《闸门水力学及流激振动规程》

备案号：DL

中华人民共和国电力行业标准

PDL/T××××--201×

水电水利工程闸门水力学和流激振动模拟技术规程

(征求意见稿)

TechnicalRegulationofModellingforGateHydraulicandFlow-induced

Vibrationforhydropower&waterresources

201--发布201--实施

国家能源局发布

目次

前言..................................................................................................................................Ⅱ

1范围................................................................................................................................1

2规范性引用文件..................................................................................................................2

3总则..............................................................................................................................3

4基本资料..............................................................................................................................4

5研究大纲..................................................................................................................5

6相似准则..................................................................................................................6

7试验设备与量测仪器..........................................................................................................7

8模型设计..............................................................................................................................8

9模型制作与安装..................................................................................................................9

10试验内容与方法..............................................................................................................10

11资料整理与分析..............................................................................................................11

12报告编写..........................................................................................................................12

附录A................................................................................................................................13

条文说明......................................................................................................................15

I

II

1范围

本标准规定了水电水利工程闸门水力学及流激振动模型试验的基本要求。

本标准适用于大中型水电水利工程闸门水力学及流激振动模型试验，其它工程可参照执

行。

1

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款，其最新版本适用

于本标准。

DL/T5244水电水利工程常规水工模型试验规程

2

3总则

3.0.1为规范水电水利工程闸门水力学及流激振动模型试验研究工作，特制定本

标准。

3.0.2本标准未明确规定的内容，应遵循国家和行业现行的有关标准的规定。

3

4基本资料

4.0.1开展闸门水力学模型试验应搜集下列资料：

1输水系统平面布置图、纵横剖面图和进出水口等细部大样图；

2闸门结构图；

3闸门启闭系统布置及结构图；

4闸门所在泄水建筑物进出口一定范围的局部地形图，地形图比尺不小于

