高水頭溢洪洞水力學(xué)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力安全原型觀測研究

曾永軍，嚴(yán)根華，侍賢瑞,4，孫云茜,4，朱春玥,4

(1.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽 550081；2.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029；3.水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029；4.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210029)

本文依托貴州省黔中水利樞紐工程進(jìn)行溢洪洞水力結(jié)構(gòu)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(fā)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(diǎn)。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(shè)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(jìn)口與出口見圖1、圖2。

圖1 溢洪洞進(jìn)口

圖2 溢洪洞出口遠(yuǎn)景

1 原型觀測儀器設(shè)備

本次原型觀測結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮到溢洪洞距離長，泄槽段位于隧洞內(nèi)的特點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)控溢洪洞進(jìn)口和出口兩大關(guān)鍵部位，并布置相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行水力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題監(jiān)測。溢洪洞進(jìn)出口分別布置無人機(jī)、高速攝影、表面流場測量系統(tǒng)LSPIV、高精度振動(dòng)監(jiān)測儀器等設(shè)備進(jìn)行水流流態(tài)、流速流量、水舌挑距、泄洪霧化區(qū)域等水力特性進(jìn)行測試，在閘門結(jié)構(gòu)的面板、支臂等關(guān)鍵部位分別布置了脈動(dòng)壓力、振動(dòng)加速度、振動(dòng)應(yīng)力等傳感器，分別監(jiān)測弧形工作閘門泄洪振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)。為了獲取閘門運(yùn)行過程中的振動(dòng)特性，在中間孔工作門上部布置了7個(gè)振動(dòng)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(dòng)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(gè)振動(dòng)加速度測點(diǎn)V3、V4，分別測量順河向、橫河向及垂向的振動(dòng)加速度；5個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)S1—S5，分別位于縱梁、橫梁、支臂、面板；3個(gè)脈動(dòng)壓力測點(diǎn)P1—P3，位于閘門下部。具體測點(diǎn)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(jìn)水口流態(tài)

溢洪洞進(jìn)口頭部采用橢圓形墩頭，中孔單孔開啟進(jìn)水口進(jìn)口流態(tài)基本平順，閘門典型大開度下的進(jìn)流流態(tài)見圖4，從總體上看，進(jìn)流總體平穩(wěn)，邊孔泄流時(shí)僅左(右)邊閘墩出現(xiàn)微弱繞流外，近岸側(cè)來流平順；中孔泄洪時(shí)，除墩頭出現(xiàn)一定側(cè)收縮外主流尚屬平穩(wěn)。但閘門開啟至3.0 m～4.0 m左右時(shí)，閘門前出現(xiàn)立軸旋渦，水面擾動(dòng)加??；閘門開啟至6.0 m～7.0 m時(shí)門前形成強(qiáng)烈涌浪，對閘門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊荷載作用。

2.2 溢洪洞出口流態(tài)

水流經(jīng)進(jìn)水口閘門開始下泄，進(jìn)入泄槽并平順進(jìn)入溢洪洞隧洞段，最后經(jīng)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(shè)計(jì)流量時(shí)挑流水舌主射流將落入河道中央，當(dāng)下泄流量低于正常設(shè)計(jì)流量時(shí)射流水舌將向近岸側(cè)移動(dòng)，部分水體將灑落至經(jīng)過加固的防護(hù)岸坡上。由從空中無人機(jī)拍攝的挑流水舌形態(tài)可見，下泄射流擴(kuò)散、消能良好，相當(dāng)部分的主水舌已經(jīng)高度氣化，形成強(qiáng)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(jié)果

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

圖4 溢洪洞進(jìn)口典型開度下的進(jìn)流流態(tài)

圖5 溢洪洞出口挑流水舌水流流態(tài)

