西安理工大学
题目：
工程硕士研究生学位论文开题报告
泄洪底孔、临时底孔、闸门水力学和振动试验研究
——————以拉西瓦水电站工程为例
学 科 学 号 姓 名
导 师 简政 教授 日 期
2011-1-5
西安理工大学研究生学院
2011年8月
填 写 说 明
1． 研究生应根据开题报告各栏目的具体要求，认真撰写开题报告。 2． 开题报告一式三份，学院、学科、导师各一份。
开题报告内容（包括：1.研究背景与意义；2. 国内外研究进展；3.主要研究内容；4.研究方案和技术路线；5.课题的主要难点及拟采取解决方案；6. 预期研究成果；7.主要参考文献（在正文中必须标注)） 1.研究背景与意义； 研究背景： 近年来，在西部大开发的招引下，水电工程的修筑日新月异突飞猛进，但面临的工程地质问题也越来越多，水电站泄洪底孔闸门的特性研究和评价问题就是其中之一。因此对泄洪底孔闸门的详细调查研究及科学评价是确保工程安全首先要解决的重要问题。拉西瓦水电站厂房由于受地形条件不可避免的就建在区域断层中的活断层上，所以研究区域的底孔和闸门特性至关重要 研究意义： 通过物理模型试验和有限元分析方法,以拉西瓦水电站表孔闸门为例,分析了闸门止水对闸门自振特性的影响.在物理模型试验中,定性分析了止水对闸门自振特性的影响情况,通过测试极端工况(闸门有止水和无止水)下闸门的自振频率,研究了闸门止水对其自振频率的影响.然后通过有限元数值模型计算了不同止水弹模对闸门自振特性的影响情况,对闸门如何选用止水材料给予定性分析.试验及计算成果对闸门止水的设计具有一定的借鉴意义.用。 为了充分发挥引拉西瓦水电站的综合效益，确保工程安全运行，提高管理水平，充分挖掘水资源潜力，提高工程区域内的经济效益和社会效益，研究拉西瓦水电站泄洪底孔闸门的水力学振动试验，在技术上可行 通过过闸门及门槽水力学试验、闸门水动力荷载试验、闸门结构模态试验、闸门水弹性振动试验以及减压模型试验相结合的途径，进行门槽体型论证和优化、闸门结构流激振动研究和闸门结构的抗振优化设计，以提高泄水道抗空蚀能力，完善闸门设计，优化闸门布置，以达到工程安全、投资节省、水流条件好、结构稳定可靠、运行管理方便等要求。因此深入做好该项试验研究工作具有重要科学意义和工程价值。 2.国内外研究进展； 泄洪底孔为大坝底部的泄水孔，闸门是用于关闭和开放泄水通道的控制设施，水工建筑物的重要组成部分，可用以拦截水流，控制水位，调节流量，排放泥沙和漂浮物等。对于闸门的震动研究，在上世纪30年代国外已经开始研究，我国的闸门震动实验研究始于上世纪50年代，至今也取得一定的成果，由于闸门震动的影响因素非常多，由于条件的，我国在这一领域的理论研究尚不成体系，我国对于闸门的运行经验相对比较缺乏，并且对轮压分布的研究不够深入，对弹塑性变形特性掌握不够，对大荷载锟轮的接触及应力计算与控制也认识不够深刻，对于高水头闸门，现行的闸门设计规范中的水平体系算法相对比较简单。 3.主要研究内容 本文主要的研究内容包括以下： （1）概述。介绍了拉西瓦水电站的相关情况，用表格分别列举了拉西瓦水电站坝顶高程，正常蓄水位，校核洪水位，死水位等情况以及拉西瓦电站的气候条件，事故闸门和工作闸门的一些基本情况。最后介绍了相关的研究方法于途径。 （2）实验设计制作和仪器设备。根据拉西瓦水电站的工程背景模型取一孔设计，模型研究范围为：桩号坝0-048m ~坝0+21.9m，闸门启闭力试验和水弹性振动试验模型，按重力相似和水弹性振动相似准则设计。闸门结构模态分析模型采用弹性相似模型进行。模型制作严格按照结构设计要求进行。水流脉动压力采用微型脉动压力传感器和DH5937型动态数据采集分析系统进行数据采集与测量，数据分析软件考虑通用程序与自编程序相结合。 （3）水流流态和水面线。