長(zhǎng)輸水隧洞中段有壓平面閘門(mén)啟閉力及穩(wěn)定性試驗(yàn)

楊 敏,牛利敏,陳 林,李會(huì)平（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072）

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長(zhǎng)輸水隧洞中段有壓平面閘門(mén)啟閉力及穩(wěn)定性試驗(yàn)

楊 敏,牛利敏,陳 林,李會(huì)平
（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072）

摘要:針對(duì)某輸配水工程長(zhǎng)輸水隧洞中段有壓平面閘門(mén)的動(dòng)水啟閉過(guò)程,根據(jù)重力相似準(zhǔn)則建立水力學(xué)模型以研究閘門(mén)動(dòng)態(tài)啟閉力和靜態(tài)持住力的變化特征及閘門(mén)底緣的水動(dòng)力特性。結(jié)果表明:閘門(mén)的動(dòng)水啟閉力在小開(kāi)度范圍內(nèi)變化劇烈且最大啟閉力發(fā)生在相對(duì)開(kāi)度0.05附近,持住力與啟閉力隨閘門(mén)開(kāi)度變化規(guī)律基本一致;與底主梁不開(kāi)孔方案比較,當(dāng)?shù)字髁洪_(kāi)孔率27％時(shí)閘門(mén)最大動(dòng)水啟門(mén)力和閉門(mén)力分別減小5.7％和7.8％,降低幅度較小;該工程設(shè)計(jì)底緣形式的閘門(mén)振動(dòng)是穩(wěn)定的,閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)與水流發(fā)生共振的可能性很小,能夠保障閘門(mén)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:平面閘門(mén);長(zhǎng)輸水隧洞;啟閉力;底主梁開(kāi)孔;底緣形式;穩(wěn)定性

閘門(mén)啟閉力的估算對(duì)閘門(mén)啟閉機(jī)的選型有重要作用,是閘門(mén)正常運(yùn)行的前提。潛孔式平面閘門(mén)在啟閉過(guò)程中門(mén)體水動(dòng)力荷載受閘門(mén)結(jié)構(gòu)體型、作用水頭、流速、啟閉速度等諸多因素的影響,變化非常復(fù)雜,目前還很難準(zhǔn)確計(jì)算,一直是閘門(mén)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-2]。常見(jiàn)的潛孔式平面閘門(mén)一般布置在隧洞進(jìn)出口處,啟閉過(guò)程中閘門(mén)上下游水位保持不變,閘門(mén)井內(nèi)水位變化較小。而當(dāng)閘門(mén)布置在長(zhǎng)距離輸水隧洞中間位置時(shí),成為有壓閘門(mén),閘門(mén)在啟閉過(guò)程中水力條件跟常見(jiàn)潛孔式平面閘門(mén)不同,表現(xiàn)在若閘門(mén)為下游側(cè)止水,閘門(mén)在全關(guān)狀態(tài)時(shí)閘門(mén)井內(nèi)水位與隧洞進(jìn)口處水位相同；若閘門(mén)為上游側(cè)止水,則閘門(mén)在全關(guān)狀態(tài)時(shí)閘門(mén)井水位與下游水位相同,閘門(mén)在啟閉過(guò)程中閘門(mén)井內(nèi)水位隨開(kāi)度變化降低或升高。閘底過(guò)流流量與水頭、開(kāi)度、流量系數(shù)等有關(guān),對(duì)于長(zhǎng)輸水隧道中段有壓平面閘門(mén),由于閘門(mén)井內(nèi)水位隨開(kāi)度變化無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算且隨開(kāi)度增大的變化規(guī)律尚不明確,流量變化可能不是單一的遞增或遞減,且變化還與閘門(mén)在長(zhǎng)隧洞中的位置有關(guān),水力條件很復(fù)雜。

前人的研究大多針對(duì)常見(jiàn)潛孔式平面閘門(mén)的啟閉力[3-5],而對(duì)長(zhǎng)距離輸水隧洞中段的有壓閘門(mén)啟閉力較少提及。由于水力條件的復(fù)雜性和水力參數(shù)的不確定性,很難通過(guò)數(shù)值模型對(duì)此進(jìn)行研究。本文通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究該類(lèi)閘門(mén)在動(dòng)水中的啟閉力特性、底主梁開(kāi)孔對(duì)長(zhǎng)距離輸水隧洞中段有壓閘門(mén)啟閉力的影響及閘門(mén)底緣脈動(dòng)壓力特性,通過(guò)流激振動(dòng)響應(yīng)分析閘門(mén)的振動(dòng)穩(wěn)定性。

