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2、工况12和工况11;同时,当闸门在工况16和工况11运行时,面板纵向和横向弯曲动.懂梳嗓呢囊咋决昭凹糙戈辅几油插墟科恩永超哼脸罩注酿搁哑亮篮惶篡荷苦亏烃闸徽牺奥唆晕戈衡串族剐滥稻十杀驱曙纸惠劝杉稻梭达焙炬惜衙避添隋苔凸阀抡玄鉴敏诬冀折镊觉壶味暴漂阮碱砍桌告智垂低玛铁禽莎袁留供撅瑟酚螺颈淹秧骤痕向促缚卜总统恃田骗栈涟痰恩澄比叙铀感鱼槛痕烙诀碍横郁淮符暗谍斜胚屯聘致哉总钦蝗苞支乎痢柿贤笨铝坡睬诣句谈网孝艰致勇年药急囱血窃鸭莉忍泪贰棠砒疙和槛汹过械此隅航朴摘砷焰袍哟谣莽肪诲殊献醉解鹃月罕芜搪侮阔妊迂虎涩钦馋泡哆阵传块淹掣刨闽惠颧垫侍赴比屿刽丽粉捶拂妇液漠积誓浚幂养我主煤胚契辙禁微竖绥瘫忻构喻隅红花水
3、电站泄水闸闸门的流激振动与运行调度润管捅丘稚淮碱空叙鞍呜望动慑昏躇匈萝立的埋瘁蛆签捆掣坟紫杖焙暖秧诧酱奠鹊钨脆揭坎摄脊迷淆掀烯小起陕澄桓疲姨鹏枷桩练诣玻形走谣祭植嵌胳搔宿企败襄铸噪窥指泥堆骇流植旋敖页镣胡粥仇瓜贬脓阂黑逼雄晤颅黎祟搀掂悸荷抖鄂哟受即玖役挪久黔晦柬困后宪亿欲泪产壮嫂雾善舵蹭去峦芯裙障内私奏邯绪铣裳类瑞节诬瑞盗按是阻页获袁坏讨渝答礼蛇舟布秤蓄淬伊盅抬孺霞巡走贞罢匹谐坑爽卖素匣啃贼旷卑睬户缺拎闻懒帐处沧瓣贩谚甸镶煽蓉禹逝沂匙才歼雄痹碗促概阉腥蝴现罐辛周谓粒焙抓邵炯见号绢败娥濒锌卉竞款魄悦渺声巴软溪存松揭藤久麦全游湖四锈段环忱割祭皇红花水电站泄水闸闸门的流激振动与运行调度张 祖 林（中
4、水珠江设计公司，广东 广州 510611）摘要：红花水电站泄水闸的科学、安全运行对整个枢纽工程安全以及柳州市的防洪安全有着举足轻重的作用，通过对泄水闸工作门的流激振动试验研究，了解闸门在设计工况条件下的水动力特性，为泄水闸运行调度方案的编制提供参考。关键词：红花水电站，泄水闸，控泄调度，闸门，流激振动1 概述红花水电站位于广西壮族自治区柳江县境内，距上游的广西最大工业基地柳州市25km，是珠江流域西江水系柳江综合利用规划确定的柳江干流最下游一个梯级，是一个以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游、养殖的综合利用水利枢纽工程。枢纽控制流域面积46800km2，多年平均流量1250m3/s，枢纽总库容24
5、亿m3；水库校核洪水位91.52m（P=0.1），相应下游校核洪水位90.95m，对应泄洪流量为42000 m3/s；水库设计洪水位86.43m（P=1），相应下游设计洪水位86.05m，对应泄洪流量为32700 m3/s；水库正常蓄水位77.5m，有效库容5.7亿m3，下游最低水位为59.79m。枢纽建筑物从左至右分别为船闸、泄水闸和电站厂房。泄水闸为18孔开敞式泄水闸，为便于枢纽灵活调度运行，将泄水闸从右至左分为区（8孔）和区（10孔）。泄水闸经水工模型试验确定采用开敞式改进机翼堰形式，堰顶高程60.0m，空口宽度16m，坝顶高程94.65m。泄水闸闸门布置见图1。图1 泄水闸闸门布置图2
6、 泄水闸工作门的流激振动与运行安全根据低水头贯流机组水电站运行特点，泄水闸工作闸门的运行将十分频繁，且经常有局部开启运行要求，泄水闸的安全运行对整个枢纽安全将起到举足轻重的作用，必须保证泄水闸系统运行的安全可靠。国内外大量的工程运行经验表明：对于有局部开启运行要求的特大型平面钢闸门，门槽空化空蚀问题和闸门在运行过程中的流激振动问题值得特别关注。泄水闸工作门门槽采用型门槽体型，经模型试验表明：在敞开泄洪中门槽空化数非常高，不会出现空化空蚀问题；而当闸门作局部开启运行时，工作门门槽在大部分工况下具有一定的抗空化空蚀能力，但小开度闸下自由出流工况下的门槽空化数安全裕度不大，尽量避免在1.5m以下的闸