圖6 溢洪洞出口岸坡沖刷檢查結(jié)果

2.4 溢洪洞流速流量現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)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(biāo)定以開啟中孔進(jìn)行。流量測量分析采用表面流場測量系統(tǒng)LSPIV進(jìn)行，該技術(shù)是在PIV測量方法在較大流場尺度中的開發(fā)應(yīng)用。應(yīng)用圖像處理算法可獲得粒子運(yùn)動(dòng)速度。其原理如下：相鄰兩幀圖像的查詢窗是一個(gè)M行N列的二維矩陣x[m,n],y[m,n]，其互相關(guān)函數(shù)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(gè)方向的移動(dòng)距離；當(dāng)Rxy取最大時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)窗口匹配，對應(yīng)的j，k即為兩圖像間的像素位移。在此基礎(chǔ)上獲取水流流速，進(jìn)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(jìn)行溢洪洞泄流能力測量和分析，實(shí)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(shù)據(jù)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(dá)到最大為435 m3/s，比模型試驗(yàn)值(402 m3/s)略大，這是高速水流紊動(dòng)摻氣，導(dǎo)致水面線升高的緣故。整體上說，模型試驗(yàn)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(jié)構(gòu)的水流脈動(dòng)壓力特性

水流脈動(dòng)壓力荷載是激發(fā)閘門振動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ矗?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(dòng)壓力的時(shí)域特性和譜特征。 各測點(diǎn)水流脈動(dòng)壓力均方根值隨開度的變化關(guān)系繪于圖8， 典型測點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程及頻譜特性可見圖9。

圖8 中孔閘門脈動(dòng)壓力均方根值隨開度變化關(guān)系

圖9 典型測點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程和功率譜密度

試驗(yàn)成果指出，脈動(dòng)壓力測得的量值與試驗(yàn)觀察到的流態(tài)態(tài)勢基本吻合，各測點(diǎn)脈動(dòng)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(dòng)壓力均方根值最大值為0.93×9.8 kPa，出現(xiàn)在閘門開度3 m～4 m時(shí)的P2測點(diǎn)，此時(shí)門前有旋渦生成流態(tài)。譜分析結(jié)果顯示，作用在門體的脈動(dòng)壓力屬于低頻范疇，優(yōu)勢頻率集中在2 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)。

4 閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性

閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)觀測重點(diǎn)考查了溢洪洞弧形工作閘門在局部開啟泄流運(yùn)行過程中閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度、動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)，取得重要成果。

4.1 閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度特征

在閘門結(jié)構(gòu)上布置若干個(gè)高精度YMC三向振動(dòng)加速度傳感器，分別測量結(jié)構(gòu)x(徑向)，y(橫河向)，z(切向)振動(dòng)特性。測試結(jié)果指出，在正常設(shè)計(jì)水位1 331.0 m條件下，閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度整體不大，最大振動(dòng)加速度均方根值為0.567 m/s2，出現(xiàn)在閘門開度7 m時(shí)的V1Y測點(diǎn)。成果指出，閘門振動(dòng)量隨開度的變化出現(xiàn)兩個(gè)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(dòng)量的出現(xiàn)主要由于閘下出流的不穩(wěn)定產(chǎn)生，而大開度6.0 m～7.0 m時(shí)閘門結(jié)構(gòu)的較大振動(dòng)峰值主要源于閘前出現(xiàn)強(qiáng)烈涌浪，對閘門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生猛烈的沖擊作用的緣故，這是工程運(yùn)行需要避免的。各測點(diǎn)振動(dòng)加速度特征值隨開度的變化關(guān)系繪于圖10，典型測點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)域過程及頻譜特性繪于圖11。閘門振動(dòng)的頻譜密度顯示，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量在頻域的分布較寬，較大振動(dòng)能量分布在20 Hz～100 Hz及以上范圍，與閘門結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)壓力高能區(qū)相距較遠(yuǎn)，這是水流小尺度高頻旋渦激勵(lì)產(chǎn)生，不會(huì)對閘門結(jié)構(gòu)造成共振危害[4-5]。