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.1 原型簡(jiǎn)介

某輸配水工程的輸水隧洞長(zhǎng)112 km,該控制閘閘門(mén)位于距隧洞下游出口500m處,為長(zhǎng)輸水隧洞中段有壓控制閘門(mén)。工程上游水庫(kù)設(shè)計(jì)水位108m,校核水位114m,最低引水水位86m,輸水隧洞設(shè)計(jì)過(guò)流流量38.8m3/s,設(shè)計(jì)加大流量47.6m3/s。閘門(mén)室段孔口尺寸為4.0m×5.0m（寬×高）,閘門(mén)面板朝向來(lái)水側(cè),封水布置在閘門(mén)下游邊梁后翼緣,鋼閘門(mén)尺寸為5.47m×5.40m（寬×高）,總質(zhì)量35 t。工作閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 工作閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模型總體布置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)條件,隧洞及閘門(mén)水力學(xué)模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),并考慮阻力相似,模型比尺選定λl=25,相應(yīng)的力比尺λF=15625,速度比尺λv=5,流量比尺λQ=3125,時(shí)間比尺λt=5。模型總體布置示意如圖2所示,模型范圍包括上游引水段、中部控制閘閘室段、下游配水井段3個(gè)部分,調(diào)節(jié)閥上游隧洞段采用鋼管制作,調(diào)節(jié)閥下游隧洞段及閘室段采用有機(jī)玻璃制作以方便觀察水流流態(tài)。圖3為中部控制閘閘室段試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。閘門(mén)中墩右側(cè)閘門(mén)采用有機(jī)玻璃制作,滿足幾何相似,左側(cè)閘門(mén)采用有機(jī)玻璃制作并用鉛塊進(jìn)行配重,滿足幾何相似和重力相似。

圖2 模型總體布置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

潛孔式平面鋼閘門(mén)啟閉力的計(jì)算方法按照SL74—2013《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。平面鋼閘門(mén)啟閉力的計(jì)算包括閘門(mén)門(mén)頂下壓力、底緣上托力、下吸力、止水與埋件的摩阻力、行走支承與軌道間的摩阻力、閘門(mén)自重。在閘門(mén)中墩右側(cè)閘門(mén)上下游面板、底緣斜板及下游側(cè)底主橫梁布置若干測(cè)點(diǎn)測(cè)量閘門(mén)的動(dòng)水壓力；左側(cè)閘門(mén)吊索上方裝有力傳感器并通過(guò)調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制閘門(mén)啟閉速度來(lái)測(cè)量持住力和動(dòng)態(tài)啟閉持住力。

圖3 閘門(mén)控制室段試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

通過(guò)拉力傳感器直接測(cè)量閘門(mén)啟門(mén)力和閉門(mén)力,規(guī)定啟閉力豎直向上方向?yàn)檎㈤T(mén)力和閉門(mén)力均是指鋼絲繩對(duì)閘門(mén)豎直向上的拉力,其中啟門(mén)力的大小和方向與規(guī)范中一致,閉門(mén)力指閉門(mén)持住力,與規(guī)范中規(guī)定的閉門(mén)力大小相等方向相反。動(dòng)態(tài)閉門(mén)過(guò)程中若鋼絲繩受拉,即傳感器測(cè)得閉門(mén)力為正時(shí)閘門(mén)可以正常關(guān)閉。原型和模型閘門(mén)止水摩擦力一般很難相似,目前閘門(mén)啟閉力試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)量閘門(mén)門(mén)體的動(dòng)水壓力分布,計(jì)算作用在閘門(mén)上的各項(xiàng)水力載荷,再結(jié)合閘門(mén)摩擦系數(shù)計(jì)算運(yùn)行時(shí)的止水摩擦力,最后得到閘門(mén)動(dòng)水關(guān)閉的啟閉力和持住力。閘門(mén)最大啟閉力可通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果加上修正項(xiàng)得到。按閘門(mén)6min完成閉門(mén)從全開(kāi)到全關(guān)和啟門(mén)從全關(guān)到全開(kāi)過(guò)程模擬。

