型。

3　输水阀门型式

目前高水头船闸输水阀门普遍采用反向全包弧形阀门。这种阀门具有启闭力小、抗振性能和防空化条件好的优点,在国内外大型船闸中得到广泛运用并有成熟的运行经验。不过正在设计研究中的桥巩船闸,设计水头为24. 65 m,采用的是平板门,阀门开启时间tv = 6 min,并配合“顶突扩＋底突扩”廊道体型以及门楣自然通气措施解决阀门底缘空化,模型试验验证抗空化能力获得了满意效果。这是迄今为止国内外已建船闸上采用的适应水头**高的平板门。

4　输水阀门开启速率

输水阀门开启速率要满足以下几个条件:闸室及引航道内船舶停泊条件、阀门工作条件和满足船闸规划运量要求的设计输水时间。

由前述阀门后廊道收缩断面压力计算公式可知,输水系统流量系数、上下游水位差、惯性水头和下游水位等因素对廊道**低压力均有影响。而阀门开启速率的变化将使输水流量、惯性水头和闸室水位随之变化。开启速率对廊道压力的影响程度与水流惯性有密切关系,输水系统惯性长度越长,惯性水头越大,快速开启的升压作用越明显。三峡连续五级船闸中间级和末级闸室惯性换算长度分别为380 m和820 m,水流惯性作用大,所以采用了快速开启方式,开阀时间2. 0 min;设计中的银盘船闸（设计水头35. 12 m） ,输水系统惯性换算长度为125 m,远小于三峡船闸的输水系统惯性换算长度,快速开启所产生的水流惯性作用不强,对门后廊道压力影响相对较小,因此采用了慢速开启方式,开阀时间6. 0 min。快速开启阀门,不仅可提高输水效率和阀门后廊道压力,而且缩短了阀门开启过程中不利动水作用对阀门及其阀门段廊道影响的时间,从而改善了阀门工作条件,即使有振动、空化等问题,也不致因水力学条件变化较快而产生严重后果。但是阀门快速开启必须与较好的输水系统在闸室中的布置相配合,否则将无法满足闸室停泊条件的要求,等惯性输水系统在高水头船闸上的广泛应用,为阀门快速开启创造了有利条件。

5　通气

针对阀门底缘空化,一般采取的工程措施有2种: ①采用较简单的顶渐扩或平顶廊道体型,并结合门楣自然通气和廊道顶自然通气,如已建成的葛洲坝船闸（顶渐扩体型） 、大化船闸、乐滩船闸（均为平顶体型,二者初始淹没水深分别为4. 4 m和5. 3 m） ; ②采用突扩廊道体型并配合门楣自然通气,如三峡船闸等。对于顶渐扩体型,表1中所列4座船闸的阀门段廊道都采用了顶渐扩体型并在阀门后廊道顶布设通气孔,建成后在接设计水头（万安船闸远未及设计水头）条件下运行时,均不同程度存在空蚀破坏,后来,葛洲坝3座船闸**采取在反弧门门楣设负压挑坎自然通气措施,成功地抑制了阀门运行过程中存在的较强空化和声振,较好地解决了反弧门及阀门段廊道空蚀破坏问题,同时也避免了已建船闸出现空蚀破坏时通常采用的阀门间歇开启方式所带来的延长输水时间的问题。

对于平顶廊道体型,美国湾泉船闸充水阀门淹没水深只有3. 66 m,设计初衷就是减小阀门淹没水深,在廊道顶形成负压自然通气减免空化,同时还可减少工程量。模型试验表明,当阀门开启1～2 min时,阀门后廊道顶压力达- 2. 4～ - 4. 28 m,可实现稳定的自然通气减免空化。美国渠化河流水位变幅小,为解决高水头船闸阀门底缘空化问题,普遍采用了门后廊道顶部自然通气的工程措施,并结合快速开启阀门,取得了较好的效果。

