水电站或泵站的引水（或输水）管道，经常因管道内压力波动诱发强烈振动。据统计，水电站或泵站的引水管道发生振动的事例大约有5%～10%，造成管道破裂、工程失事的情况也时有发生。造成管道振动的原因包括：管道内的水压脉动和传播、水体自激振荡等。此外，管道上的阀门也常发生流激振动，例如：锥形阀的阀体加筋叶片常发生颤振破坏；蝶阀也会因为阀门构造、阀门销轴或锁定机构构造等方面的原因造成流动不稳定和压力脉动，诱发阀门的振动，使销轴产生疲劳破坏或阀门突然关闭，形成水击，由此造成阀门和管道的破坏。此类事故在我国的一些水电站也曾有发生，造成严重的经济损失，然而目前对此类事故的形成机理仍缺少应有的研究。为摸清此类事故发生的机理，以便为工程设计和安全运行提供依据，本节对水电站或泵站蝶阀开启状态时所承受的水流时均和脉动荷载特征进行了研究。
水电站或泵站引水（或输水）管道中的蝶阀在关闭状态时，阀板和阀轴承受水压力作用，销轴起定位的作用。蝶阀开启状态时，阀板处于流道中，承受水流的时均和脉动压力作用，产生时均和交变力矩，会诱发阀门的振动，使阀轴和销轴承受交变剪切作用。在管道系统正常输水时，产生的交变力矩和应力是造成阀门销轴等构件疲劳破坏的主要原因，也是设计和安全运行所关心的问题。
图9.50 管道示意图
（a）简单管道；（b）复杂管道
针对图9.50所示的简单管道和复杂管道系统，研究阀门在全开和部分开启时所承受的水流时均和脉动荷载。试验研究结果如下：
（1）阀门上的交变（脉动）力矩主要受引用流量大小的影响，大致与流量的平方成正比（图9.51）。即阀门上的交变力矩主要受通过阀门的水流流速大小制约，与流速水头
成正比，水位高低对阀门上交变力矩的影响很小，水位主要是影响时均压力大小（图9.52），各种水位下管道内各点压力梯度在引用流量相同时基本是一致的。将交变力矩转换为作用在阀门上的脉动压力，建立脉动压力与流速水头的关系：均方根值σp阀=C1
双倍振幅2Ap阀=C2
。根据试验结果分析可得：
图9.51 流量对阀门交变力矩的影响
图9.52 水头对阀门交变力矩的影响
1）简单管道条件下（水流平顺），C1=0.10～0.14，C2=0.7～0.9（图9.53～图9.54中对应符号●、○）；(www.xing528.com)
2）复杂管道条件下（侧向进流，无其他侧向支管不引用流量时），C1=0.16～0.22，C2=1.2～1.4（图9.53～图9.54中对应符号■、□）；
3）复杂管道条件下（侧向进流，含其他侧向支管引用流量时），C 1=0.18～0.26，C2=1.4～1.9（图9.53～图9.54中对应符号▲、△）。复杂管网系统输水对阀门的交变力矩与简单管道输水对阀门的交变力矩相比，约增加90%～120%。
图9.53 脉动压力均方根值与流速水头的关系
图9.54 脉动压力双倍振幅与流速水头的关系
（2）阀门全开输水时，阀门承受的时均力矩与交变力矩相比较小，时均力矩约为交变力矩（双倍振幅）的1/3，说明阀门两侧的时均压力是基本平衡的。
（3）根据阀门流量特征曲线，对阀门在简单管道作用下不同开度时所承受的时均力矩和交变力矩进行试验测试，试验结果如图9.55所示。测试结果显示：交变力矩（脉动力矩）随开度的减少而显著减少，这是由于随阀门开度减小使流量显著减小（开度75°和50°时流量仅为全开的65%和23%），是流速或流速水头显著减小的缘故，而时均力矩则在阀门开度75°左右出现最大值。以直径为1.6m的管道为例，全开流量为8.0m3/s，相当于管道流速为4m/s时，最大交变力矩为4.28k N·m，交变力矩均方根值为0.57k N·m（出现在阀门全开时），最大时均力矩为3.4k N·m（出现在阀门开75°左右）。
（4）从频域角度分析，阀门交变力矩的频率主要分布在0～15 Hz。关于阀门上的动水压力与管道管壁上的动水压力之间的关系，分析如下：在简单管道条件下，管壁脉动压力均方根为（0.092～0.144）V 2 2g，复杂管网系统的管壁脉动压力均方根相当于（0.188～0.292）V 2 2g。管壁脉动压力与以上给出的阀门上脉动压力的数值相当，但两者的物理意义不同，干管管壁脉动压力指“点”脉动压力（没考虑脉动压力的相位和均化影响），以上给出的阀门脉动压力实际上为“面”脉动压力（考虑脉动压力的相位和均化影响），管道内的脉动压力点面转化系数约为0.1～0.4，也就是阀门上的点脉动压力可能比干管管壁的点脉动压力大2.5倍以上，这是因为管壁附近流态较为平顺，阀体上的水流较为紊乱，而且后者流速也要比前者高的缘故。干管管壁脉动压力较水击压力小得多，脉动压力以时均压力为基准的上下波动振幅基本在1m之内，因而对管道应力的影响甚微。
图9.55 不同开度下阀门承受的力矩
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