高水頭溢洪洞水力學及結構動力安全原型觀測研究

曾永軍，嚴根華，侍賢瑞,4，孫云茜,4，朱春玥,4

(1.貴州省水利投資(集團)有限責任公司， 貴州 貴陽 550081；2.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029；3.水文水資源與水利工程國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029；4.河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210029)

本文依托貴州省黔中水利樞紐工程進行溢洪洞水力結構特性的原型觀測研究。該工程大壩壩型為混凝土面板堆石壩(壩高162.7 m)。溢洪道、泄洪中孔、放空底孔、發電引水隧洞布置在右岸，泄水建筑物具有“高水頭，窄河谷”特點。洞式溢洪道由引渠段、控制段、收縮段、洞身泄槽段及挑流鼻坎組成，水平總長約976.8 m，采用駝峰堰，堰頂高程1 321 m，設置3孔，7.0 m×10.0 m(寬×高)的弧形閘門，洞身為直坡式，一坡到底，城門洞型洞身斷面，其尺寸為10 m×15.4 m～10 m×11.5 m。溢洪洞進口與出口見圖1、圖2。

圖1 溢洪洞進口

圖2 溢洪洞出口遠景

1 原型觀測儀器設備

本次原型觀測結合現場實際情況，考慮到溢洪洞距離長，泄槽段位于隧洞內的特點，重點監控溢洪洞進口和出口兩大關鍵部位，并布置相關儀器設備進行水力學和結構動力問題監測。溢洪洞進出口分別布置無人機、高速攝影、表面流場測量系統LSPIV、高精度振動監測儀器等設備進行水流流態、流速流量、水舌挑距、泄洪霧化區域等水力特性進行測試，在閘門結構的面板、支臂等關鍵部位分別布置了脈動壓力、振動加速度、振動應力等傳感器，分別監測弧形工作閘門泄洪振動響應參數。為了獲取閘門運行過程中的振動特性，在中間孔工作門上部布置了7個振動加速度傳感器，其中V1、V2為布置在中間孔弧形工作閘門的高精度防水防潮性振動傳感器，V1靠近邊梁，V2靠近左支臂的面板梁格部位；邊孔閘門布置二個振動加速度測點V3、V4，分別測量順河向、橫河向及垂向的振動加速度；5個應變測點S1—S5，分別位于縱梁、橫梁、支臂、面板；3個脈動壓力測點P1—P3，位于閘門下部。具體測點布置見圖3。

圖3 原型觀測儀器布置圖

2 溢洪洞水力特性

2.1 進水口流態

溢洪洞進口頭部采用橢圓形墩頭，中孔單孔開啟進水口進口流態基本平順，閘門典型大開度下的進流流態見圖4，從總體上看，進流總體平穩，邊孔泄流時僅左(右)邊閘墩出現微弱繞流外，近岸側來流平順；中孔泄洪時，除墩頭出現一定側收縮外主流尚屬平穩。但閘門開啟至3.0 m～4.0 m左右時，閘門前出現立軸旋渦，水面擾動加??；閘門開啟至6.0 m～7.0 m時門前形成強烈涌浪，對閘門結構產生較強沖擊荷載作用。

2.2 溢洪洞出口流態

水流經進水口閘門開始下泄，進入泄槽并平順進入溢洪洞隧洞段，最后經開敞式明渠由專門研制的特種扭鼻坎，將水流在翻卷碰撞消能后歸槽跌落河中(見圖5)。正常設計流量時挑流水舌主射流將落入河道中央，當下泄流量低于正常設計流量時射流水舌將向近岸側移動，部分水體將灑落至經過加固的防護岸坡上。由從空中無人機拍攝的挑流水舌形態可見，下泄射流擴散、消能良好，相當部分的主水舌已經高度氣化，形成強霧化水流在空中消能，然后主射流以較小的能量跌落至河中，部分灑落在本岸岸坡上。

2.3 溢洪洞出口岸坡沖刷檢查結果

經過兩個汛期的溢洪洞泄洪，出口下游護坡完好無損，除了近岸側坡腳除存在二個較淺沖坑外，岸坡襯砌混凝土護坡完好、無損傷跡象(見圖6)。

圖4 溢洪洞進口典型開度下的進流流態

圖5 溢洪洞出口挑流水舌水流流態

圖6 溢洪洞出口岸坡沖刷檢查結果

2.4 溢洪洞流速流量現場標定結果

限于來流量和下游防洪要求的限制，本次原型觀測的流量標定以開啟中孔進行。流量測量分析采用表面流場測量系統LSPIV進行，該技術是在PIV測量方法在較大流場尺度中的開發應用。應用圖像處理算法可獲得粒子運動速度。其原理如下：相鄰兩幀圖像的查詢窗是一個M行N列的二維矩陣x[m,n],y[m,n]，其互相關函數由下式表示：

