高水头溢洪洞水力学及结构动力安全原型观测研究

曾永军，严根华，侍贤瑞,4，孙云茜,4，朱春玥,4

(1.贵州省水利投资(集团)有限责任公司， 贵州 贵阳 550081；2.南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029；3.水文水资源与水利工程国家重点实验室， 江苏 南京 210029；4.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210029)

本文依托贵州省黔中水利枢纽工程进行溢洪洞水力结构特性的原型观测研究。该工程大坝坝型为混凝土面板堆石坝(坝高162.7 m)。溢洪道、泄洪中孔、放空底孔、发电引水隧洞布置在右岸，泄水建筑物具有“高水头，窄河谷”特点。洞式溢洪道由引渠段、控制段、收缩段、洞身泄槽段及挑流鼻坎组成，水平总长约976.8 m，采用驼峰堰，堰顶高程1 321 m，设置3孔，7.0 m×10.0 m(宽×高)的弧形闸门，洞身为直坡式，一坡到底，城门洞型洞身断面，其尺寸为10 m×15.4 m～10 m×11.5 m。溢洪洞进口与出口见图1、图2。

图1 溢洪洞进口

图2 溢洪洞出口远景

1 原型观测仪器设备

本次原型观测结合现场实际情况，考虑到溢洪洞距离长，泄槽段位于隧洞内的特点，重点监控溢洪洞进口和出口两大关键部位，并布置相关仪器设备进行水力学和结构动力问题监测。溢洪洞进出口分别布置无人机、高速摄影、表面流场测量系统LSPIV、高精度振动监测仪器等设备进行水流流态、流速流量、水舌挑距、泄洪雾化区域等水力特性进行测试，在闸门结构的面板、支臂等关键部位分别布置了脉动压力、振动加速度、振动应力等传感器，分别监测弧形工作闸门泄洪振动响应参数。为了获取闸门运行过程中的振动特性，在中间孔工作门上部布置了7个振动加速度传感器，其中V1、V2为布置在中间孔弧形工作闸门的高精度防水防潮性振动传感器，V1靠近边梁，V2靠近左支臂的面板梁格部位；边孔闸门布置二个振动加速度测点V3、V4，分别测量顺河向、横河向及垂向的振动加速度；5个应变测点S1—S5，分别位于纵梁、横梁、支臂、面板；3个脉动压力测点P1—P3，位于闸门下部。具体测点布置见图3。

图3 原型观测仪器布置图

2 溢洪洞水力特性

2.1 进水口流态

溢洪洞进口头部采用椭圆形墩头，中孔单孔开启进水口进口流态基本平顺，闸门典型大开度下的进流流态见图4，从总体上看，进流总体平稳，边孔泄流时仅左(右)边闸墩出现微弱绕流外，近岸侧来流平顺；中孔泄洪时，除墩头出现一定侧收缩外主流尚属平稳。但闸门开启至3.0 m～4.0 m左右时，闸门前出现立轴旋涡，水面扰动加剧；闸门开启至6.0 m～7.0 m时门前形成强烈涌浪，对闸门结构产生较强冲击荷载作用。

2.2 溢洪洞出口流态

水流经进水口闸门开始下泄，进入泄槽并平顺进入溢洪洞隧洞段，最后经开敞式明渠由专门研制的特种扭鼻坎，将水流在翻卷碰撞消能后归槽跌落河中(见图5)。正常设计流量时挑流水舌主射流将落入河道中央，当下泄流量低于正常设计流量时射流水舌将向近岸侧移动，部分水体将洒落至经过加固的防护岸坡上。由从空中无人机拍摄的挑流水舌形态可见，下泄射流扩散、消能良好，相当部分的主水舌已经高度气化，形成强雾化水流在空中消能，然后主射流以较小的能量跌落至河中，部分洒落在本岸岸坡上。

2.3 溢洪洞出口岸坡冲刷检查结果

经过两个汛期的溢洪洞泄洪，出口下游护坡完好无损，除了近岸侧坡脚除存在二个较浅冲坑外，岸坡衬砌混凝土护坡完好、无损伤迹象(见图6)。

图4 溢洪洞进口典型开度下的进流流态

图5 溢洪洞出口挑流水舌水流流态

图6 溢洪洞出口岸坡冲刷检查结果

2.4 溢洪洞流速流量现场标定结果

限于来流量和下游防洪要求的限制，本次原型观测的流量标定以开启中孔进行。流量测量分析采用表面流场测量系统LSPIV进行，该技术是在PIV测量方法在较大流场尺度中的开发应用。应用图像处理算法可获得粒子运动速度。其原理如下：相邻两帧图像的查询窗是一个M行N列的二维矩阵x[m,n],y[m,n]，其互相关函数由下式表示：