1:2000；

5输水系统的水力设计资料，包括闸门各种运行工况的上下游水位、闸门启

闭方式、启闭速度等。

4.0.2开展闸门流激振动模型试验除应包含4.0.1所列资料外，尚需包括下列资

料：

1闸门结构样图、闸门构件材料表、物理力学指标；

2闸门吊杆或吊绳的物理力学指标。

4

5研究大纲

5.0.１模型试验前，应根据试验任务和要求，编制试验研究大纲。

5.0.2试验研究大纲宜包括下列内容：

1工程概况；

2研究目的与内容；

3工程设计方案和基本资料；

4模型设计和试验研究方法；

5试验设备和量测仪器；

6试验研究进度计划；

7预期成果目标；

8项目负责人和参加人员；

9其它。

5

6相似准则

6.0.1闸门水力模型，应满足几何相似、水流运动相似和动力相似，遵循佛劳德

（Froude）相似准则；模型应采用正态模型，模型水流宜在阻力平方区。

6.0.2闸门流激振动模型应采用闸门水弹性模型，除应遵循本规程6.0.1条相似准

则外，同时还应满足结构动力相似，包括：结构物的几何条件、物理力学特性、

运动条件和边界条件的相似。闸门的吊绳也应满足水弹性相似。

6.0.3闸门流激振动水弹性模型试验，应满足水流与弹性体两者各参数相似且量

纲相同参数的模型比尺一致。

6

7试验设备与量测仪器

7.0.1闸门水力模型试验一般利用专用水箱进行。水箱应符合以下要求：

1水箱容积和水面面积应较大，保证来流稳定和顺畅；

2应有可垂直升降调节的平水栅或溢流设施；

3应有可调节的进水阀门；

4以上三条的综合调控，应能保证闸门在动态启闭过程中，模型库水位维持

和原型相似，允许有效水头偏差±1%。

7.0.2试验使用的量测仪器仪表，凡属市场购置，应有国家或行业技术监督部门

颁发的合格证，且其技术指标符合试验测试要求。

7.0.3自行研制的仪器仪表，应经相应的技术监督部门鉴定合格，方可使用。

7.0.4试验用的主要一次量测仪器有：

1闸门启闭力仪测量宜采用拉压力传感器；

2压强测量宜采用测压管、压力表、液柱比压计和脉动压力传感器等；

3水位波动测量宜采用动态水位仪、电容式波高仪、电阻式波高仪、超

声波水位计等；

4结构应力应变测量宜采用应变传感器；

5结构件振动量测量宜采用加速度传感器；

6结构件位移量测量宜采用位移传感器；

7通气孔进气量测量宜采用风速仪。

7.0.5试验用的主要二次仪器可采用动态应变仪、电荷放大器、电压放大器、示

波器和信号采集与分析仪等。

7.0.6其它通用仪器与DL/T5244的规定相同。

7.0.7闸门水力学及流激振动模型试验常用量测仪器的精度要求见附录A。

7

8模型设计

8.0.1闸门水力模型，应按本规程第6.0.1条相似准则设计模型。

8.0.2闸门水力模型一般应包括闸室及其前后的有关建筑物，保证闸门的水力条

件相似。

8.0.3应根据试验要求，闸门尺寸、总水压力、流量和试验设备情况等条件，选

择合适的模型比尺，但模型闸门最小尺寸一般不宜小于20cm。

8.0.4闸门流激振动模型试验，应按本规程第6.0.2与6.0.3条相似准则设计模型。

8.0.5闸门流激振动模型比尺与闸门水力模型比尺相同，应按水弹性相似要求对

闸门模型材料的物理及力学参数进行测定，不符合相似率要求时，应重新研制模

型材料。吊绳可以采用原型材料，但吊绳与闸门组成的单自由度系统频率要满足

水弹性相似要求。

8.0.6闸门测点的布置，应根据需要布设，宜重点布点与一般布点相结合。在试

验过程中，可根据需要作必要的调整。

8.0.7闸门脉动压力测点的布置应根据需要在闸门的上游面、下游面与底缘布置

测点。

8

9模型制作与安装

9.0.1应绘制模型总体布置图、结构物模型图及其部件图、测点布置图，并提出

模型加工及安装要求。

9.0.2根据试验要求，应在进水口顶曲线、侧曲线、闸门槽、闸门门体和缝隙边

壁上布置必要的压力测点，测压孔应与测压面垂直和齐平。

9.0.3在需要观测水流流态的部位，应选用透明材料制作模型。

9.0.4在高压箱进行缝隙射流水力试验，应验算制模材料的强度。

9.0.5模型制作安装完成后，应进行检查与校核，并有完整记录。

9.0.6其它有关模型制作、安装及量测设备安装等要求，按DL/T5244执行。

9

10试验内容与方法

10.0.1闸门水力学主要试验内容如下：

1测量各特征水位下，闸门启闭过程中的门体动水压力变化过程；

2观测闸门启闭过程门井水位变化过程；

3测量通气孔风速，计算通气孔进气量；

4观察和记录闸门启闭过程中流态转换及其特征；

10.0.2闸门流激振动主要试验内容如下：

1对闸门水弹性模型进行模态试验，测定闸门的各阶自振频率与振型，并辅

以原型闸门动力特性的数值计算；

2测量各试验工况下闸门脉动压力变化过程；

3测量各试验工况下闸门关键点的应力、振动加速度、振动位移变化过

程。

10.0.3试验方法：

1试验前应对量测仪器、仪表进行标定，对模型工作状态进行检验；

2测量模型门体自重；

3应按需要安排试验组次，进行固定开度的恒定流试验和启闭过程的非恒定

流试验；

4脉动压力与振动响应测量应合理选择各被测参数的采样频率和记录长度，

并宜进行三次重复测量；

5测量和监视闸门启闭过程库水位保持恒定的误差；

6测量闸门下游水位，使之与原型下游水位相似。

10.0.4有关水位、流量、压力的测量方法，按DL/T5244执行。

10

11资料整理与分析

11.1闸门水力试验

11.1.1绘制试验段及有关细部的压力分布曲线。

11.1.2绘制闸门不同开度的门体压力分布，计算出门体的水力荷载。

11.1.3绘制闸门启闭过程中门井水位变化过程线。

11.1.4分析与计算考虑原型摩擦力在内的闸门启闭力。

11.1.5绘制闸门不同开度与启闭力关系曲线。

11.1.6绘制闸门不同开度与通气孔进气量关系曲线。