(1)

式中：j=1,2,3,…,M；k=1,2,3,…,N；查詢窗的大小為M×N。x,y分別是第一幅和第二幅圖中的查詢窗的灰度值，j,k分別是兩個方向的移動距離；當Rxy取最大時，認為兩個窗口匹配，對應的j，k即為兩圖像間的像素位移。在此基礎上獲取水流流速，進而通過斷面水深得到過流斷面的流量[1-3]。

在上游正常蓄水位1 331 m條件下，分別開啟中孔閘門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及全開進行溢洪洞泄流能力測量和分析，實測各開度的流速流量值列于表1。溢洪洞流速分布見圖7。由圖表數據可以看出，泄流量隨閘門開度的增加而加大，中孔閘門全開后流量達到最大為435 m3/s，比模型試驗值(402 m3/s)略大，這是高速水流紊動摻氣，導致水面線升高的緣故。整體上說，模型試驗流量與原型觀測值基本一致。

表1 溢洪洞不同閘門開度的流速流量值

圖7 溢洪洞出口流速分布

3 閘門結構的水流脈動壓力特性

水流脈動壓力荷載是激發閘門振動的主要動力源， 本次原型觀測獲得了閘門中下部位， 尤其是底緣部位的水流脈動壓力的時域特性和譜特征。 各測點水流脈動壓力均方根值隨開度的變化關系繪于圖8， 典型測點脈動壓力時域過程及頻譜特性可見圖9。

圖8 中孔閘門脈動壓力均方根值隨開度變化關系

圖9 典型測點脈動壓力時域過程和功率譜密度

試驗成果指出，脈動壓力測得的量值與試驗觀察到的流態態勢基本吻合，各測點脈動壓力均方根值隨閘門開度的增加整體呈先增大后減小的趨勢；脈動壓力均方根值最大值為0.93×9.8 kPa，出現在閘門開度3 m～4 m時的P2測點，此時門前有旋渦生成流態。譜分析結果顯示，作用在門體的脈動壓力屬于低頻范疇，優勢頻率集中在2 Hz以內的低頻區。

4 閘門結構的流激振動特性

閘門結構的流激振動觀測重點考查了溢洪洞弧形工作閘門在局部開啟泄流運行過程中閘門結構的振動加速度、動位移和動應力等參數，取得重要成果。

4.1 閘門結構的振動加速度特征

在閘門結構上布置若干個高精度YMC三向振動加速度傳感器，分別測量結構x(徑向)，y(橫河向)，z(切向)振動特性。測試結果指出，在正常設計水位1 331.0 m條件下，閘門結構振動加速度整體不大，最大振動加速度均方根值為0.567 m/s2，出現在閘門開度7 m時的V1Y測點。成果指出，閘門振動量隨開度的變化出現兩個峰值，小開度0.5 m和接近全開的大開度6.0 m～7.0 m。小開度的較大振動量的出現主要由于閘下出流的不穩定產生，而大開度6.0 m～7.0 m時閘門結構的較大振動峰值主要源于閘前出現強烈涌浪，對閘門結構產生猛烈的沖擊作用的緣故，這是工程運行需要避免的。各測點振動加速度特征值隨開度的變化關系繪于圖10，典型測點振動加速度時域過程及頻譜特性繪于圖11。閘門振動的頻譜密度顯示，結構振動的能量在頻域的分布較寬，較大振動能量分布在20 Hz～100 Hz及以上范圍，與閘門結構的脈動壓力高能區相距較遠，這是水流小尺度高頻旋渦激勵產生，不會對閘門結構造成共振危害[4-5]。

圖10 閘門振動加速度均方根值隨開度變化關系

圖11 典型測點振動加速度時域過程和功率譜密度

4.2 閘門結構的振動位移特征

溢洪洞弧形工作閘門結構的振動是通過對加速度信號的二次積分方式獲得結構振動位移特性。圖12繪出了溢洪洞弧形工作閘門振動位移均方根值隨開度變化關系。成果顯示各運行工況下，閘門結構振動位移整體不大，最大振動位移均方根值為1.32 mm。典型測點振動位移時域過程及頻譜特性繪于圖13，振動位移能量主要集中在1 Hz以內的低頻區。這是門前低頻大尺度旋渦作用產生的。

