平面事故闸门动水闭门故障分析及体型优化实验研究

杨 波

(华中农业大学，湖北 宜昌 518107)

1 概述

一般来说，水利工程采用的都是平面闸门，这种类型的闸门构造简单，使用方便，适配性比较强，但是它也有着自身的不足，容易出现事故。通常闸门出现问题的原因是震动和侵蚀，或者是打开或者关闭闸门时压力不对，另外操作不当也会导致闸门出现问题。人们对此也进行过很多研究，并提出了一些行之有效的解决措施。近些年，关闭闸门时压力不足的问题经常出现，导致闸门无法完全闭合，相关学者研究发现，这一问题产生的根源在于摩擦系数，但由于各种现实条件的限制，无法进行现场检验。本文以某工程的事故闸门为研究对象，进行了实地探查。再借助模型进行模拟计算得出问题产生的原因，接着制定出对应的解决措施，通过试验验证该方案的合理性。

2 事故闸门试验模型构建

2.1 事故闸门

某水电站的闸门宽5.88m，高13.8m，厚度为1.45m。如果水电站出现问题，闸门会迅速关闭，隔断两侧的水流，保证水电站的安全。但仅凭闸门本身的重量是无法关闭的，需借助额外的附加重量以及水柱的压力才能关闭闸门。闸门的安全运作是保证整个水电站安全运行的前提，关系到整个水电站及其周边地区的安全。该水电站在2011年建设完成并投入使用，运行至今，其闸门在关闭时已经发生了数次无法彻底闭合的情况，引起人们的重视。在2012的闸门事故当中，有3扇闸门在闭合到40%时就不能再继续进行闭合，这一情况发生时，水电站两侧的水位差将近37m。面对这一问题，水电站启动了相应的应急方案成功关闭了其中两扇闸门，但仍然有1扇闸门距离完全闭合还有2.5m的距离。结合当时的实际情况，水电站的工作人员进行了计算，针对仅剩的1扇事故闸门进行加重处理，然后再次启动闸门闭合，但该扇事故闸门在移动了1.5m后再次无法闭合，最后工作人员对其开度进行调整之后，该闸门才完全闭合。

2.2 试验模型

为了避免该水电站闸门无法完全闭合的情况再次出现，造成不可预计的损失，必须找出该问题频繁发生的根源，并制定出相应的对策彻底解决这一问题。结合该水电站的实际情况，建造相应的水力学模型，该模型的比例为1∶20，由有机玻璃制作而成，做工精巧细致，覆盖了水电站引水口至水库末端的入口区域，完美还原了该区域的重要构造，保证精准模拟闸门关闭时的各种情况。为了检测模拟过程中的各种数据，在模型中安装了对应的测量仪器，在模拟过程中，记录下相应的数据，安装示意图如图1—2所示。

图1 进水口及事故闸门模型(单位：mm)

3 闸门事故原因分析及体型优化

3.1 试验方法

3.1.1门体水柱压力试验

为了测量闸门闭合时水柱压力的作用位置，在图1的12—15处梁安装了测量仪器，以2012年事故发生时的各种数据为依据进行模拟，检测图12—15位置的压力情况。另外，因为闸门在闭合时很容易受到水流影响，每次机组导叶和闸门开合均会影响到水流，所以在测量得知水柱压力的最大作用位置后，本次模拟以10%为一个单位，模拟不同开合度下，所有水柱产生的压力。

3.1.2闸门体型修改试验

在实际水电站建设过程中，考虑到建设所需成本和闸门启动机器能够承受的容量，及这种类型的闸门在闭合时并不能产生额外的作用，所以闸门本身以及附加的重量一般都不会太高。针对这种情况，通常都是利用水柱的压力或者提高一定情况下闸门底部的吸力来获取足以使得闸门闭合的力量，成功关闭闸门。为了理想地还原事故现场，保证结论的精确度，模型按照比例还原了闸门地坎的构造，鉴于影响闸门的各种因素，本次设定了3种闸门体型的修改方法，满足不同情况下闸门的需要，如图2所示。在闸门的吊耳位置(图1的8号位置)放置了测量仪器，用于测量不同修改方案下的闸门在正常闭合时产生的持住力。通过模拟4种不同方案下的闸门状态制定出最为恰当的闸门体型修改方案。

图2 闸门体型优化方案

3.2 结果与分析

3.2.1面板和梁格布置对闸门闭合的影响

为了测量水柱压力的主要作用位置，在图1的12—15位置分别放置了4个测量仪器，设置了3种不同的闸门开合度，从左到右，开合度分别为36%、29%、14%。不同开合度下梁各位置承受压力的模拟实验结果如图3所示，根据图3的实验结果可以看出，梁15位置不同闸门开合度下承受的压力变化最为明显，所以梁15位置，承受的压力最大，是水柱压力的主要作用点。