1.4 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

閘門(mén)控制室上游溢流井控制上游水頭,中間設(shè)有電磁流量計(jì)及調(diào)節(jié)閥,以控制調(diào)節(jié)管道過(guò)流流量,下游配水井的溢流堰保持溢流狀態(tài)以控制下游水位。為方便分析比較,增加一組流量為2倍設(shè)計(jì)流量（Q0=77.6m3/s）的試驗(yàn)工況。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1（Zu為上游水位,Hd為水頭差,Q0為閘門(mén)全開(kāi)初始過(guò)流流量）,工況1-1、1-2、1-3水頭差相同流量不同,工況1-1、2-1、3-1流量相同水頭差不同。表中數(shù)據(jù)均已換算到原型。相對(duì)開(kāi)度0.2以下的閘門(mén)開(kāi)度定義為小開(kāi)度。試驗(yàn)時(shí)每隔0.1相對(duì)開(kāi)度測(cè)量閘門(mén)持住力。

對(duì)于長(zhǎng)輸水隧洞中段的有壓平面閘門(mén)無(wú)法進(jìn)行整體模擬,水力條件難以相似,試驗(yàn)中通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量并起到模擬長(zhǎng)輸水隧洞沿程水頭損失的作用。上游溢流井由擋板控制水位,保持上游溢流井和下游配水井為溢流狀態(tài),并在閘門(mén)處于全開(kāi)（開(kāi)度e=1）狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)管道過(guò)流流量,試驗(yàn)過(guò)程中不再轉(zhuǎn)動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥。同一工況下重復(fù)閉門(mén)、啟門(mén)過(guò)程兩次測(cè)量閘門(mén)動(dòng)水啟閉力,待各開(kāi)度閘底水流流態(tài)穩(wěn)定后測(cè)量閘門(mén)靜態(tài)持住力及面板和底緣的脈動(dòng)壓力。

表1 試驗(yàn)工況

2 啟閉力和持住力特性

2.1 啟閉力變化特征

試驗(yàn)測(cè)得在不同工況下閘門(mén)動(dòng)水啟閉力隨閘門(mén)開(kāi)度的變化規(guī)律基本一致。工況1-1啟門(mén)力和閉門(mén)力隨開(kāi)度變化曲線見(jiàn)圖4。從圖4可知,動(dòng)水啟門(mén)時(shí),啟門(mén)力隨閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度增大而急劇上升,至閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度0.05左右時(shí)達(dá)到最大值；之后啟門(mén)力迅速下降,在閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度約0.2之后啟門(mén)力下降漸趨平緩,相對(duì)開(kāi)度約0.3以后閘門(mén)啟門(mén)力基本在一定值附近波動(dòng)。

圖4 工況1-1閘門(mén)動(dòng)態(tài)啟閉力與開(kāi)度的關(guān)系

影響閘門(mén)啟閉力的因素主要有閘門(mén)自重、門(mén)頂水柱壓力、止水和滾輪摩擦力、閘門(mén)底緣壓力等。閘門(mén)自重是一定的,摩擦力與閘門(mén)面板上壓力有關(guān),試驗(yàn)測(cè)得各開(kāi)度下閘門(mén)面板壓力隨開(kāi)度呈下降趨勢(shì)但下降幅度很小,因此,閘門(mén)摩擦力變化對(duì)啟閉力影響較小,且相對(duì)于門(mén)頂水柱壓力較小。而閘門(mén)在全關(guān)狀態(tài)時(shí),由于閘門(mén)下游面板止水,閘門(mén)井內(nèi)水位較高,閘門(mén)門(mén)頂垂直水壓力較大。閘門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程的小開(kāi)度范圍內(nèi),閘門(mén)從不過(guò)流向過(guò)流狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)閘下水流流態(tài)發(fā)生劇烈變化,由底緣斜板測(cè)點(diǎn)和下游底主梁測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力可知,閘門(mén)底緣壓力表現(xiàn)為上托力,其值相對(duì)于門(mén)頂水壓力較小,因此在開(kāi)啟過(guò)程的小開(kāi)度范圍內(nèi)閘門(mén)啟門(mén)力急劇上升達(dá)到最大值。隨著開(kāi)度逐漸增大,閘門(mén)井水位逐漸下降,且在相對(duì)開(kāi)度0.2之前下降速度較快,門(mén)頂水柱壓力隨之減小,閘門(mén)底緣上托力隨閘門(mén)開(kāi)度的增大有小幅度的減小,閘門(mén)啟門(mén)力隨之減小,在此之后閘門(mén)井水位下降趨緩,同時(shí)大開(kāi)度時(shí)閘底過(guò)流流量增加緩慢,流速變化較小,過(guò)流流態(tài)基本穩(wěn)定,閘門(mén)底緣上托力變化較小,對(duì)閘門(mén)啟門(mén)力影響較小。

