巴塘水电站导流洞封堵闸门水力学及流激振动试验研究

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导流建筑物的水力学和闸门振动问题一直是水利工程建设中受关注的问题之一,国内外完成的工程中,闸门因振动而无法正常工作的实例屡见不鲜。利用水力学模型试验、数值模拟等方法,专家学者们对闸门振动进行了大量的研究,研究结果表明闸门振动包括以下几点原因:闸门止水漏水、闸门的底缘型式、闸门门槽空蚀、闸后淹没流态等多种原因。本文以巴塘水电站为背景,依托导流洞封堵闸门水弹模型和水力学模型试验,计算研究了封堵闸门在闭门时的门槽水力特性、流激振动响应以及启闭力特性。得到主要结论有以下4点:
  (1)闸门门槽段压力试验表明,封堵闸门局开运行过程中。门槽段下游角隅与边墙衔接的斜坡出现了较小的负压,但发生空化空蚀的可能性较低,在运行中应加强监测。
  (2)建立巴塘水电站导流洞和封堵闸门水力学相似模型,模型比尺1:25,对封堵闸门进行了启闭力特性的研究。结果表明该封堵闸门可以在泄流过程正常关闭,启闭机设计容量满足闸门动水启闭要求;
  (3)建立封堵闸门水弹性相似模型,通过测定研制的水弹性模型材料弹模,对比结果与工程中所给材料弹模基本一致,表明所研制的完全水弹性模型材料是可靠的;
  (4)利用完全水弹性相似模型试验成果,结合EMD提取趋势项的方法,分析了封堵闸门下落过程中发生爬振前后门体不同部位局部应力、整体加速度和位移的变化,研究结果表明:有爬振的情况下,最大应力均方差发生在吊耳附近为1.837MPa,约是无爬振0.166MPa情况下的11.072倍(工况:水头23m)且会随水头的增加而增加,如果吊耳处所受应力大于容许用应力范围,则闸门发生爬振时,吊耳处存在撕裂破坏的可能性,闸门整体的安全性受到严重威胁;应力主频由0.003Hz变为0.03Hz,可以看出门体受爬振影响,闸门局部受迫振动转变为周期性振动。闸门发生爬振时对门体主横梁以及门体靠近底缘处的主纵梁应力影响较小,并且应力主频在有爬振时变化不大;闸门有爬振的情况下振动加速度最大均方差值0.237m/s2发生在闸门的垂向振动,约是无爬振0.027m/s2情况下的8.8倍且基本不随水头的变化而变化,主频在1.45Hz~1.31Hz内基本不发生,闸门垂向振动加速度总能量约是无爬振情况下的7.8倍(工况:水头23m),水平向与侧向变化较小;有爬振情况下振动位移最大均方差值发生在闸门的垂向振动上,约是无爬振情况下的11.872倍且基本不随水头的变化而变化,垂向振动位移均方差幅值都已超出标准,可以看出闸门发生爬振时垂向振动属于严重振动,可能会对闸门及其连接结构产生破坏危害,主频由0.17Hz变为1.08Hz,爬振不改变闸门原有的振动类型。
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