(1)

式中：j=1,2,3,…,M；k=1,2,3,…,N；查询窗的大小为M×N。x,y分别是第一幅和第二幅图中的查询窗的灰度值，j,k分别是两个方向的移动距离；当Rxy取最大时，认为两个窗口匹配，对应的j，k即为两图像间的像素位移。在此基础上获取水流流速，进而通过断面水深得到过流断面的流量[1-3]。

在上游正常蓄水位1 331 m条件下，分别开启中孔闸门0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m及全开进行溢洪洞泄流能力测量和分析，实测各开度的流速流量值列于表1。溢洪洞流速分布见图7。由图表数据可以看出，泄流量随闸门开度的增加而加大，中孔闸门全开后流量达到最大为435 m3/s，比模型试验值(402 m3/s)略大，这是高速水流紊动掺气，导致水面线升高的缘故。整体上说，模型试验流量与原型观测值基本一致。

表1 溢洪洞不同闸门开度的流速流量值

图7 溢洪洞出口流速分布

3 闸门结构的水流脉动压力特性

水流脉动压力荷载是激发闸门振动的主要动力源， 本次原型观测获得了闸门中下部位， 尤其是底缘部位的水流脉动压力的时域特性和谱特征。 各测点水流脉动压力均方根值随开度的变化关系绘于图8， 典型测点脉动压力时域过程及频谱特性可见图9。

图8 中孔闸门脉动压力均方根值随开度变化关系

图9 典型测点脉动压力时域过程和功率谱密度

试验成果指出，脉动压力测得的量值与试验观察到的流态态势基本吻合，各测点脉动压力均方根值随闸门开度的增加整体呈先增大后减小的趋势；脉动压力均方根值最大值为0.93×9.8 kPa，出现在闸门开度3 m～4 m时的P2测点，此时门前有旋涡生成流态。谱分析结果显示，作用在门体的脉动压力属于低频范畴，优势频率集中在2 Hz以内的低频区。

4 闸门结构的流激振动特性

闸门结构的流激振动观测重点考查了溢洪洞弧形工作闸门在局部开启泄流运行过程中闸门结构的振动加速度、动位移和动应力等参数，取得重要成果。

4.1 闸门结构的振动加速度特征

在闸门结构上布置若干个高精度YMC三向振动加速度传感器，分别测量结构x(径向)，y(横河向)，z(切向)振动特性。测试结果指出，在正常设计水位1 331.0 m条件下，闸门结构振动加速度整体不大，最大振动加速度均方根值为0.567 m/s2，出现在闸门开度7 m时的V1Y测点。成果指出，闸门振动量随开度的变化出现两个峰值，小开度0.5 m和接近全开的大开度6.0 m～7.0 m。小开度的较大振动量的出现主要由于闸下出流的不稳定产生，而大开度6.0 m～7.0 m时闸门结构的较大振动峰值主要源于闸前出现强烈涌浪，对闸门结构产生猛烈的冲击作用的缘故，这是工程运行需要避免的。各测点振动加速度特征值随开度的变化关系绘于图10，典型测点振动加速度时域过程及频谱特性绘于图11。闸门振动的频谱密度显示，结构振动的能量在频域的分布较宽，较大振动能量分布在20 Hz～100 Hz及以上范围，与闸门结构的脉动压力高能区相距较远，这是水流小尺度高频旋涡激励产生，不会对闸门结构造成共振危害[4-5]。

图10 闸门振动加速度均方根值随开度变化关系

图11 典型测点振动加速度时域过程和功率谱密度

4.2 闸门结构的振动位移特征

溢洪洞弧形工作闸门结构的振动是通过对加速度信号的二次积分方式获得结构振动位移特性。图12绘出了溢洪洞弧形工作闸门振动位移均方根值随开度变化关系。成果显示各运行工况下，闸门结构振动位移整体不大，最大振动位移均方根值为1.32 mm。典型测点振动位移时域过程及频谱特性绘于图13，振动位移能量主要集中在1 Hz以内的低频区。这是门前低频大尺度旋涡作用产生的。