在主要运行水位工况下，分别进行了原方案布置下的底孔工作闸门局部开启、事故闸门局部开启以及闸门全开情况下的泄水道及闸门水力学试验。当运行水头为110m。在主要运行水位工况下，进行了原布置事故门门槽尺寸（宽深比：1.786）下的底孔工作闸门全开、事故闸门局部开启及全开情况下的流态观测试验。 （4）泄流能力 。在主要的运行水位工况下，进行了原方案布置下的底孔工作闸门、事故闸门局部开度、全开情况下的过流流量试验。 （5）通风孔风速。当闸门开度位于no=0.7~0.9范围内时，底部通气孔出现积水现象，表明通气不畅，进气很差，这对闸门在该局部开启范围内运行是不利的；工作门全开后，下泄水流在闸后形成稳定的底空腔和侧空腔，与闸门局部开启相比较，通气量明显增加，最大通气孔风速达到14.4m/s。在运行水位2430m、工作门全开情况下，事故门下门过程中门后通气孔风速值较大。在整个闸门关闭过程中，通气孔风速均超出仪器测量范围，即大于50m/s。 （6）泄水道时均动水压力分布特征。事故闸门全开、工作闸门局部开启时，上游有压段各部位时均压力随闸门开度的增加而减小，工作闸门下游的泄水道底板、侧墙的时均压力随开度的增加而有所加大。工作闸门处于局部开启或全开状态时，事故门门槽部位的压力分布出现槽内边壁压力下降，压力下降值随闸门开度在8～12m水柱范围内变化；槽后压力由于水流扩散而有所上升。但门槽最低压力仍在65m水柱以上。泄水道出口底空腔范围内出现局部负压，最大负压值为-0.5m水柱；二侧边墙部分测点也出现轻度负压，这是水流扩散后出现反弹的缘故。 （7）闸门时均动水压力分布特征。工作闸门作局部开启运行时，作用于门体上游面的动水压力分布基本对称，底缘部分时均压力较小，这是靠近闸门底缘处水流流速较上部大，势能转化为动能所致。 （8）工作门出口突扩门槽体型的优化比较。闸门局部开启时工作门出口段水面实体水深变幅范围、变化规律与侧扩50cm时相似；水翅变化与侧扩50cm时有所不同，闸门相对开度在no =0.1~0.7范围内变化时，水翅高度有所增高。工作门全开后，水翅现象减弱，水体自由表面距工作门支铰距离约4.70m，具有一定安全裕度。 （9）减压模型试验。通过对底孔事故门门槽与工作门门槽减压模型试验资料的分析，获得如下初步结论： （1）在原布置方案下，闸门全开，最高运行水位2430m，取得的底孔事故门槽和工作门突扩门槽水流空化的最大噪声谱差值各约为12和9db； （2）在原布置方案下，当事故门全开，工作门部分开启0.3～0.7时，突扩门槽的差值 约在8~28db之间变化，其中以相对开度0.4～0.5附近的差值最大，其值约为28db； （3）通过对工作门后通气孔封闭与保留两种工况的空化噪声谱资料的分析，认为保留通气孔情况下，出口段噪声谱强度比封闭通气孔情况下略低一些； （4）试验结果显示，突扩宽度55cm的工作门门槽空化噪声强度略小于50cm的原布置突扩尺寸布置，侧空腔长度也有所加大。 （10）关于底孔出口钢衬与通气孔尺寸的选择问题。本工程底孔工作闸门采用突扩、突跌体型。高速水流问题比较突出。最大流速达40m/s以上。工程经验表明，水流边界若处理不当，容易引起泄水道边壁的空蚀破坏。 （11）闸门结构的静力特性分析。通过对原布置闸门结构二种连接方式的静力特性分析表明，门叶结构的最大应力出现在下节门叶底缘小横梁上，次高应力分别出现在下节门叶主横梁，上节门叶顶部小横梁等部位。 （12）结论与建议。 4.研究方案和技术路线 论文的研究方案：论文遵循“实验研究+实际应用”的思路，通过对拉西瓦水电站工程背景的分析，设计了泄洪底孔，临时底孔，闸门的振动实验，应用上，通过实验的研究，数据处理，解决了底孔尺寸选择问题，实现了闸门结构的优化设计。 根据论文的主要研究内容和研究方案，论文拟采取以下技术路线，详见图1： 图1 论文技术路线 5.