图3 闸门12—15位置各测点时均压力值

梁15位置各测点承受压力的情况如图4所示。图4从左到右设定的闸门开合度分别为36%、14%、7%。根据图4的模拟结果可知，在闸门开合程度一致时，机组导叶的打开程度越大，闸门承受的水柱压力就越高。在机组的打开程度一致时，闸门闭合的程度越高，所承受的水柱压力就越高。在闸门逐渐向下关闭的过程中，闸门上方一面承受的压力靠近上游水头，另一面的情况则恰恰相反，承受的压力值越来越小。当闸门基本完全闭合时，水柱压力几乎接近水电站两侧水位所产生的最大压力值370kPa。数据表明，闸门面板和梁格的布置是合理的，充分借助了水柱压力所能发挥的作用，所以导致闸门无法完全闭合的根源不在这里。

图4 梁15位置各测点时均压力值

3.2.2不同方案下关闭闸门时的持住力分析

该水电站闸门最初的体型和前3个修改方案在闸门关闭时的持住力情况如图5所示。从图5中可看出，在闸门开度比较高的时候，方案1的持住力及其变化情况与初始闸门体型的情况吻合。而当闸门开度比较小时，方案1的持住力则比原来要低，闸门闭合的情况并不理想。这是由于方案1增加了闸门底部和水流的接触面积，这种情况下关闭闸门会更大程度地受到水流的影响。第二个修改方案，在闸门的开度较大时与原体型的变化情况基本吻合，但在闸门开度较小时，该方案中的持住力比原体型高，并且逐渐增高，这时，闸门闭合的效果也不理想。方案2对于增加持住力具有一定作用，但由于闸门底部压力不均衡产生的震动更不利于闸门的闭合。第三个方案中，随着闸门的闭合，持住力始终高于原体型，虽然闭门效果也不理想，但在3个方案中，方案3闭合的程度最高，效果最佳。综上所述，方案3可作为闸门体型修改的最佳方案。

图5 不同方案下闸门关闭时持住力的变化示意图

3.2.3闸门不能完全闭合的原因分析

影响闸门关闭的因素有很多，主要因素如图6所示。综合摩擦力和持住力的计算公式分别为：

T=f(Phu-Phd)

(1)

F=nGG+Ws+Gj-nTT-Pt

(2)

式中，F—闸门关闭时的持住力；Ws—水柱压力；Phd、Phu—闸门两侧水流产生的推力；G—闸门本身的重量；Gj—配重；Pt—闸门底部承受的压力；f—F的系数；nG—闸门本体重量的修正系数，范围在0.9到1.0之间；nT—摩擦阻力的安全系数，一般为1.2。

前文已经得出，在闸门基本闭合时，水柱压力几乎接近水库两侧水位差距所能产生的全部水压力，这表示修改方案合理，充分发挥了水柱压力的作用。根据图5可知，方案3中的闸门体型效果最佳，所以闸门无法完全闭合的原因可能是由于摩擦系数过大，通过测量事故发生时的持住力与水柱压力，根据公式(1)—(2)我们可以反向推算出该模型的摩擦系数f的值约为0.16，同理，反向推导出事故发生现场的摩擦系数约为0.209，超过了设计值，所以可证实，闸门无法完全闭合主要是由于摩擦系数过大。参照以往的经验虽然可以采取一定的措施降低摩擦系数，但所需要的时间和成本非常高，对比之下，按照方案3对闸门体型进行修改既能节省成本又可以取得最佳闭合效果。

4 方案3模拟与结果分析

根据前文中3种方案的模拟结果得出，3种方案都无法使闸门完全闭合，其中方案3闭合效果最佳。为了探究方案3中闸门无法完全闭合的原因，本文进行了闸门受力实验，结果如图6所示。

图6 闸门体型水柱压力

根据方案3的模拟结果可得出，该闸门体型虽然充分发挥了水柱压力的作用，但在闸门接近完全闭合时，增加的前缘部分使得闸底过流量降低，无法形成低压条件，使得闸门无法继续闭合。所以需要对方案3中的前缘下表面的前部进行加厚处理，使得闸门接近闭合，底部可以产生低压条件，促使闸门完全闭合，优化后方案如图7所示。

图7 前缘优化示意图

为了检验优化后的方案是否可以完全闭合闸门，按照优化后的体型进行了模拟，结果如图8所示。

图8 优化前缘部分前后的水柱压力值示意图

从实验结果可得出，进行加厚处理后的前缘水柱压力增加，而且下降的拐点也延后很多，闸门也实现了完全闭合。证明这一优化方案是十分有效的。

5 结论

本文以某水电站出现事故的闸门为例进行了探究，得出了闸门无法完全闭合的原因是由于闸门闭合时产生的摩擦系数过大，远远超过了设计值。因此，在闸门启闭力的研究过程中，不能忽视闸门摩擦系数不确定性对闸门安全性的影响，应同样将其作为研究重点。针对这一问题本文设计了3种方案并进行模拟检验，最后发现方案3增设前缘部分是最为合理的体型修改方案，但仍有不足之处，闸门还是无法完全闭合，又对方案3进行了优化处理，对前缘下表面的前端进行加厚，最终实现了闸门的完全闭合。此方案可为类似工程问题的解决提供借鉴，但在具体实施前应结合工期、投资及启闭设备的容量加以验算。