高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究.pdf

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1、第4期水利水运工程学报No.42017年8月HYDRO-SCIENCEANDENGINEERINGAug.2017DOI：10.16198／j.cnki.1009-640X.2017.04.003王新，胡亚安，严秀俊，等.高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究[J].水利水运工程学报，2017（4）：14-19.（WANGXin，HUYa’an，YANXiujun，etal.Sectioningteststudyonvalvetopgapcavitationofhigh-headlock[J].Hydro-ScienceandEngineering，2017（4）：

2、14-19.（inChinese））高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究1，21，21，211王新，胡亚安，严秀俊，吴波，钱文勋（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；2.南京水利科学研究院通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏南京210029）摘要：针对日益严峻的高水头单级船闸阀门顶缝空化问题，采用能够真实反映缝隙流特性的1∶1切片模型试验，研究阀门顶缝空化特性及门楣自然通气防空化机理。研究表明，随着空化的发展，缝隙段依次发生喉口跌坎空化、主流中心空化和阀门面板空化，缝隙段负压区不断延伸，直至整个缝隙段达到稳定的

3、-10m水柱负压，压力脉动很小；门楣自然通气通过增加缝隙段压力，消除主流中心空化和阀门面板空化，抑制喉口跌坎空化。当采用门楣自然通气措施后，缝隙段压力稳定在-2m水柱左右，空化消失，缝隙段水流脉动压力增大；缝隙段压力与单宽通气量近似二次多项式关系，通气量极值对应的缝隙段压力约-2m水柱，此时缝隙段压力与通气量达到平衡状态，当缝隙段压力逐渐升高时，门楣通气量逐渐降低，直至自然通气停止。关键词：高水头船闸；阀门；顶缝空化；自然通气；切片试验＋中图分类号：U641.33文献标志码：A文章编号：1009-640X（2017）04-0014-06阀门是船闸输水系统的咽喉，

4、其安全平稳运行直接关系到整个船闸的运行安全及效率，重要性不言而喻。船闸工作水头超过20m称为高水头船闸，高水头船闸阀门段空化是影响阀门及启闭系统振动、结构安全、运行平稳性的重要因素。典型的如葛洲坝船闸，设计运行水头27m，输水阀门段空化对通航建筑物及设备的正常运转造成了严重影响，1号船闸反弧阀门M20止水螺栓被剪断，反弧门振动加速度均方根值超过4g，门楣16Mn的钢板蚀出8～10mm深的沟槽，3号船闸反弧门面板蚀穿，底缘成蜂窝，门楣厚度为24mm[1-2]的钢板被蚀穿，两端部混凝土外露。通过不断研究探索及工程实践，对高水头阀门空化问题认识不断深入，阀门段空化主要

5、包括门楣缝隙空化、底缘空化、廊道跌坎及升坎空化、门槽空化等，其中门楣缝隙处产生[3-4]的强射流及高频空化最为强烈，底缘空化其次。在我国船闸工程的快速发展过程中，建设了一批高水头船闸，代表性的有水口三级船闸（中间级水头[5-6]41.7m）、五强溪三级船闸（中间级水头42.5m）、三峡五级船闸（中间级水头45.2m）。针对高水头阀门抗空化的迫切需要，通过科技攻关，提出了高水头阀门的防空化新技术，采用新型阀门段廊道体型、合理的初始淹没深度及门楣自然通气相结合的措施，高水头阀门的空化问题得到了妥善解决，尤其门楣自然通气，不仅抑制主要的门楣缝隙空化，而且掺气水流能够抵

6、达阀门底缘，对底缘空化也有很好的抑制作用，已成为高[7-8]水头阀门防空化必备措施。当然，门楣通过设计掺气槽、利用缝隙段负压实现自然通气，通气效果与门[9-10]楣的体型设计密切相关，因此门楣体型至关重要。在高水头阀门门楣体型研究方面，鉴于实际缝隙流未[11-12]进入阻力平方区，南京水利科学研究院开创了能真实反映缝隙流特性的门楣1∶1切片试验方法，并应用于葛洲坝、三峡、大化、乐滩、红花、草街、银盘等国内高水头船闸门楣体型论证，为阀门防空化设计提供了重要科技支撑。收稿日期：2016-08-25基金项目：国家自然科学基金面上项目（51479124，51479125

7、）作者简介：王新（1983—），男，江苏宿迁人，高级工程师，博士，主要从事通航水力学研究。E-mail：xwang＠nhri.cn第4期王新，等：高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究15近年来，随着船闸建设水平不断提高，大型化单级船闸日益增多，如大藤峡船闸最大工作水头40.25m，代表目前我国单级船闸的最高水平，阀门各种水力学问题更加复杂。目前的门楣体型能否适应更高水头的阀门，有必要进一步研究论证。基于此，本文依托大藤峡船闸工程，利用高速高压缝隙流试验装置，开展高水头阀门1∶1模型切片试验（见图1），重点研究探讨了门楣顶缝空化特性及自然通气防空化机理。1门楣1∶1

8、切片试验设计图1高速高压