水电站调压井快速闸门稳定性及安全防范措施研究

赵建平，张维杰，严根华，胡去劣

水电站调压井快速闸门稳定性及安全防范措施研究

赵建平1，2，张维杰1，2，严根华1，2，胡去劣1，2

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；
2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029）

水电站长管道引水发电系统调压室快速闸门是确保机组出现甩负荷等故障时快速断流的重要设备，确保其安全运行具有举足轻重的作用和地位。研究了调压井阻抗孔体型尺寸布置和快速闸门稳定性之间的相互关系，揭示了调压井阻抗孔体型布置对快速闸门安全稳定的主要影响因素及其变化规律，指出了快速闸门动力失稳的原因，提出了确保快速闸门动力稳定的控制方法和安全保障措施。

调压井；阻抗孔；快速闸门；流激振动；水电站

0　概述

调压井是水电站长管道引水发电系统为保障发电系统安全而经常设置的调压与水锤控制结构，而快速闸门则是确保机组紧急甩负荷保障机组断流的重要快速响应设施。如何确保调压井阻抗孔布置和快速闸门安全稳定则是重要的研究课题［1］。本文从调压井水力学和快速闸门结构动力稳定二方面出发，对调压井快速闸门的稳定性及其安全措施进行试验研究，寻找存在问题，提出改善措施，确保工程安全。

某水电站引水发电系统由电站进水口、2条引水隧洞、1个长廊阻抗式上游调压室、4条压力管道、4台机组和4条尾水连接管、1个长廊式尾水闸门室、2条无压尾水洞和尾水出口组成，采用“两机一室一洞”及“单机单管供水”布置。调压室下部独立，上部连通，单个调压室净长120 m，净宽20 m，最大室高75.1 m，在调压室底部设阻抗孔。2条圆形引水隧洞长约2 680 m，内径14.5 m。因引水隧洞较长，进水口和机组之间设有调压室，机组发生故障时，调压室内的快速闸门应在4分钟内截断水流，保护机组。引水发电系统压力管道长约140 m，内径9.6 m。调压室内设快速闸门，孔口尺寸为8.6 m×9.6 m-47.64 m（宽×高-设计水头），闸门平时悬吊在孔口上方约1 m处，由液压启闭机通过拉杆操作，当机组发生事故时要求在4 min内快速关闭孔口。阻抗孔由快速闸门门槽后的门井兼用矩形阻抗孔和调压室中部的圆形孔二部分构成，其中圆形阻抗孔直径4.4 m，门槽后矩形阻抗孔宽度 2.5 m，阻抗孔总面积约为引水隧洞面积的35.2%。

对于长距离输水系统而言，当机组甩负荷时调压室内强烈的涌浪会对待命状态的闸门产生影响，闸门可能发生不稳定浮动现象，并抬升闸门上部液压启闭机油缸机座，产生机械系统事故。此外机组飞逸转速时，闸门快速下降过程也会出现不稳定现象。为确保快速闸门安全稳定运行，需通过闸门水力学及流激振动模型试验研究，揭示存在问题，提出改善措施，使调压室及闸门布置更趋合理，确保工程安全，为引水系统的安全设计提供科学依据。

1　调压井水力特性研究

快速闸门的稳定性受控于调压室水锤波荷载传播和涌浪特性等水力特性参数，因此研究闸门结构流激振动问题，首先需要获得调压室运行过程中水动力作用荷载。鉴于水电站机组甩负荷过程系非恒定流过程，因此需对其过程水流特性进行正确模拟、测试与分析。

1.1水力过渡试验模型律

引水系统设有调压室的水电站，在机组实行紧急甩负荷或增负荷时，应当考虑引水道内的水流惯性和调压室的水量补偿作用，因此必须对引水系统和水轮机水流控制系统进行相似性设计和模拟［2，3］。

1.1.1调压室涌波试验模型律

水力过渡模型律应当从调压室涌波及压力钢管水锤二组基本微分方程推得。圆柱形阻抗式调压室涌波基本方程为

根据式（1）、（2），可得调压室涌浪的相似律令λg=1，则

式（3）中有4个模型律、8个未知量，引入条件λL=λVλt，且令调压室模型按正态设计，λD=λZ，则调压室模型律变为

以上式（4）在水流重力、水流运动和动力3方面满足相似要求。

1.1.2水锤试验的模型律

水轮机流量的突然增加或减小，会导致两种水力振荡，一种是以较慢速度在调压室内传播的水面波动振荡；另一种是以极高波速在压力管道中传播的水锤波振荡。水电站突然弃荷、增荷的水锤波基本方程为

