11.4.2.1 新政弧形闸门的泄洪振动响应
嘉陵江新政航电枢纽工程的泄洪建筑物由16孔泄洪闸组成，其作用主要是枯水期挡水发电，汛期宣泄洪水，要求闸门能局部开启调节流量。工作闸门孔口尺寸为12m×16m-16m（宽×高-水头），底坎高程308.00m，正常蓄水位324.00m，校核洪水位334.40m，坝顶平台高程336.60m。该闸门要求在上游为正常蓄水位、下游为0～4m水头时能局部开启调节流量和动水关闭闸门。洪水期闸门全开泄流，关闭闸门时水位小于或等于正常蓄水位。弧形工作闸门弧面半径24.00m，支铰高度18.00m，闸门为常规止水，其中测水封为L形橡塑水封，底水封为I形橡胶水封，水封座板为不锈钢。由于布置条件限制，闸门局部开启时将产生淹没出流，在汛期可能出现洪水冲击支铰或支臂。弧形钢闸门是由许多板、梁、杆件构成的多自由度的空间结构，振型非常丰富。在某种工况下泄洪时，闸门各部位流激振动响应的强弱未必会一致，因此位移、应力响应的布置应该考虑到面板、主梁、支臂等各个部位的代表性，另外应在应力计算较大，易出现较大动应力的部位布置动应力测点，这样可以使所测结构与有限元计算结构具有可对比性，便于对闸门的运行进行安全分析[15 16]。
1.闸门动应力试验
水弹性模型和测点的位置及其编号如图11.33、图11.34所示。
图11.33 闸门-闸墩-启闭系统的整体水弹性模型
图11.34 测点布置的位置及其编号
考虑到实际工程中该闸门由于整体工程布置条件的限制，闸门局部开启时将产生淹没出流，汛期甚至可能出现洪水冲击支臂或支铰情况。因此在试验时，除了对闸门开启产生急流试验以外，还考虑了下游可能产生的淹没出流对闸门振动的影响。闸门试验工况主要为：上游为正常蓄水位，闸门相对开度e/h=0.1～0.6变化，5种开度，每种开度3～4种下游不同淹没水深工况组合。根据闸门受力特点，1号～8号测点（即上下支臂靠近主横梁附近）的应力值较其他位置要大，具有代表性，试验中因2号、6号、7号应变片失效，因此闸门动应力以1号、3号、4号、5号、8号等5个测点的数值为代表。模型试验结果表明，最大动应力为50.8MPa（3号测点，相对开度0.1），满足容许应力要求。各测点最大动应力随下游水位增加有减小的趋势，原因是下游水位越高，门后水体的反作用力越大，抵消上游水体产生的推力作用越大。最大动应力中时均应力占主要部分，脉动应力约1MPa左右，约占总应力的2%～7%。随着开度增加，最大动应力有减小的趋势，原因是随着开度增加，闸门面板时均压力降低，而脉动分量所占比例小，因此有随着开度增加闸门支臂动应力降低的特点。模型脉动应力频率在10 Hz（原型2Hz）以内，基本符合正态分布。最大动应力随开度关系如图11.35所示，典型测点动应力时间过程及功率谱如图11.36所示。
2.闸门上缘动位移试验分析
闸门动位移测点布置在面板顶缘中部（17号测点），采用清华大学研制的高精度DP型位移传感器测量，用北京东方振动与噪声研究所的DASP系统进行数据采集与分析。试验结果表明，闸门上缘最大水平动位移均方根值为273.03μm，发生在相对开度e/h=0.5时，对应的下游水位为323.58m。水平动位移在其他相对开度情况下为100μm～260μm量级；最大垂向动位移均方根（闸门面板上缘）为141.75μm，发生在相对开度e/h=0.5时，对应的下游水位同样为323.58m，垂向动位移在其他开度下为50μm量级。动位移随闸门开度的增加有增大的趋势，并随下游水位的增加而增大的趋势，原因是下游水位越大，紊动对门体的反馈作用也越强，上缘动位移与相对开度关系如图11.37所示。试验还表明，动应力和动位移的频率较低，频率在2 Hz以内，基本符合正态分布。动位移时间过程、功率谱、概率密度如图11.38所示。