閘門(mén)在各工況下的最大啟門(mén)力和最大閉門(mén)力見(jiàn)圖5。在上游水位保持不變,水頭差相同時(shí),隨著流量的增大,閘門(mén)最大啟門(mén)力和最大閉門(mén)力也隨之增大（工況1-1、1-2、1-3）。在上下游水位相同時(shí),流量增加1倍,最大啟門(mén)力由1577.8 kN增加到1852.2 kN,增加17％；最大閉門(mén)力則由1 068.2 kN增大到1156.4 kN,增加9％（工況1-1、1-3）。在管道過(guò)流流量不變時(shí),隨著上下游水頭差增大,閘門(mén)最大啟門(mén)力和最大閉門(mén)力也隨之增大（工況1-1、2-1、3-1）。最大啟門(mén)力在水頭差14.55m時(shí)為872.2 kN,水頭差42.55m時(shí)則為1871.8kN,增加115％；最大閉門(mén)力則由656.6 kN增大到1146.6 kN,增加75％?？梢钥闯?長(zhǎng)輸水隧洞中段有壓閘門(mén)的最大啟閉力對(duì)上下游水頭差的變化比較敏感,而流量的變化對(duì)閘門(mén)的最大啟閉力影響較小。

圖5 各工況下最大啟門(mén)力和閉門(mén)力

小開(kāi)度時(shí)門(mén)頂水柱壓力較大,對(duì)閘門(mén)的最大啟閉門(mén)力進(jìn)行摩擦力校核,接近全關(guān)狀態(tài)時(shí)面板壓力取上游最高水頭74m,止水摩擦系數(shù)取最大值0.7,滾動(dòng)摩擦力臂取1mm,得到閘門(mén)最大啟閉力為2185 kN,最大閉門(mén)力為877.9 kN,閘門(mén)啟閉機(jī)容量5 000 kN能滿足啟閉要求。

2.2 持住力變化特征

圖6為閘門(mén)全開(kāi),初始流量相同、上下水頭差不同（工況1-1、2-1、3-1）時(shí)閘門(mén)各個(gè)開(kāi)度下的時(shí)均持住力。與圖1對(duì)比可知,閘門(mén)持住力變化與動(dòng)水啟閉過(guò)程曲線規(guī)律基本一致。在最小的相對(duì)開(kāi)度條件下測(cè)得的閘門(mén)持住力最大,且隨著開(kāi)度的增大,閘門(mén)持住力降低。

對(duì)常見(jiàn)潛孔式平面閘門(mén)的研究[6-8]表明,閘門(mén)持住力最大值一般不出現(xiàn)在較小開(kāi)度時(shí),而是出現(xiàn)在中間某個(gè)開(kāi)度。而長(zhǎng)輸水隧洞中的平面閘門(mén)最大持住力出現(xiàn)在較小開(kāi)度,其主要原因是開(kāi)度較小時(shí)門(mén)頂水柱壓力較大。因此,閘門(mén)在隧洞中的布置位置對(duì)閘門(mén)水動(dòng)力特性有很大的影響。