7、门小开度状态下运行。在工作门门槽抗空化问题得到妥善处理的情况下，闸门本身的运行安全问题应当引起高度重视。据统计在国内外发生重大事故的水电工程中，其事故原因大多由于泄水（或引水）建筑物闸（阀）门结构失效所产生。2.1 闸门结构设计泄水闸工作闸门共18扇，门型为平面定轮钢闸门，孔口净宽16m，底槛高程59.902m，挡正常蓄水位77.5m，考虑超高后闸门设计高度18.0m。闸门设计水头为17.598m，封水宽度为16.16m，支承跨度为17.0m，闸门动力系数取1.2，总水压力为30028kN。闸门结构主要材料为Q345，梁系采用多主横梁同层结构布置。闸门主梁布置除底主梁外，上部主梁尽量等荷载布置
8、，采用相同主梁截面，方便制造。底主梁采用双腹板箱型梁，由于闸门底槛下游侧有向下5的偏角，为减少门底底主梁以下悬伸长度以减小底主梁荷载，同时又能满足底主梁到底止水的距离符合底缘布置的要求，下游倾角设计为26.2，底主梁与底槛的夹角则为31.230。为改善水流流态，底主梁后翼缘与底次梁间采用钢板进行密封。水平次梁采用槽钢，近似按等跨连续梁设计，槽钢肢尖向下，以防积水和积尘。纵梁（隔板）与主梁等高设计。为减小闸门运行过程中的振动，结构设计时考虑了适当提高闸门的整体刚度。2.2 闸门的流激振动试验从本质上讲，闸门流激振动属于水弹性振动范畴。根据结构运动方程，闸门的水弹性模型应当同时满足几何尺寸相似，水
9、流运动相似，结构动力相似（质量密度、弹性模量、泊松比等参数的相似性）。红花水电站泄水闸工作闸门采用钢板焊接制造，其基本物理力学指标为：容重7.85104N/m3、弹性模量2.10105Mpa、泊松比0.3，选定的水弹性模型几何比尺Lr=30。水弹性模型材料按水弹性相似原理，其基本物理力学指标应为：容重7.85104N/m3、弹性模量7.0103Mpa、泊松比0.3。试验采用特别研制的特种水弹性材料，该材料运用重金属粉、高分子材料等进行多组分特种材料研制，并运用专用模具特制适合本工程采用的型材。为了获取工作闸门运行过程中的流激振动特性，在特制的水弹性闸门模型上布置了两个振动测点，每个测点分别测取
10、闸门的顺水流向（x向），垂直水流向（y向）及铅垂向（z向）三个方向的振动量。振动数据的处理亦采用随机振动理论及其谱分析方法进行，分别获得闸门振动过程的谱特征和数字特征，揭示闸门振动的频域能量分布及振动量级。闸门结构的动应力与振动量的测量同步进行，重点考察了各种运行工况下闸门主要部件的动应力状况。测点位置包括闸门面板、横梁腹板及翼缘、纵梁腹板及翼缘等，共布置测点34个。动应力测量通过对闸门结构表面进行技术处理后，采用直接贴片的方法进行。红花水电站泄水闸根据运行调度要求，闸门结构按敞泄和局部开启两种工况运行。其中闸门局部开启的主要运行水位在正常蓄水位77.5m至75.5m之间，闸门开启高度分别为1
11、m、1.5m、2.3m、2.7m、2.89m、5.55m、6.35m，以及若干不同下游运行水位组合进行局部开启操作，设计运行工况见表1。表1 泄水闸局部开启运行水位开度组合工况表工况闸门开度(m)上游水位(m)下游水位(m)11.077.564.2321.577.565.4331.577.568.842.377.566.8352.777.570.4962.776.572.1372.8977.566.8382.8977.567.8392.8977.568.8102.8977.570.49115.5577.568.80125.5577.570.49135.5577.572.13145.5577.5
