弧形闸门的水动力荷载特性分析

众所周知，弧形闸门因其启门力小，没有门槽，过流流态好，操作运行方便等优点而在国内外得到广泛应用。除事故或检修门一般采用平面闸门外，工作闸门大多采用弧形闸门。从总体上看，我国已建工程的绝大多数弧形闸门的运行状况良好，但尚有部分闸门出现各种各样的问题。突出表现为止水体型不良和物理性能达不到标准以及闸门结构在动水作用下的流激振动问题，有的闸门因在特殊水动力荷载作用下产生强烈振动，乃至因支臂动力失稳而破坏。根据国内外大量工程的运行经验，能否确保弧形工作闸门的运行安全，在某种程度上涉及到大坝乃至整个水利枢纽的运行安全问题。因此，非常有必要研究作用于弧形闸门上的动水荷载。

运行过程中弧形闸门在动水荷载作用下产生振动，一般情况下泄水道边界层紊动和水流内部随机脉动作用力激励产生的闸门振动不致造成危害；而造成结构强烈振动的根本原因在于水动力荷载与结构动力特性的不利组合作用，特别是当水动力荷载位于闸门结构低频区形成低阻尼、高响应放大倍数的共振状态，以致因振幅迅速上升最终导致支臂动力失稳破坏而造成巨大损失。

不同的工程因闸门段的泄水道体型不同，施加于结构的水动力荷载亦不同。荷载类型一般可以归纳为以下几类：①空穴水流产生的水流压力脉动荷载[图9.38（a）]；②波浪力和具有短胸墙封闭式气囊的冲击型荷载[图9.38（b）]；③船闸阀门空穴流及气囊爆裂冲击荷载[图9.38（c）]；④止水空穴流与自激振动[图9.38（d）]；⑤不良底缘形式导致的卡门涡激励力与门后波（涌）作用力[图9.38（e）]；⑥门前其他特殊水动力荷载[图9.38（f）]。(www.xing528.com)

图9.38　闸门水动力荷载的类型

以溪洛渡水电站工作闸门水力学动态模型试验[20]为例，详细说明作用在弧形闸门动水荷载特性。工作闸门（弧形闸门）尺寸为4.5m×8m（宽×高），弧面半径为15.0m，支绞高程461.0m。实验模型工作闸门采用镀锌铁板制作，洞身部分用有机玻璃制作，试验模型按重力准则设计，几何比尺采用1∶27，其他各参数比尺见表9.1，模型布置示意图如图9.21所示，弧形闸门模型面板上共安装了4个脉动压力传感器，底缘因与水流脱离，故未布置传感器。传感器布置如图9.39所示。