溢流坝表孔弧形闸门流激振动原型观测
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第31卷第2期2012年4月水力发电学报JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING Vol．31No．2April ，2012溢流坝表孔弧形闸门流激振动原型观测研究严根华1，2，陈发展1，2（1.南京水利科学研究院，南京210029； 2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210029）摘要：本文根据溢流坝弧形闸门的工作特点，对工作闸门的泄流流态、闸门结构的静动力特性以及流激振动响应等方面进行了系统观测研究。
在静力特性观测研究的基础上，进行了闸门局部开启泄洪状态下的水力学和流激振动状态检测，取得了不同开度下溢流坝闸孔进口水流流态，揭示了大开度运行时门前涌浪对闸门面板下部结构的冲击作用。
获得了闸门结构不同开度条件下典型部位的水流脉动压力作用以及振动加速度、动位移和动应力等动力响应参数的量级及其谱特征，取得了闸门振动量随开度的变化规律。
对闸门结构的运行安全性进行分析评价和科学论证，提出了闸门结构局部开启的运行操作规程。
关键词：水力学；溢流坝；表孔闸门；结构静动力特性；流激振动响应；运行操作规程中图分类号：TV135.4文献标识码：BPrototype observation and study of flow-induced vibrations ofradial gate at spillway dam outletYAN Genhua 1，2，CHEN Fazhan 1，2（1.Nanjing Hydraulic Research Institute ，Nanjing 210029；2.State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering ，Nanjing210029）Abstract ：This paper presents a systematic observation and study on a working radial gate of spillway dam ，focusing on its flow pattern ，static and dynamic forces on the gate structure and its flow-induced vibrations．According to the observation results of static forces ，we measured and detected the hydraulic parameters andflow-induced vibrations under partially-opened flood-releasing condition ，and collected data of flow patterns atdifferent openings．The measurements reveal the impacting of front surge on the lower part of gate panel atlarge openings．We established a relationship of gate-vibration magnitude versus gate opening through ananalysis on the data of pressure fluctuations ，vibratory acceleration ，dynamic displacement ，dynamic stress ，other dynamic response parameters and their frequency-spectral features at typical locations of the gate panel．According to structure safety ，some regulations over operation of a partially-opened gate are put forward．Key words ：hydraulics ；spillway dam ；crest outlet radial gate ；static and dynamic forces on structure ；flow-induced vibration response ；regulations for operation收稿日期：2010-07-12作者简介：严根华（1956－），男，教授级高工．E-mail ：ghyan@0前言本文以海南省大广坝水利枢纽工程溢流坝表孔弧形闸门为研究对象（图1）。
该工程具有发电、灌溉、供水等综合效益，是昌化江梯级开发中唯一大型综合利用的水利水电工程。
电站在系统中承担调峰、调频、调相任务。
该工程包括枢纽、灌溉和发电工程三大部分。
水电站装机容量24万kW ，多年平均发电量5.04亿kW ·h ，引水灌溉农田6.63万hm 2，每年向昌江县、东方市提供工业与居民用水8190万m 3。
水库正常蓄水位140.00m ，死水位116.00m ，总库容17.1亿m 3，为多年调节水库。
属一等大（1）型工程，按1000年一遇洪水设计，可能最大洪水（PMF ）校核。