图11.35 动应力与闸门开度的关系图
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图11.36 动应力时间过程、功率谱、概率密度及概率函数
3.数值模-物模相互印证及闸墩的影响[17]
图11.37 闸门开度与动位移的关系
图11.38 动位移时间过程、功率谱、概率密度及概率函数
为验证模型试验结果的可靠性，同时建立了弧形闸门有限元数值模型进行振动响应计算，计算结果的提取位置与物理模型实测点位置保持一致，取易出现较大应力的右支臂内侧3号测点动应力以及17号测点动位移进行分析，以便相互印证。计算结果表明：在e/h=0.25开度下，数值计算最大动应力值为32.78MPa（时均应力+3倍均方根），3号测点的最大动应力试验值为31.59MPa，两者的结果基本吻合。在e/h=0.5开度下，数值计算最大动应力值为24.34MPa（时均应力+3倍均方根），3号测点的最大动应力试验值为23.33MPa，两者结果基本一致，两种相对开度下最大动应力满足容许应力要求。
数值模型计算的17号点最大动位移也发生在e/h=0.5开度，水平方向最大值为90μm，垂直方向最大值为108μm。17号点的水弹模型试验最大动位移发生在e/h=0.5开度，水平方向最大值254.90μm，垂直方向最大值为98.79μm。最大水平向动位移试验结果比有限元计算结果大，其原因就是闸墩的作用效应。水弹性模型将闸墩也按结构相似要求用加重橡胶制成（以往模型都不模拟闸墩的弹性），即模型中是弹性结构，在支铰力的作用下会产生变形。而有限元模型未进行模拟，支铰处处理成刚性，因此，有限元模型在水平方向（X方向）的动位移计算结果小于水弹性模型试验结果。而垂直方向（Y方向）的动位移两个模型结果基本一致，原因是支铰力在垂直方向的分量较小，水弹性模型中闸墩Y方向的变形小，与有限元模型刚性处理相近。因此，在闸门运行中闸墩作为弹性结构对闸门的动位移影响很大，特别是水平向动位移，对其进行安全评价时应该考虑闸墩的影响。
11.4.2.2 溪洛渡弧形闸门的泄洪振动响应
溪洛渡水电站为金沙江上的巨型水电工程，是一座以发电为主，兼有拦沙、防洪和改善下游河道航运条件等综合利用效益的水利水电枢纽工程。拱坝最大坝高278m，水库库容122.3亿m3，装机12600MW，坝身450.00m高程布置有4条导流底孔，在进口处设置一道事故检修闸门，在出口处设置一道弧形工作闸门。导流底孔洞身为宽×高=4.5m×9.0m的矩形断面。孔口出口高度为8.0m，工作闸门（弧形闸门）尺寸为宽×高=4.5m×8m，弧面半径为15.0m，支铰高程461.0m。事故闸门（平板闸门）尺寸为5.95 m×12.62m（宽×高），闸门厚度为1.282m，闸门总重量（包括拉杆）为235×9.8k N。单孔最大泄流量为1325.0m3/s。这4条导流底孔的主要作用是保证下游通航1220m3/s要求，孔口变化水头在0～150m。采用工作闸门整体脉动荷载（考虑了脉动荷载相关关系或点面关系的影响）的试验测试结果，取大的脉动荷载数值进行流激振动响应计算，启闭杆直径按20cm来计算，计算结果表明：工作闸门的最大振幅为177μm，小于180μm，工作闸门的振动位移极差（摆幅）360μm；最大动应力振幅为1.71MPa，再考虑应力集中等因素，最大动应力振幅小于3.0MPa，属于轻微振动的范围，不会对闸门安全运行构成威胁，计算结果如图11.39、图11.40所示。工作闸门振动较小可能与底缘的水流流态稳定，不存在不稳定的水流分离和重附着现象有关。
图11.39 工作闸门的动位移响应
图11.40 工作闸门的动应力响应
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