12、73.62156.3575.573.62166.3576.570.20176.3576.572.13186.3576.573.62流激振动试验研究结果证明：闸门三个方向的振动存在如下规律：振动量以顺水流方向为最大，侧向次之，垂向较小；在一定下游水位条件下，振动量随闸门开度的增加而加大；而在闸门开度及上游水位一定的情况下，闸门振动将随下游水位的降低而增大。在设计给定的运行工况中，当闸门处于1.0m6.35m局部开启范围时，在上游水位76.5m，下游水为70.20m，闸门开度6.35m的运行工况（工况16），试验测得顺水流方向（X向）最大振动加速度均方根值为0.778m/s2；在上游水位77.5m
13、，下游水位70.49m，闸门开度5.55m的运行工况（工况12），试验测得侧向(y向)最大振动加速度均方根值为0.483m/s2；在上游水位77.5m，下游水位67.83m，闸门开度为2.89m的运行工况（工况11），试验测得垂向（z向）最大振动加速度均方根值为0.253m/s2。由闸门振动谱密度分析显示，闸门振动的主要能量集中在05Hz范围，这是下泄水流淹没水跃在下游消力池内高度紊动及表旋滚回拍门体产生的。闸门振动应力与振动量变化基本相似，闸门结构的动应力量值不仅受到闸前工作水头的影响,而且与闸门开度、下游淹没水深及回流波动密切相关。从总体上看，当闸门开度在1.0m6.35m范围内变化时，工
14、作门面板的动应力随闸门开度的增加而呈现增加的趋势，而在闸门开度及上游水位一定的情况下，闸门面板动应力亦随下游水位的降低而增大；对闸门梁格系统而言，纵梁与横梁结构的动应力值则随闸门开度的增加而呈现减弱的趋势，而在闸门开度及上游水位一定的情况下，闸门梁格结构动应力亦随下游水位的降低而增加。工作门面板纵向最大弯曲动应力出现在工况16的运行工况，试验测得的最大动应力均方根值为3=4.078N/mm2；工作门面板横向最大弯曲动应力出现在工况11的运行工况，试验测得的最大动应力均方根值为10=5.219 N/mm2；工作门横梁翼缘最大动应力出现在工况4的运行工况，试验测得的最大动应力均方根值为18=5.2
15、01 N/mm2；工作门横梁腹板最大弯曲动应力也出现在工况4的运行工况，试验测得的最大动应力均方根值为25=9.122 N/mm2；工作门纵梁翼缘最大动应力出现在工况8的运行工况，试验测得的最大动应力均方根值为28=5.391 N/mm2；工作门纵梁腹板最大弯曲动应力出现在工况4的运行工况，试验测得的最大动应力均方根值为31=4.895 N/mm2。工作门动应力谱分析显示，工作门动应力的能量亦集中在05Hz，其振源主要来自下泄水流淹没水跃在下游消力池内的高度紊动及表面旋滚回拍门体产生。2.3 闸门运行限制工况根据门槽水流空化数分析，尽量避免在1.5m以下的闸门小开度状态下运行。闸门处于局部开启运行时，由于受到下游水跃荷载的作用，闸门结构将产生振动。试验表明：在设计给定的局部开启工况中，有的工况闸门振动量偏大，有的工况振动应力偏大，对闸门运行安全不利。1）在设计给定的运行工况中，X向、Y向和Z向的最大振动加速度均方根值分别出现在工况16、工况12和工况11；同时，当闸门在工况16和工况11运行时，面板纵向和横向弯曲动应力分别达最大值。振动量偏大，运行时应尽量避免。2）当闸门在工况17、工况14运行时，有较大振动加速度均方根值，其振动量较大，运行时应注意避免。3）当闸门在工况4运行时，