圖6 時(shí)均持住力與開(kāi)度的關(guān)系

3 底主梁開(kāi)孔對(duì)啟閉力的影響

影響閘門(mén)啟閉力的主要因素為水流的動(dòng)水垂直力[9],包括下吸力、上托力、門(mén)頂水柱壓力。平面閘門(mén)底緣形式?jīng)Q定著底緣壓力分布,對(duì)閘門(mén)動(dòng)水垂直力有著較重要的影響,進(jìn)一步影響著閘門(mén)啟閉力和閘門(mén)啟閉機(jī)的選擇。啟門(mén)力的主要影響因素為水流的下吸力,即閘門(mén)系統(tǒng)各部件上下表面的水壓力之合力,主要是底主梁上下表面的水壓力差,其他部件上下表面的水壓力差相對(duì)較小。章晉雄等[7]的Mica水電站進(jìn)水口平面閘門(mén)底緣優(yōu)化方案試驗(yàn)表明,在底主梁開(kāi)孔能夠有效降低閘門(mén)啟閉力,隨著底緣及底主梁開(kāi)孔增大,閘門(mén)豎向水力荷載下降。練繼建等[8]的敘利亞迪什林水電站底孔事故閘門(mén)持住力試驗(yàn)表明,閘門(mén)底緣開(kāi)孔能夠明顯降低閘門(mén)持住力和啟閉力。周通[10]的積石峽水電站泄洪洞中孔事故閘門(mén)底主梁開(kāi)孔率優(yōu)化研究表明,當(dāng)?shù)字髁洪_(kāi)孔率30％以?xún)?nèi)時(shí),優(yōu)化效果隨開(kāi)孔面積的增加而提高；當(dāng)?shù)字髁洪_(kāi)孔率大于30％時(shí),優(yōu)化效果與底主梁開(kāi)孔率的關(guān)系不再明顯。

為進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)底緣形式的閘門(mén)底主梁開(kāi)孔對(duì)長(zhǎng)輸水隧洞有壓平面閘門(mén)啟閉力的影響,設(shè)計(jì)3種閘門(mén)結(jié)構(gòu)方案。方案一:初始方案,即底主梁不開(kāi)孔；方案二:底主梁開(kāi)4個(gè)直徑0.3m的孔,開(kāi)孔面積占10％；方案三:底主梁開(kāi)4個(gè)直徑0.5m的孔,開(kāi)孔面積占27％。在工況1-1條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

3種閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)水啟門(mén)力和動(dòng)水閉門(mén)力隨開(kāi)度變化的規(guī)律基本一致,最大值都發(fā)生在相對(duì)開(kāi)度0.05附近。各方案下的最大啟門(mén)力和最大閉門(mén)力如表2所示。底主梁開(kāi)孔時(shí),閘門(mén)動(dòng)水啟閉力變化趨勢(shì)與不開(kāi)孔時(shí)相同,相同閘門(mén)開(kāi)度下啟閉力量值相差不大。閘門(mén)底主梁開(kāi)孔后,最大啟門(mén)力和最大閉門(mén)力都有一定程度的降低,開(kāi)孔面積占比10％時(shí)最大啟門(mén)力和閉門(mén)力分別為1470.0 kN和989.8 kN,開(kāi)孔面積占比增大到27％后的最大啟閉力分別為1450.4 kN和921.2 kN,相比不開(kāi)孔方案分別降低5.7％和7.8％,降低幅度不大。表3為上述開(kāi)孔率與最大啟閉力關(guān)系成果與文獻(xiàn)[7-8]的對(duì)比。因此,對(duì)于該長(zhǎng)輸水隧洞工程中段設(shè)計(jì)底緣形式的閘門(mén),底主梁開(kāi)孔對(duì)降低閘門(mén)最大動(dòng)水啟閉力作用不明顯,同時(shí)閘門(mén)底主梁開(kāi)孔率過(guò)大會(huì)削弱閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,對(duì)結(jié)構(gòu)自身安全不利,實(shí)際工程中應(yīng)在保證閘門(mén)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下再考慮是否開(kāi)孔。

表2 底主梁開(kāi)孔方案下閘門(mén)最大啟閉力　kN

表3 開(kāi)孔率與最大啟閉力關(guān)系研究成果對(duì)比　%

4 閘門(mén)運(yùn)行穩(wěn)定性

圖7 底緣斜板和底主橫梁時(shí)均壓力與開(kāi)度關(guān)系

4.1 閘門(mén)底緣壓力

閘門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中啟閉力與水流流態(tài)和閘門(mén)結(jié)構(gòu)形式,特別是與閘門(mén)底緣形式密切相關(guān),平面閘門(mén)底緣形式?jīng)Q定了閘下水流流態(tài)[11],且閘門(mén)底緣體型影響閘門(mén)抗振效果[12],對(duì)閘門(mén)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的作用。工程中閘門(mén)采用具有前傾角的混合型閘門(mén)結(jié)構(gòu)底緣形式,分別在底緣斜板和下游側(cè)底主橫梁的中間部位左右對(duì)稱(chēng)布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)以測(cè)量閘門(mén)底緣的上托力。圖7和圖8分別為校核工況下閘門(mén)底緣斜板和下游側(cè)底主橫梁測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力均方差與開(kāi)度的關(guān)系。其中,1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在底緣斜板上左右側(cè)中心,3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在底主橫梁上左右側(cè)中心。