式中，a为波速；n为引水道糙率；R为管道水力半径；H为水头。

令λg=1，经推导和简化，并利用尺度和谐性，从方程组（5）得到水锤试验模型律

1.2模型的设计与制作

根据试验场地，模型比尺按如下比尺确定：引水隧洞直径比尺1∶30，长度比尺1∶52；调压室水头比尺1∶36。压力钢管按比尺1∶30正态设计。模型采用有机玻璃制作，模型和原型的边壁糙率和水流的惯性长度均保持相似。经检验，引水隧洞的λa= 5.71～6.00和λv=6.00，二者接近，基本满足相等条件。

1.3调压室水力特性

压力管道的最大引水流量均为338.1 m3/s；导叶总关闭时间为12.5 s，导叶开启规律：导叶从空载开度至全开时间为25 s。为取得水力过渡过程的水锤波、涌波等水动力参数，在调压室及输水管道设置若干动水压力测点（见图1），其中测点P1～P3布置在引水隧洞末端侧壁，P4～P8布置在压力管道侧壁，P10～P13布置在调压室底部，P14布置在调压室侧壁，P15布置在阻抗板下方位置。试验结果显示：在机组甩负荷时的水力过渡过程中，调压室引水系统主要作用力有水流惯性力、水锤作用力、重力、边界阻力或粘滞力，其中水流惯性力为涌浪发生、传播主要动力。涌浪逆行传播也是水流惯性力的作用所致。水锤压力在调压室反射尚充分，尚未发现水锤压力穿室现象。由试验水力过渡过程压力变化过程线可见，机组甩负荷时压力钢管末端出现大于调压室涌浪的水锤压力波（见图2）；随后水锤压力波伴随调压室涌浪进入调压室后，进行能量释放和消能。

图1　测点布置示意（单位：m）

图2　压力钢管末端动水压力过程

由于调压室的消能和消刹作用，水锤波穿越调压室后能量聚减，位于引水隧洞首部测点动水压力在机组甩负荷时未见明显的水锤压力波（图3）。说明调压室起到了保护引水隧洞安全的作用。

图3　引水隧洞端部动水压力过程

试验结果显示：不同机组甩负荷工况条件下调压室最高涌浪水位约为1 490.8～1 492.2 m，低于1 494.6 m控制高程平台2.4～3.8 m；调压室最高涌浪水位高程比最大水锤压力水头高程约低2 m；水锤压力在调压室反射尚充分，未见水锤压力穿越现象；水力过渡过程涌波随时间衰减，过渡过程时间约20多分钟；涌浪沿引水隧洞上游方向传播，其波动压力作用沿程减弱。但该布置方案快速闸门出现低频振荡和失稳上抬现象，最大上抬高度达180 mm，这对快速闸门上部结构的安全产生严重威胁。

2　快速闸门的稳定性及流激振动特性研究

鉴于调压室在水力过渡状态下水动力作用荷载突出，快速事故闸门的振动特征将发生明显变化，因此在调压室水力过渡试验过程中进行了闸门停放稳定性和流激振动特性的试验研究［4］。

2.1模型设计技术与方法

闸门动力失稳试验重点关注在不同上下游水位、闸门开度等水力学参数下，闸门运行过程中可能出现的不利振动和待命停放稳定问题，对存在问题提出处理方法和措施。

从本质上讲，闸门流激振动属于水弹性振动范畴，在动水作用下的运行符合如下动力方程：

式中，｛D｝、｛D.｝、｛.D.｝分别为结点的位移向量、速度向量和加速度向量；［M］、［C］、［K］分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；｛F｝为作用在流—固接触界面上的动水压力向量，一般包括 ｛F1｝和｛F2｝，｛F1｝表示闸门所受的水流动荷载向量，｛F2｝是由闸门振动引起的扰动流场作用在流固界面上的附加荷载。