4.3 閘門結構的振動應力特征

閘門結構的振動應力反映結構在動水作用下出現的動態內力變化[6-8]。泄洪觀測得到了各運行工況下閘門結構振動應力的變化特征。從總體上看，閘門結構振動應力值不大，最大振動應力均方根值為1.81 MPa, 處于內力波動的微小區域[9]，較大應力值出現在閘門開度6.0 m時門前涌浪荷載作用狀態。圖14繪出了各振動測點應力隨開度的變化關系，圖15給出了典型測點振動應力時域過程及頻譜特性。應力譜密度顯示，閘門結構的振動應力在頻域的能量分布較寬，主要分布范圍在15 Hz～100 Hz之內，與振動加速度能量分布一致。

圖12 閘門振動位移均方根值隨開度變化關系

圖13 典型測點振動位移時域過程及功率譜密度特征

圖14 閘門結構振動應力隨開度變化關系

圖15 典型測點振動應力時域過程與功率譜密度

5 溢洪洞運行安全性評價

該工程溢洪洞的技術安全要求重點關注如下四個方面的問題：(1) 溢洪洞弧形工作閘門的動力安全；(2) 泄水道出口的挑流消能防沖安全；(3) 泄洪洞自身的抗空化安全；(4) 泄流能力需滿足工程設計要求[10-12]。通過本次原型觀測，獲得如下溢洪洞運行安全性重要評估數據：

(1) 水流流態觀測顯示，當閘門開度在3.0 m～4.0 m時，門前出現立軸旋渦，在6.0 m時門前產生強烈涌浪，對閘門結構產生較大沖擊荷載作用，因此這種接近全開位的大開度控泄應當予以避免。

(2) 在門前單孔全開泄洪狀態下，泄水道自身安全得到保障，泄洪后未見損壞跡象。

(3) 溢洪洞出口挑流水舌流態與模型試驗結果一致，主射流翻卷，空中碰撞、歸槽水流動能顯著減小，消能充分。宣泄中小流量時部分灑落在岸坡的水體動能微弱，未對岸坡岸坡產生不利影響。

(4) 溢洪洞泄流能力校核結果指出，泄流量略大于工程設計值，滿足設計要求。

(5) 各泄洪開度條件下，弧形工作閘門的最大振動加速度、動位移和動應力分別為0.567 m/s2、1.32 mm及1.81 MPa，滿足結構動強度和動剛度要求。

綜上所述，該溢洪洞的水力結構均處于安全狀態，其泄洪運行是安全可靠的。

6 結 語

通過該工程溢洪洞泄洪原型觀測試驗取得多項重要成果，獲得如下結論：

(1) 溢洪洞閘門流激振動結果指出，閘門振動量隨開度的變化出現兩個峰值，小開度0.5 m和接近全開的大開度6.0 m～7.0 m。小開度的較大振動量的出現主要由于閘下出流的不穩定產生，而大開度6.0 m～7.0 m時閘門結構的較大振動量主要由于閘前出現強烈涌浪，對閘門結構產生猛烈的沖擊作用的緣故。為避免閘門結構出現疲勞損傷，閘門結構應避開微小開度和大開度運行，確保工程安全。

(2) 作用于閘門結構的水流脈動壓力量級總體不大，最大脈動均方根值為0.93×9.8 kPa，脈動壓力的主能量主要集中在2.0 Hz以內的低頻區。

(3) 閘門振動加速度頻譜密度顯示，結構振動能量在頻域的分布范圍較寬，與作用于閘門結構的脈動壓力高能區相距較遠，這是水流小尺度高頻旋渦激勵產生，不會對閘門結構造成共振危害。

(4) 溢洪洞泄洪過程的流量測試結果顯示，在庫水位1 331 m條件下，弧形工作閘門不同開度的泄流能力略大于模型試驗值5%～8%，這是水流摻氣水深增加和模型糙率影響的緣故。原型觀測得到的泄流量測量值是合理可靠的。

(5) 挑流水舌形態觀測表明，由模型試驗推薦的溢洪洞出口特型挑流鼻坎具有消能效果顯著的特點，為類似工程布置提供了參考依據。

(6) 根據原型觀測數據，可據此制定溢洪洞弧形工作閘門的運行操作規程：泄洪運行過程中，應避開n=0.5 m前后的微小開度泄流操作，確保出閘水流的穩定；此外需避免閘門開啟n=6 m～7 m的大開度泄洪，以免門前產生強烈涌浪荷載，導致結構焊縫損傷或開裂，誘發工程安全事故。