论文导读:：电站进水口快速闸门是机组和引水系统一旦发生事故后进行快速应对、控制事态扩大的控流设施。本文研究溪洛渡电站快速闸门水力学及流激振动问题。着重对机组甩负荷时的闸门动水压力作用、门体结构的振动状态及待命高度之间的关系、闸门启闭力等进行了深入研究，取得了快速闸门净动水作用力、水流脉动压力、振动加速度等水力结构参数，论证了设计方案的合理性，提出了安全运行建议。
论文关键词：电站快速闸门，机组甩负荷，动水压力，振动状态，待命高度
1 前 言
水电站运行过程中，机组和引水系统常常会发生故障，此时可能需要通过进水口快速闸门紧急下门，截断水流，避免事故的进一步扩大。本文以溪洛渡电站为依托工程，研究事故闭门过程中的电站进水口快速闸门的水力学及流激振动问题。
该工程每台机组进口在检修闸门后面设一扇8m×10m的快速闸门，底坎高程为518.00m，快速闸门设计水位取为600.63m，设计水头为82.63m，闸门总水压力为63782 kN。在机组出现甩负荷且机组保护装置失灵时，利用此门快速关闭进水口，截断水流，防止事故扩大。
快速闸门采用平面滑动闸门，下游止水，采用高强度钢基铜塑复合材料滑道支承，摩擦系数（按0.04~0.09考虑），闸门利用部分水柱动水关闭，静水开启，门顶设充水阀待命高度，在水位差Δh≤5m情况下允许启门，闸门下游侧设有1.5m×4m的通气孔。快速闸门液压启闭机活塞杆吊头通过拉杆与闸门吊耳相连，闸门平时用液压启闭机悬挂在孔口以上约1m处，当机组发生事故时，可在中控室或启闭机房内操作快速关闭闸门，闭门时间≤4min，闸门接近底坎时的闭门速度≤5m/min。水工结构布置及快速闸门结构布置见图1.1～图1.2。
 
图1.1进水口快速闸门及启闭机布置图图1.2快速闸门总图
Figure 1.1 Layout of stop gate and hoist atthe intake Figure 1.2 General view of stop gate
开展该项试验研究旨在完善快速闸门设计，优化闸门布置，以便满足工程投资节省、水流条件好、结构稳定可靠、运行安全等要求。因此深入做好该项试验研究工作具有重要科学意义和工程价值。
2 快速闸门水力学特征研究
溪洛渡电站进水口快速闸门采用门后止水，部分利用水柱下门的方式进行动水闭门、静水启门操作。对快速闸门而言，以下几方面需要重点关注：①快速闸门最大持住力的确定，以正确校核启闭机设计容量；②论证快速闸门能否关闭到位，以确保瞬时断流，乃是闸门安全运行的关键问题；③快速闸门在闭门过程中不发生危害性振动，确保闸门安全可靠地运行。
本项试验采用1：25正态重力相似模型进行。
2.1 快速闸门时均动水压力分布
通过试验测量，作用于门体的压力分布随部位不同及开度变化有其自身的变化特征：
1）快速闸门上游面的压力存在三个变化区：①底缘部分；②门井与底缘之间部分；③门井部分。底缘部分的压力分布由于受到闸下流速水头的影响而略有降低，底缘上方、门井以下部分闸门的压力分布略有提高，门井内压力略有下降。
2）门后反压主要表现在闸门处于门井部分的反向作用力上。实测资料表明：①随着闸门开度的减小，门后反压逐渐减小；②门后反压由门顶向下呈现递减趋势。
3）门顶时均压力随开度减小逐步增加，至闸门全关达到最大值。
试验成果显示，快速闸门在各级库水位和不同开度情况下门顶均能有效形成水柱论文参考文献格式。
2.2 快速闸门动水作用力特性
快速闸门下门过程中，闸门门体除经受时均动水作用外，还受到水流脉动荷载的作用。作用于闸门底缘及顶部的动水压力直接关系到计算闸门作用力的正确性。本次试验力求探索作用于门体底缘的动水压力作用情况。
试验结果指出，当快速闸门处于满流情况下，脉动压力值一般较小；处于明满流交替状态时量值较大。底梁下腹板附近的脉动压力具有一定量级的负压值时其脉动压力值也较大。总体上看，快速闸门小开度时上游面诸测点的脉动压力量级不大，各级库水位下，小开度时上游底缘下部的脉动压力均方根值均小于1.0m水柱；而后由于流态变化的原因，其值有一定程度的增大；当管道进入满流之后，其值又随着开度的增大而逐渐减小。当闸门底缘超过孔口高度进入门井以后，其值较小。上游水位600.63m时，测得的上游底缘最大脉动均方根值约5.88kPa，下游底缘最大脉动均方根值约16.64 kPa；上游水位580.0m时，测得的上游底缘最大脉动均方根值约6.86 kPa，下游底缘最大脉动均方根值约19.6 kPa；上游水位560.0m时，测得的上游底缘最大脉动均方根值约5.39 kPa，下游底缘最大脉动均方根值约15.68 kPa；上游水位540.0m时，测得的上游底缘最大脉动均方根值约3.92 kPa，下游底缘最大脉动均方根值约5.39 kPa；处于类似流态、位置情况下的脉动均方根值一般随着水位的降低而减小。从时域过程和功率谱密度图来看待命高度，大部分测点的优势频率在5Hz以内，上游底缘部分的水压力作用力与时均压力测量数值量级、变化规律基本一致；在自由出流阶段，下游底缘下腹板部分测量存在一定大小的脉动强度，且动水压力出现了负压，单点最大为-35.67 kPa，其它在-9.8 kPa以下，以kN/m2折算，约为：单点最大为36.40 kN/m2，其他在10 kN/m2以下。规范要求计算启闭力可以采用20 kN/m2来估算下吸力，这里可以用实际测量值来换算。
 