图4　振动测点布置示意（单位：mm）

根据上述结构运动方程及振动试验一般在水介质中进行，因此闸门的水弹性模型应同时满足水流动力、几何尺寸、质量密度、弹性模量、阻尼等参数的相似性［5-7］。根据相似原理，经推导可得如下各参数的比尺要求：几何比尺Lr；质量密度比尺ρr= 1；弹性模量比尺Er=Lr；泊松比比尺μr=1；阻尼比尺Cr=L2.5r。

根据上述闸门结构相似性要求，该模型具有高密度和低弹模特性，需要进行专门研制。试验模型采用由重金属粉、高分子材料等特别研制的特种水弹性材料，并对该材料进行测试。结果表明：所选水弹性材料特性基本达到材料密度ρm=ρp，结构弹模比尺Er=Lr的要求，实现了结构弹性模量和质量密度的相似条件。

闸门门体采用完全水弹性模型进行制作，并进行动水作用下闸门流激振动特性研究。全水弹性模型既满足水动力学相似，同时满足结构动力学相似及其流固耦合振动相似，能够较好地预报闸门结构的流激振动特性。

与水力过渡过程水力学试验相结合，同步进行了闸门流激振动试验。共布置4个振动测点，见图4，其中1号测点位于下部横梁，2、3、4号测点位于闸门顶部，每个测点分别测取x（侧向）、y（垂向）和z（顺水流方向）三个方向的振动量，主要用于观察水力过渡过程中的闸门振动情况。

2.2快速闸门流激振动特性及稳定性问题

2.2.1水力过渡状态下闸门结构振动和稳定性

将闸门门体、启闭机和拉杆等结构按原型进行相似性模拟后，进行不同机组甩负荷状态下的闸门流激振动试验。机组甩负荷时的闸门待命高度位于孔口上方1 m处。试验结果显示，原布置调压井阻抗孔尺寸条件下，机组甩负荷时的闸门振动量约为正常发电工况时的15～30倍，同时闸门出现向上抬升的低频振荡和失稳现象，最大抬升高度达180 mm。当两台机组满载运行瞬时丢弃全部负荷时，闸门结构下部最大振动加速度值为5.7～8.11 m/s2，顶部振动量为2.22～6.42 m/s2，振动量由下至上呈现递减趋势，且垂向振动大于水平向和侧向，符合力传递规律。典型机组甩负荷工况下闸门振动加速度时域过程绘于图5。由图可见，机组甩负荷初期闸门振动量显著增加，随后逐渐减小，符合水力过渡过程水动力振荡衰减特征。从闸门振动量和失稳角度考查，原布置调压井阻抗孔尺寸不满足快速闸门的稳定性要求，上部液压启闭机结构存在破坏风险。

2.2.2阻抗孔体型优化和闸门抗振研究

原设计阻抗孔布置方案水力过渡过程特性和快速闸门失稳现象显示，由于快速闸门后门井矩形阻抗孔尺寸偏小，机组甩负荷时的水锤波在遭遇该阻抗孔进行压力释放时产生巨大的上举力，导致大部分能量将闸门抬起，引起快速闸门振荡和失稳上抬，严重威胁上部启闭机座的安全。为了有效解决闸门失稳问题，进行了不同矩形阻抗孔尺寸的优化试验研究。优化比较试验结果指出，圆形阻抗孔对引水隧洞处水锤压力的减小和控制作用比门槽后阻抗孔面积的影响要大些，约在1.34倍左右。但门井阻抗孔面积的增加对快速闸门的稳定性却起到至关重要的作用。不同阻抗孔布置下的闸门低频振荡和水锤作用下门体失稳上抬距离列于表1。由表1可见：当门槽阻抗孔宽度为2.5 m（原方案）时，机组甩负荷时由于水锤压力波的冲击作用，快速闸门出现上抬和低频振荡现象，最大上浮量达180 mm，此时闸门结构处于失稳状态。当门槽阻抗孔宽度调整为3.175 m后，阻抗孔总面积占引水隧洞面积40.7%以上时，闸门失稳现象消失，已处于稳定状态。试验成果指出，快速闸门门井阻抗孔尺寸对闸门的停放稳定性具有重要影响，太小的阻抗孔尺寸将导致快速闸门的严重失稳，并引起上部结构尤其是启闭机座的损坏。