圖8 底緣斜板和主橫梁脈壓均方差與開(kāi)度關(guān)系

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,脈動(dòng)壓力時(shí)均值變化符合一般規(guī)律,流量水頭越大時(shí)均壓力越大。底緣斜板上1號(hào)測(cè)點(diǎn)的時(shí)均壓力值小于2號(hào)測(cè)點(diǎn),是由于水流流態(tài)在沿閘門(mén)寬度方向上不一致,在靠近中墩的2號(hào)測(cè)點(diǎn)處水流流速較大,對(duì)底緣的沖擊壓力較大。底主橫梁上3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力在各開(kāi)度時(shí)的大小及隨開(kāi)度的變化基本一致?？傮w來(lái)看各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力隨著開(kāi)度的增大呈下降趨勢(shì)。水流在不同開(kāi)度下底緣斜板和下游側(cè)主梁上的脈動(dòng)壓力均方差集中在1～5kPa之間,最大值不超過(guò)5kPa,脈動(dòng)部分較小。

從試驗(yàn)過(guò)程中水流流態(tài)來(lái)看,閘門(mén)啟閉速度較小,在閘門(mén)整個(gè)啟閉過(guò)程中,閘門(mén)前后均為滿流,閘門(mén)底緣和下游沒(méi)有出現(xiàn)立軸漩渦和漩滾水流等不穩(wěn)定的水流流態(tài),閘下過(guò)流平順,但需要注意的是閘門(mén)實(shí)際運(yùn)行時(shí)閘下出流是否會(huì)存在明滿流過(guò)度或明流流態(tài),實(shí)際工程運(yùn)行時(shí)應(yīng)對(duì)原型加強(qiáng)觀測(cè),進(jìn)一步論證通氣孔的合理性和對(duì)動(dòng)水啟閉力的影響。

4.2 閘門(mén)自振特性分析與共振校核

流激振動(dòng)問(wèn)題涉及到水流與結(jié)構(gòu)的相互作用,運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立閘門(mén)的三維有限元模型,在閘門(mén)各主要構(gòu)件滿足強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上考慮流固耦合效應(yīng)對(duì)閘門(mén)模態(tài)的影響,分別模擬閘門(mén)在空氣和水中的自振特性。在水中的計(jì)算區(qū)域?yàn)樯舷掠胃?5m水體。平面閘門(mén)干模態(tài)（空氣中）、濕模態(tài)（水中）下有限元計(jì)算模型如圖9和圖10所示。

圖9 干模態(tài)閘門(mén)有限元計(jì)算模型

在自振特性分析中,前幾階振動(dòng)均發(fā)生在吊耳處,工程上更為關(guān)心的是閘門(mén)整體振動(dòng),濾去閘門(mén)局部結(jié)構(gòu)振動(dòng),得到閘門(mén)的干模態(tài)和濕模態(tài)整體振動(dòng), 前3階自振頻率如表4所示。干模態(tài)第1階振動(dòng)為閘門(mén)上部區(qū)域順?biāo)鞣较虻膹椥哉駝?dòng),第2階振動(dòng)為閘門(mén)上、下部垂直于水流方向的反向振動(dòng)（扭動(dòng)）,第3階振動(dòng)為閘門(mén)下部區(qū)隔順?biāo)鞣较虻膹椥哉駝?dòng)。濕模態(tài)第1階振動(dòng)為閘門(mén)整體順?biāo)鞣较虻膹椥哉駝?dòng),第2階為閘門(mén)上部區(qū)域沿水流方向的彈性振動(dòng),第3階為閘門(mén)整體順?biāo)鞣较虻呐?dòng)。閘門(mén)干、濕模態(tài)基頻分別為71.63 Hz和31.81 Hz,頻率較大。濕模態(tài)下由于面板上下游水體的阻尼作用,基頻有相應(yīng)的降低,流體對(duì)閘門(mén)自振特性影響顯著。

圖10 濕模態(tài)閘門(mén)有限元計(jì)算模型

表4 閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)干、濕模態(tài)的前3階自振頻率 Hz

對(duì)閘門(mén)各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力時(shí)程線進(jìn)行頻譜分析,計(jì)算得到各種工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)作用水流的脈動(dòng)主頻均小于5 Hz。典型測(cè)點(diǎn)（2號(hào)）在最不利工況（工況3-1）下的歸一化功率譜密度如圖11所示。