图2.1 快速闸门底缘部位脉动压力均方根值表
Figure 2.1 TheRMS value of pulsating pressure at the hemline of sop gate
 
图2.2 快速闸门底缘部位脉动压力时域过程及功率谱密度(H=600.63m)
Figure 2.2 Time domain course and power spectral density (H=600.63m)of pulsating
pressureat the hemline of stop gate
3 快速闸门振动特性研究
快速闸门下门过程中，闸门门体受动水作用，闸门将产生一定量级的振动，其运行平稳性可以通过测量振动加速度，以期比较各开度下的振动加速度量值，了解闸门在闭门过程中是否平稳。当前闸门振动加速度测量在质量分布相似的配重门上进行，测点主要布置在闸门顶部，闸门上的振动加速度测点见图3.1。
图3.1 快速闸门振动加速度测点布置图
Figure 3.1Layout of testing points for vibration acceleration of stop gate
上游水位600.63m时，振动加速度随开度变化关系见图3.2，典型测点的时域过程和功率谱密度图见图3.3。各级水位下，出闸水流流态从大开度满流向小开度自由出流过渡，振动加速度一般是先小再逐渐增大，明满流过渡时达到最大。从与n=11m开度时的闸门振动量比值看出：H=600.63m时得到其它开度下振动比值最大值为4~5；开度n=10m时闸门的振动量比开启n=11m时要大。同样，H=580.0m时得到的比值最大值为3~4，一般在1~2倍之间；开度n=10m时闸门的振动量比开启n=11m时要大。H=560.0m时得到的比值最大值为4，一般在1~2倍之间。H=540.0m时得到的比值最大值为4~5，一般在1~2倍之间， n=10m开度时的数值比n=11m开度要大的多。
通过时域过程和功率谱密度图可以看出：不同库水位、大开度情况下，振动信号在有些开度情况下出现突变，尤其是在低水位大开度情况下这种情况较为明显。可能与闸门所受到的约束减小有关，而门井内水位的波动影响相对高水位情况时加大。当闸门在低水位大开度运行时，需要关注这种情况。其他各级水位开度情况下，未见异常振动现象，大部分测点的振动能量集中在前5Hz以内频率段内。
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