圖10 閘門振動(dòng)加速度均方根值隨開度變化關(guān)系

圖11 典型測點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)域過程和功率譜密度

4.2 閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移特征

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

4.3 閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)應(yīng)力特征

閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)應(yīng)力反映結(jié)構(gòu)在動(dòng)水作用下出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)內(nèi)力變化[6-8]。泄洪觀測得到了各運(yùn)行工況下閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力的變化特征。從總體上看，閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力值不大，最大振動(dòng)應(yīng)力均方根值為1.81 MPa, 處于內(nèi)力波動(dòng)的微小區(qū)域[9]，較大應(yīng)力值出現(xiàn)在閘門開度6.0 m時(shí)門前涌浪荷載作用狀態(tài)。圖14繪出了各振動(dòng)測點(diǎn)應(yīng)力隨開度的變化關(guān)系，圖15給出了典型測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力時(shí)域過程及頻譜特性。應(yīng)力譜密度顯示，閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)應(yīng)力在頻域的能量分布較寬，主要分布范圍在15 Hz～100 Hz之內(nèi)，與振動(dòng)加速度能量分布一致。

圖12 閘門振動(dòng)位移均方根值隨開度變化關(guān)系

圖13 典型測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域過程及功率譜密度特征

圖14 閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力隨開度變化關(guān)系

圖15 典型測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力時(shí)域過程與功率譜密度

5 溢洪洞運(yùn)行安全性評價(jià)

該工程溢洪洞的技術(shù)安全要求重點(diǎn)關(guān)注如下四個(gè)方面的問題：(1) 溢洪洞弧形工作閘門的動(dòng)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(shè)計(jì)要求[10-12]。通過本次原型觀測，獲得如下溢洪洞運(yùn)行安全性重要評估數(shù)據(jù)：

(1) 水流流態(tài)觀測顯示，當(dāng)閘門開度在3.0 m～4.0 m時(shí)，門前出現(xiàn)立軸旋渦，在6.0 m時(shí)門前產(chǎn)生強(qiáng)烈涌浪，對閘門結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(yīng)當(dāng)予以避免。

(2) 在門前單孔全開泄洪狀態(tài)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(tài)與模型試驗(yàn)結(jié)果一致，主射流翻卷，空中碰撞、歸槽水流動(dòng)能顯著減小，消能充分。宣泄中小流量時(shí)部分灑落在岸坡的水體動(dòng)能微弱，未對岸坡岸坡產(chǎn)生不利影響。

(4) 溢洪洞泄流能力校核結(jié)果指出，泄流量略大于工程設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

(5) 各泄洪開度條件下，弧形工作閘門的最大振動(dòng)加速度、動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力分別為0.567 m/s2、1.32 mm及1.81 MPa，滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)剛度要求。

綜上所述，該溢洪洞的水力結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)，其泄洪運(yùn)行是安全可靠的。

6 結(jié) 語

通過該工程溢洪洞泄洪原型觀測試驗(yàn)取得多項(xiàng)重要成果，獲得如下結(jié)論：

(1) 溢洪洞閘門流激振動(dòng)結(jié)果指出，閘門振動(dòng)量隨開度的變化出現(xiàn)兩個(gè)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(dòng)量的出現(xiàn)主要由于閘下出流的不穩(wěn)定產(chǎn)生，而大開度6.0 m～7.0 m時(shí)閘門結(jié)構(gòu)的較大振動(dòng)量主要由于閘前出現(xiàn)強(qiáng)烈涌浪，對閘門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生猛烈的沖擊作用的緣故。為避免閘門結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷，閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)避開微小開度和大開度運(yùn)行，確保工程安全。

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

(3) 閘門振動(dòng)加速度頻譜密度顯示，結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量在頻域的分布范圍較寬，與作用于閘門結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)壓力高能區(qū)相距較遠(yuǎn)，這是水流小尺度高頻旋渦激勵(lì)產(chǎn)生，不會(huì)對閘門結(jié)構(gòu)造成共振危害。

(4) 溢洪洞泄洪過程的流量測試結(jié)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(yàn)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(tài)觀測表明，由模型試驗(yàn)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(diǎn)，為類似工程布置提供了參考依據(jù)。

(6) 根據(jù)原型觀測數(shù)據(jù)，可據(jù)此制定溢洪洞弧形工作閘門的運(yùn)行操作規(guī)程：泄洪運(yùn)行過程中，應(yīng)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(wěn)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(chǎn)生強(qiáng)烈涌浪荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)焊縫損傷或開裂，誘發(fā)工程安全事故。