拦河坝全长5842m ，河床为碾压混凝土重力坝，最大坝高57m ，坝长719m （其中溢流坝段布置在河床偏左岸，第2期严根华等：溢流坝表孔弧形闸门流激振动原型观测研究141图1大广坝上游全景Fig.1Upstream panorama of the Daguang dam 长314.5m ），两岸接土坝，土坝长5123m 。
溢洪道为开敞式溢流坝（见图2），堰顶高程126.00m ，用闸墩分割成16个孔口，孔口净宽16.0m ，孔口闸门尺寸为16m ˑ14.5m （宽ˑ高），共装设16扇露顶式弧形钢闸门，采用液压启闭机启闭。
溢流坝表孔弧形工作门宽16m ，高14.5m ，圆柱铰斜支臂，弧面曲率半径为17.5m ，采用实腹式工字型双横梁结构，用16mm 钢制作。
闸门为双吊点，吊点距14m ，吊点放在下主横梁的上方，用2ˑ1250kN 液压启闭机启闭。
闸门可作全开和局部开启运行。
1表孔泄洪水流流态溢流坝弧形闸门开启泄洪时，闸前流态随着闸门开度和下泄水流流量加大，在闸墩二侧出现对称、反向，强度由弱变强的漩涡见图（3 4），该漩涡对闸门面板产生动力作用，也是诱发图2溢流坝剖面图Fig.2Cross-section of the spillwaydam图3闸门中等开度时闸前漩涡流态Fig.3Flow pattern of the intake vortex before the sluice gate with moderateopening图4闸门大开度时闸前流态（开度8m ）Fig.4Flow pattern in front of the sluice gatewith large opening142水力发电学报2012年图5溢流坝弧形工作门应力测点布置Fig.5Locations of stress measurement on the radial sluice gate of spillway dam （a ）downstreamview ，（b ）side view ，（c ）top view 闸门振动的主要动力源之一。
流态观测显示，当闸门开度n 0=0.1m 0.2m 范围时，上游水面平稳；闸门启至0.5m 高度时，两侧角隅出现微小漩涡；随着闸门开度的增加，漩涡尺寸加大且出现不稳定状态。
当闸门开启至2.0m 高度时，漩涡尺寸继续加大，开始形成吸气漏斗漩涡，出现声响。
闸门开启至3.0m 高度时，门前漩涡更大，流态复杂，水流冲撞，漩涡下泄伴有更大声响。
当闸门继续开启至4.0m 高度时，门前水流开始出现汹涌现象，闸门中部亦出现小漩涡；当闸门开度n 0=8.0m 时，门前流态恶劣，行进流速形成倾斜水面线，墩头绕流形成漩涡型涌浪，对门体产生动力作用。
但此时动水荷载的作用面积也随之减少。
从流态角度考察，处于大开度局部开启泄流时，闸前涌浪大，对闸门门叶底缘部位产生较大冲击，闸门运行时需要控制和避免。
2闸门结构的静力特性试验对于闸门结构的应力特性，重点对弧门主要受力构件如主梁、面板和支臂等部位进行应力测试。
共安装42个应力测点（见图5）。
在设计水位138.53m 条件下，闸门结构静应力随部位不同而呈现出不同的应力变化特征，部分测点为拉应力，部分为压应力。
在闭门过程中由于水压力作用闸门支臂处于呈压状态，全关位时闸门承受压力达到最大，应力也达到最大值，约为64MPa ；主横梁翼缘与支臂连接处主要表征为压应力，闸门中心部位表征为拉应力，试验测得最大拉应力约为45MPa ，位于下主横梁中部；主横梁腹板应力随位置不同和闸门开度的不同而呈现不同的变化规律，但应力值不大；闸门面板的应力变化也以位置的不同而不同，试验测得最大静压应力值约为96MPa 。
3闸门结构有限元静动力特性分析大广坝水电站溢流坝弧形闸门采用露顶式圆柱铰斜支臂结构形式。
孔口宽度为16.0m ，高度为14.8m ，设计水头为14.5m 。
在进行现场振动观测的基础上［1］，对闸门结构的静动力特性进行计算分析，以便校核闸门结构的运行安全性。
3.1闸门结构有限元模型弧形闸门所建有限元模型共包括3310个面，34536个节点，34852个shell 单元，共有207216自由度。
计算模型重量为104.84吨。
闸门设计总重量为103.09吨，二者重量误差为1.7%，满足数学模型建模精度要求。
3.2闸门结构动力特性分析分别考查了闸门结构不同边界约束条件情况下的振动模态特征，取得闸门不同状态下结构的振动频率和振动形态。
闸门结构动力特性分析结果指出，闸门不同的约束条件对动力特性产生显著影响。
考虑闸门支铰部位约束情况的模态特性分析结果显示，该工况第1阶振型为闸门绕支铰轴旋转的结构刚体转动模态；闸门面板上部二角点弯曲变形振动频率为1.997Hz ，面板下部二角点弯曲变形振动频率为2.73Hz ，闸门上部面板弯曲变形振动频率为15.543Hz ，支臂一阶横向弯曲振型相应频率为16.47Hz ，支臂一阶反对称弯曲振型振动频率为17.775Hz ，闸门上部面板弯曲变形振动频率19.407Hz ，振动频率大于19Hz 以上的相应振型均为支臂斜支撑局部变形振动。
第2期严根华等：溢流坝表孔弧形闸门流激振动原型观测研究143当考虑闸门支铰和面板二侧部位水封约束，第1阶振型为闸门绕支铰轴的旋转模态；二阶振型为闸门上部面板弯曲变形，相应振动频率为15.657Hz；三阶振型为闸门支臂和面板上部二角点弯曲变形，相应振动频率为16.024Hz；闸门支臂和面板上部二角点弯曲变形振动频率为16.474Hz；五阶振型为支臂一阶对称弯曲变形，相应振动频率为16.643Hz；六阶以上振型为面板高阶弯曲和支臂斜支撑局部变形振动。