图5　典型机组甩负荷工况闸门振动加速度时域过程

表1　机组甩负荷时快速闸门低频振荡和抬升情况比较

3　调压井快速闸门稳定性措施

模型试验成果指出，长管道输水系统调压井阻抗孔位置尺寸和闸门结构稳定性具有高度相关的特性关系，尤其是快速闸门门槽阻抗孔尺寸对闸门的安全稳定起到决定性影响作用。

对于调压井控制水锤压力波传 递和保证快速闸门停放稳定及闭门安全性而言，需要同时兼顾两者之间的关系。其保证措施需要满足：

（1）调压井阻抗孔的尺寸需要满足控制水锤压力波穿越传递问题；

（2）快速闸门需要克服水锤压力波冲击作用，保证动力稳定所需的门槽阻抗孔合理尺寸选取问题。

通过模型系列试验论证，为确保机组甩负荷时水锤压力波在经过调压井时尽快消减和拦截，阻抗孔面积可取引水隧洞总面积的40.7%，圆形阻抗孔与门槽阻抗孔的面积比为1∶2.18。此时水锤压力波穿越调压井的量值已经控制在较小范围，取得明显效果。此外，快速闸门的稳定性也显著提高，强烈振动和上抬现象消失，可确保快速闸门在待命高度1 m以上安全平稳的目标。

4　结语

研究成果显示，水电站长管道引水系统调压井快速闸门停放稳定性及闭门可靠性主要受控于门井阻抗孔尺寸以及调压井总的阻抗孔面积，此外尚有闸门结构体型设计问题。而快速闸门安全停放可靠性和不稳定振荡问题，与阻抗孔布置位置和尺寸密切相关。本项研究实例要求调压井总阻抗孔面积约为引水隧洞的40%，相应的圆形阻抗孔与门槽阻抗孔的面积比需满足1∶2要求。这样快速闸门结构是稳定安全的，并避免上部启闭机的不稳定抬动，导致启闭机损坏事故的产生。

研究成果指出，电站调压井快速闸门安全稳定性不仅与调压井阻抗孔布置尺寸密切相关，其闭门可靠性还与闸门结构的体型布置、抗振特性及水动力作用条件等密切相关。因此闸门闭门可靠性和流激振动抗振性能尚需另行论证。

［1］严根华.水动力荷载与闸门振动［J］.水利水运工程学报，2001 （6）：10-15.

［2］严根华.水电站拦污栅振动特性和抗振设计研究［J］.水力发电，2006，32（10）：77-79.

［3］SL 655—2014水利水电工程调压室设计规范［S］.

［4］SL 155—2012水工（常规）模型试验规程［S］.

［5］倪新贤，江春波，石二朋，等.闸门对水力过渡特性影响研究［J］.水力发电，2010，36（10）：59-61.

［6］刘永胜，严根华，赵建平.电站进水口快速闸门振动特性研究［J］.固体力学学报，2011（10）：382-387.

［7］凌春海，李静，陈共建，等.论水电站调压井设置快速事故闸门的必要性［J］.广东水利水电，2008（2）：19-22.

［8］张祖林，邓抒豪.红花水电站泄水闸闸门的流激振动与运行调度［J］.人民珠江，2008（1）：49-51.

（责任编辑高瑜）

Research on Stability and Safety Precautions of Surge Tank Stop Gate for Hydropower Station

ZHAO Jianping1，2，ZHANG Weijie1，2，YAN Genhua1，2，HU Qulie1，2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，Jiangsu，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210029，Jiangsu，China）

The surge-chamber stop gate of diversion and power system of hydropower station is an important device to ensure quick stop when a failure happens on power units and plays a decisive role to ensure the safe operation of units.The relationship between impedance hole size of surge tank and the stability of stop gate is studied herein，which reveals the main influence factors and change rules of impedance hole size on the security and stability of stop gate and points out the reason of dynamic instability of stop gate.The control methods and safety precautions to ensure dynamic stability of stop gate are put forward.

surge tank；resistance hole；stop gate；flow-inducing vibration；hydropower station

TV663

A

0559-9342（2016）02-0070-05

2015-08-29

赵建平（1980—），男，江苏丹徒人，高级工程师，主要从事水工结构流激振动研究.