4.3 闸门结构的振动应力特征

闸门结构的振动应力反映结构在动水作用下出现的动态内力变化[6-8]。泄洪观测得到了各运行工况下闸门结构振动应力的变化特征。从总体上看，闸门结构振动应力值不大，最大振动应力均方根值为1.81 MPa, 处于内力波动的微小区域[9]，较大应力值出现在闸门开度6.0 m时门前涌浪荷载作用状态。图14绘出了各振动测点应力随开度的变化关系，图15给出了典型测点振动应力时域过程及频谱特性。应力谱密度显示，闸门结构的振动应力在频域的能量分布较宽，主要分布范围在15 Hz～100 Hz之内，与振动加速度能量分布一致。

图12 闸门振动位移均方根值随开度变化关系

图13 典型测点振动位移时域过程及功率谱密度特征

图14 闸门结构振动应力随开度变化关系

图15 典型测点振动应力时域过程与功率谱密度

5 溢洪洞运行安全性评价

该工程溢洪洞的技术安全要求重点关注如下四个方面的问题：(1) 溢洪洞弧形工作闸门的动力安全；(2) 泄水道出口的挑流消能防冲安全；(3) 泄洪洞自身的抗空化安全；(4) 泄流能力需满足工程设计要求[10-12]。通过本次原型观测，获得如下溢洪洞运行安全性重要评估数据：

(1) 水流流态观测显示，当闸门开度在3.0 m～4.0 m时，门前出现立轴旋涡，在6.0 m时门前产生强烈涌浪，对闸门结构产生较大冲击荷载作用，因此这种接近全开位的大开度控泄应当予以避免。

(2) 在门前单孔全开泄洪状态下，泄水道自身安全得到保障，泄洪后未见损坏迹象。

(3) 溢洪洞出口挑流水舌流态与模型试验结果一致，主射流翻卷，空中碰撞、归槽水流动能显著减小，消能充分。宣泄中小流量时部分洒落在岸坡的水体动能微弱，未对岸坡岸坡产生不利影响。

(4) 溢洪洞泄流能力校核结果指出，泄流量略大于工程设计值，满足设计要求。

(5) 各泄洪开度条件下，弧形工作闸门的最大振动加速度、动位移和动应力分别为0.567 m/s2、1.32 mm及1.81 MPa，满足结构动强度和动刚度要求。

综上所述，该溢洪洞的水力结构均处于安全状态，其泄洪运行是安全可靠的。

6 结 语

通过该工程溢洪洞泄洪原型观测试验取得多项重要成果，获得如下结论：

(1) 溢洪洞闸门流激振动结果指出，闸门振动量随开度的变化出现两个峰值，小开度0.5 m和接近全开的大开度6.0 m～7.0 m。小开度的较大振动量的出现主要由于闸下出流的不稳定产生，而大开度6.0 m～7.0 m时闸门结构的较大振动量主要由于闸前出现强烈涌浪，对闸门结构产生猛烈的冲击作用的缘故。为避免闸门结构出现疲劳损伤，闸门结构应避开微小开度和大开度运行，确保工程安全。

(2) 作用于闸门结构的水流脉动压力量级总体不大，最大脉动均方根值为0.93×9.8 kPa，脉动压力的主能量主要集中在2.0 Hz以内的低频区。

(3) 闸门振动加速度频谱密度显示，结构振动能量在频域的分布范围较宽，与作用于闸门结构的脉动压力高能区相距较远，这是水流小尺度高频旋涡激励产生，不会对闸门结构造成共振危害。

(4) 溢洪洞泄洪过程的流量测试结果显示，在库水位1 331 m条件下，弧形工作闸门不同开度的泄流能力略大于模型试验值5%～8%，这是水流掺气水深增加和模型糙率影响的缘故。原型观测得到的泄流量测量值是合理可靠的。

(5) 挑流水舌形态观测表明，由模型试验推荐的溢洪洞出口特型挑流鼻坎具有消能效果显著的特点，为类似工程布置提供了参考依据。

(6) 根据原型观测数据，可据此制定溢洪洞弧形工作闸门的运行操作规程：泄洪运行过程中，应避开n=0.5 m前后的微小开度泄流操作，确保出闸水流的稳定；此外需避免闸门开启n=6 m～7 m的大开度泄洪，以免门前产生强烈涌浪荷载，导致结构焊缝损伤或开裂，诱发工程安全事故。