美国陆军工程师兵团的经验是当阀门水头大于18. 3 m时,在阀门后廊道顶部设通气孔,并要求在廊道顶部有- 3 m以上的压力,以保证通气效果。

我国河流水位变幅较大,不能在各种水位条件下都能获得廊道顶自然通气所需的稳定负压。因此以有效且成熟的门楣自然通气作为必备措施,辅以廊道顶自然通气作为门楣通气的补充措施,在高水头条件下阀门段空化较为严重时实现门楣自然通气和廊道顶自然通气,二者联合通气可增大阀门段进气量,以利抑制空化;当下游水位升高,廊道顶部负压减小直至形成正压,廊道顶部不能自然进气时,则依靠门楣自然通气抑制空化的防空化新思路在大化、乐滩船闸上得到了应用。乐滩船闸设计水头29. 1 m,下游水位变幅达10. 7 m,阀门**小淹没水深5. 3m,阀门开启时间4 min,减压模型试验结果表明,如果不采用通气措施,要保证双边阀门开启运行时阀门段不发生空化,需要大幅度增加廊道埋深,导致工程量的大幅度增加;而采用这种联合通气措施后,原型观测结果表明,可以有效地抑制阀门底缘严重的空化,阀门工作条件较好。不过虽然有门楣和廊道顶的自然通气,也不能完全解决各种运行工况的空化问题,但至少可以减弱空化强度。此外廊道顶部自然通气的通气量要加以控制,在满足有效抑制阀门底缘空化前提下,避免过大的通气量导致阀门后出现远驱式水跃,同时也会影响闸室停泊条件。这一点在大化、乐滩船闸的原型观测中得到了验证。乐滩船闸在接近设计水头、双边阀门连续开启充水时,联合通气的通气量偏大,导致空气在靠近分流口附近的闸室出水孔集中逸出,闸室水面紊动,流态不理想,直至通气结束后闸室流态才趋于平稳,后采用间歇开启方式,缓解了闸室不利水流流态,船舶可安全待闸,同时阀门及启闭机系统运行平稳,阀门工作条件较好。为改善大化船闸中间渠道取水引起的渠道水面不利流态,采取了间歇开启方式,同时有效控制了廊道顶部进气量,使联合通气总量仅为乐滩船闸的一半,闸室流态大为改善,实测船舶系缆力满足了规范要求。

对于突扩体型,在改善阀门底缘空化条件、尽量减弱底缘空化强度的同时,空化易在突扩体的突变部位发生,即一般在突扩体出口附近、底扩的跌坎处易发生空化,通常采用强迫通气减免空化。近几年又研究了底扩易发生空化的部位即跌坎、升坎的自然通气条件。以水流弗汝德数表示临界通气条件,其中h表示下游廊道顶的淹没水深, v表示廊道内流速。跌坎自然通气的临界条件为:当水流弗汝德数Fr大于Fr临= 0. 11v -0. 39时就可保证台阶状跌坎实现自然通气。升坎自然通气的临界条件为:当水流弗汝德数Fr大于F r临= 0. 12v - 0. 40时就可保证台阶状升坎实现自然通气。模型试验表明,自然通气能有效地抑制跌坎、升坎空化。该项成果刚开始应用于实际工程中,还有待于实践的检验,并不断地完善。

我国已建高水头船闸中,水口（中间级阀门工作水头41. 7m） 、五强溪（中间级阀门工作水头42. 5 m） 、东西关（设计水头24. 55 m,下同）等船闸采用了廊道顶部突扩结合侧面突扩的型式,沙溪口船闸（24. 2 m）采用的是底部突扩与侧面突扩相结合的型式,虽然解决了阀门底缘空化问题,但在突扩廊道出口边界附近均不同程度地存在空化现象。三峡船闸（中间级阀门工作水头45. 2 m）采用了“大淹没水深（26. 0 m） ＋快速开启（ tv = 2min） ＋底突扩结合顶渐扩廊道体型＋门楣自然通气＋跌坎强迫通气”的综合措施,较好地解决了阀门空化这一关键技术难题。由于三峡船闸跌坎空化溃灭范围较小且较为稳定,仅限制在突扩廊道底板处,空化不致对阀门及下游廊道产生危害,而且跌坎下游5 m区域的廊道底板采用了局部钢板衬砌,所以实际运行中并未进行强迫通气,廊道抽干检查也没有发现底板有空蚀破坏现象。已完成设计的草街船闸（ 26. 7 m） 、桥巩船闸（24. 64 m）以及正在设计研究中的银盘船闸（ 35. 12 m）均采用了“顶突扩结合底突扩廊道体型＋门楣自然通气”措施解决空化问题,其中桥巩船闸采用了跌坎自然通气措施,减压模型试验表明,跌坎空化得到了解决。三峡船闸和银盘船闸阀门段廊道体型示意图分别见图1和图2。

图1　三峡船闸阀门段廊道体型（单位: cm）

图2　银盘船闸阀门段廊道体型（单位: cm）

6　其他措施

高水头船闸输水系统防空化气蚀除上述主要措施外,还有一些辅助措施,如加大阀门后廊道系统阻力、优化阀门体型特别是底缘型式等。

7　结语

本着总结设计经验提高设计水平的目的,结合工程实例重点介绍了输水阀门和阀门段廊道防空化气蚀措施的**新设计研究成果,即根据不同的阀门段廊道体型,配合门楣通气,同时辅以其他通气方式,能有效地抑制阀门底缘空化、提高阀门段廊道整体抗空化能力,还减少了阀门段廊道的埋置深度,节省土建工程量。随着我国高水头船闸设计研究水平不断提高,特别是阀门防空化技术的日趋成熟和完善,必将进一步推动高水头船闸建设的发展。

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作者简介:蒋筱民,女,长江水利委员会设计院枢纽处,高级工程师。