课题的主要难点及拟采取解决方案 难点一：关于底孔出口钢衬与通气孔尺寸的选择问题 解决方案：1：关于钢衬方案的讨论：1）方案一 全衬方案:该方案将工作门出口近20米范围的出口边界全部采用钢板衬砌。但钢衬施工时尚需注意钢板与混凝土母材的连接问题。2）方案二 不衬方案: 该方案不考虑工作门出口段边壁的钢板衬砌，而采用高强度抗冲蚀（或空蚀）耐磨混凝土材料。采用该方案的主要原因为：若采用闸室局部衬砌方案，水舌高压区落入分缝部位，容易在二个不同介质接头处出现问题，引起空化空蚀破坏。此外，闸门作局部开启时侧扩高压区位置前移，随开度变化是不确定的，因此钢衬位置难以具体确定。2: 关于底孔通气孔尺寸的选择问题: 1）底孔事故门通气孔尺寸的选取。 2）关于底孔工作门出口通气孔的去留问题。 图2关于底孔出口钢衬与通气孔尺寸的选择问题 难点二：工作门出口突扩门槽体型的优化比较 解决方案：工作门后侧空腔的大小受控于侧扩尺寸和孔口折流器的形状和宽度，一般侧扩尺寸越大、折流器宽度越宽，坡比越大，侧空腔就越长。但由此带来如下二方面的不利影响：①侧扩越大射流造成的侧向冲击波（或水翅）就越高，就有可能对工作门支铰造成冲击；②过大的侧扩将诱发高速水流的不稳定振荡。因此，折流器和侧扩尺寸的选择应当兼顾侧空腔稳定和流态平顺。根据国内外现有工程的设计和运行经验，一般侧扩宽度为0.4～0.6m，但也有侧扩达到0.8m的工程实例，而且运行情况良好。1）修改方案一：突扩60cm，底部跌坎高度1.0m，试验考查了出口水流流态、侧空腔、底空腔的长度、通气孔风速等水力参数。2）修改方案二为突扩70cm，底部跌坎仍为1.0m，试验考查了出口水流流态、侧空腔、底空腔的长度、通气孔风速等水力参数。 图3工作门出口突扩门槽体型的优化比较 6.预期研究成果 （1）通过水动力模型仔细研究作用于闸门结构的水流脉动压力荷载以及时均动水压力作用。获取闸门运行过程中闸门各部位压力脉动量级，取得作用于闸门结构的全部荷载信息。通过随机数据处理，分析荷载量级及其谱特征，把握动荷载高能区频域能量分布状况，为闸门振动分析及振源控制奠定基础 （2）通过三维有限元方法计算分析闸门的刚度及稳定性、闸门结构的静动力特性，并与模型试验成果进行比较，以期二部分成果相互映证。 闸门结构动态优化设计，通过闸门水动力荷载试验，取得了作用于闸门的时均动水压力，水流脉动压力荷载的量级及其能量在频域的分布特征；通过结构弹性模型试验取得了闸门结构的模态参数；通过闸门水弹性振动研究，取得了闸门结构的振动量级及性质，根据上述成果的综合分析，可以找出造成闸门有害振动的原因。在此基础上对闸门结构进行针对性动态修改。 7.主要参考文献 参考文献 【1】 郑铭，铅厂水电站泄洪冲沙底孔出口挑坎设计，云南水力发电，2009年03期 【2】 倪志鹏，拉西瓦水电站泄洪孔底临时孔底部位实验性锚索测力计设计及安装，西北水电，2009年03期 【3】 蒋立新，龙滩水电站泄洪孔底弧形工作闸门的设计，水工机械技术2008年论文集，2007年 【4】 何育鹏，拉西瓦水电站双曲混凝土拱坝泄洪孔底一期钢衬安装，科技资讯，2010年33期 【5】 李国良等，大朝山水电站泄洪排砂底孔闸墩预应力锚索施工，云南水力发电，2001年04期 【6】 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Faber, Surveying and Environmental Engineering [J]，Swiss Federal Institute of Technology, 2003年． 课题来源: 课题 来源 及 经费 课 题 进 度 安 排 导师意见： 签字： 年 月 日 学科带头人意见： 签字： 年 月 日 开题评审小组意见（包括修改意见）： 组长签字： 成员签字：
年 月 日 学院意见： 主管院长签字： 年 月 日