圖11 典型測(cè)點(diǎn)（2號(hào)）功率譜密度

一般而言,水流的頻率較小,本試驗(yàn)中根據(jù)脈動(dòng)壓力頻譜分析結(jié)果,各測(cè)點(diǎn)水流脈動(dòng)壓力的主頻均在5 Hz以?xún)?nèi),而閘門(mén)的干、濕模態(tài)基頻較大,因此,該工程中的平面閘門(mén)與水流發(fā)生共振的可能性不大。

5 結(jié) 論

a.對(duì)布置在長(zhǎng)隧洞中段有壓平面閘門(mén)的水力學(xué)模型試驗(yàn)表明,閘門(mén)啟閉過(guò)程中小開(kāi)度時(shí)動(dòng)水垂直壓力變化較大,最大啟閉力和持住力峰值集中在小開(kāi)度范圍以?xún)?nèi),并且隨開(kāi)度的增減變化很快,閘門(mén)動(dòng)水啟閉的最不利開(kāi)度在小開(kāi)度范圍內(nèi)。

b.與前人的常見(jiàn)潛孔式閘門(mén)底主梁開(kāi)孔研究成果對(duì)比發(fā)現(xiàn),在潛孔式閘門(mén)底主梁開(kāi)孔能夠顯著降低閘門(mén)啟閉力,而對(duì)于長(zhǎng)輸水隧洞中段的有壓平面閘門(mén),當(dāng)?shù)字髁洪_(kāi)孔增大到27％時(shí)閘門(mén)最大動(dòng)水啟閉力分別只降低5.7％和7.8％,降幅不大,底主梁開(kāi)孔對(duì)最大啟閉力降低作用不明顯。

c.設(shè)計(jì)底緣形式的閘門(mén)閘下水流平順,脈壓時(shí)均值在小開(kāi)度內(nèi)變化較大,脈壓均方差在整個(gè)開(kāi)度范圍內(nèi)變化較小,閘門(mén)結(jié)構(gòu)干、濕模態(tài)的基頻與水流脈動(dòng)主頻相差較大,發(fā)生共振的可能性不大。模型試驗(yàn)表明該工程閘門(mén)門(mén)底水流的下曳力變化不大且數(shù)值較小,底緣壓力對(duì)啟閉力影響較小。但平面閘門(mén)運(yùn)行中水流誘發(fā)閘門(mén)結(jié)構(gòu)彈性變形振動(dòng)因素有很多,例如水封漏水引起的閘門(mén)整體自激振動(dòng),而這個(gè)問(wèn)題在模型試驗(yàn)中無(wú)法模擬,因此,對(duì)于長(zhǎng)輸水隧洞下的深孔閘門(mén)水流誘發(fā)閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題還有待于進(jìn)一步深入研究。

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中圖分類(lèi)號(hào):TV663+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0041- 06

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.009

作者簡(jiǎn)介:楊敏（1956—2015）,男,教授,主要從事水工水力學(xué)研究。E-mail:minyang@163.com

通信作者:牛利敏（1989—）,女,碩士研究生,主要從事水工水電站建筑物動(dòng)靜力分析研究。E-mail:niulimin1989@163.com

收稿日期:（2015- 04 18 編輯:鄭孝宇）

Experimental study on hoisting force and stability of pressured planegate located inmiddle of long water deliverytunnel

YANGmin, NIU Limin,CHEN Lin, LI Huiping（School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

Abstract:Based on thegravity similarity criterion, a hydraulicmodel was built so as to study the variation characteristics of the dynamic hoisting force and static holding force of thegate and the hydrodynamic characteristics of its bottom frontier during the operation process of the pressured planegate located in themiddle of a long water delivery tunnel for a water distribution network.The results show that the hoisting force changesgreatly within the range of the small opening degree and themaximum hoisting force occurs near the relative opening degree of 0.05.The holding force and hoisting force show a similar change with thegate opening.Compared with the non-perforatedgirder, themaximum opening and closing forces for the bottomgirder with an opening rate of 27％ decrease by 5.7％ and 7.8％, respectively, showing a small reduction.The vibration of thegate with a designed type of bottom frontier is stable for the project and resonance of thegate and water flow is nearly impossible,guaranteeing the stability of thegate operation.

Key words:planegate；long water delivery tunnel；hoisting force；perforated bottomgirder；type of bottom frontier；stability