11.2闸门流激振动试验

11.2.1绘制各参数观测值的最大值、最小值、均方根值统计表。

11.2.2绘制闸门关键点动应力、振动位移均方根值随开度变化曲线。

11.2.3绘制典型测点脉动压力时域波形图。

11.2.4绘制闸门关键点动应力、振动位移、加速度时域波形图。

11.2.5绘制典型测点脉动压力功率谱图。

11.2.6绘制闸门关建测点动应力、振动位移、加速度功率谱图。

11.3常规参数

11.3.1有关水位、流量、流量系数、压力分布等资料的整理与分析，按DL/T5244

执行。

11

12报告编写

12.1闸门水力试验

12.1.1阐明闸门水力模型设计和制作的特点。

12.1.2论述和分析进口及闸门闸室段体型设计的合理性，提出较优的布置与选型

方案。

12.1.3论述闸门在不同库水位、不同开度下，门体压力分布及水力荷载。

12.1.4论述闸门在不同库水位，不同开度下，模型闸门启闭力变化的特征。

12.1.5论述计及原型摩擦力后闸门启闭力变化特征，提出选择启闭机容量的建

议。

12.1.6论述不同库水位、闸门不同开度与通气量的变化关系。

12.1.7有关报告编写的其它要求，应遵循DL/T5244的规定。

12.2闸门流激振动试验

12.2.1阐明闸门流激振动水弹性模型相似判据及模型材料的相似性。

12.2.2阐述闸门的模态试验方法及闸门的模态特性。

12.2.3论述各试验工况下，闸门各部位脉动压力特性及对闸门振动的影响。

12.2.4论述各试验工况下，闸门流激振动特性包括自激振动、水力共振、最大振

动响应及其对闸门安全的影响。

12.2.5分析评估闸门振动安全性，必要时提出结构优化等减振措施。

12.2.6有关报告编写的其它要求，应遵循DL/T5244的规定。

12

附录A

（规范性附录）

闸门水力学及流激振动模型试验测量精度

A.1闸门水力学及流激振动模型试验测量精度见表A.1。

表A.1闸门水力学及流激振动模型试验测量精度表

施测对象测试仪器精度控制备注

1.控制模型高程和宽度误差小于0.3mm，长度误确定相似准则及模型范围

水准仪

差小于5mm；和比尺；试验模型必须满足有关

试验模型经纬仪

2.试验中模型变形不得超过1%，漏水量不得超规定的限制条件，注意减小缩尺

钢尺

过试验最小过流量的1%影响

测杆必须安装牢固并呈铅

测针零点高程的精度应控制在0.2mm，每一测

量水测针垂方向。试验前应检查测针及连

水面水位次，应重复测读2~3次，取其稳定值或平均值，测

接管，不得有堵塞，气泡及漏水

读精度应达0.3mm

现象

必须按有关规定的技术要

求进行量水板的安装；待流量稳

应遵照量水测针精度控制要求，流量测量误差应在

量水堰板定后，方可测读上游测针读数；

±1%内

按不同堰型的率定曲线或有关

计算公式推算模型流量

流量传感器测量管内必须充满被

测介质，不能有非满管或有气泡

电磁流量聚集在测量管中；

精确度≤±1%F.S.

计；传感器的上游侧直管段长度不

小于5D，下游侧不小于2D；控

制阀宜安装在电磁流量计后

13

1用水准仪测定各测点及测压板零点高程，测读精

按有关规定的技术要求安装

度应达0.3mm；

测压管，每次试验前应检查测压

2在静水中校验测压管液面与测点高程一致，误差

孔和测压管是否符合要求；用清

测压管不超过0.5mm；

水驱赶测压管与连通管中的气

3流态稳定后，方能测读，每一测次，应重复测读

泡；传感器的安装应符合有关规

压力3~4次，取其均值或稳定值，测读精度应控制在

定

3mm以内。

每次测试前，应按有关规定，进行系统自检率定；

脉动压力率定量测区间应大于试验量测区间，率定曲线的偏应定时测定测量系统的温度漂

传感器差系数Cv＝σ/μ不得大于5%；每次测量的记录时移

间不得少于5s

1每一测点重复测量2~3次,取稳定值的平均值；热丝风速仪应在与模型相同气

热线风速2精确度≤±2%F.S.；温条件下调零，试验过程中间进

通气量

仪3工作环境条件:温度:-10~+40℃,相对湿度：≤行调零复核;仪器应保持水平,使

85%RH用过程中不可随意移动

14

水电水利工程闸门水力学和流激振动模型

试验规程

条文说明

15

3总则

3.0.1本条主要说明编制本试验规程的必要性和目的。必要性是作为统一本行业

闸门水力模型试验与流激振动试验研究的方法和技术要求。目的在于提高试验研

究成果的质量的水平。

3.0.2本条主要说明本规程与国家和行业现行的有关标准的关系。

16

4基本资料

4.0.1本条中规定要模拟闸门所在泄水建筑物进出口一定范围的局部地形，主要

目的是通过模拟建筑物进出口之外上下游水流调节段来保证进出口水流相似，地

形图比尺宜为1:500，最小不得小于1:2000。对于水域宽阔、边界约束少的进出

口，则可简化模拟或不模拟局部地形。

4.0.2本条是开展闸门流激振动模型试验需另外增加的资料。

17

5研究大纲

5.0.1本条主要是要求编写试验研究大纲，以使试验研究程序规范化。

2.0.3本条规定了试验研究大纲应包含的一些基本内容。

18

6相似准则

6.0.1闸门水力模型试验，应满足水力条件相似，即满足几何相似、水流运动相

似和动力相似，遵循佛劳德模型相似律（重力相似准则），其主要参数的比尺与

模型几何比尺Lr关系为：

流速比尺：Vr=Lr1/2

流量比尺：Qr=Lr2.5

时间比尺：Tr=Lr1/2

力的比尺：(F)r=Lr3

压强的比尺：Pr=Lr

功的比尺：Wr=Lr4

功率的比尺：Nr=Lr3.5

6.0.2闸门的流激振动试验是用水弹性模型在相同几何比尺、按重力相似准则设

计的的水力模型上进行试验的，除满足6.0.1的相似条件外闸门模型还应满足结构

动力相似准则，即除满足上述各参数的相似比尺外还应满足如下参数的相似比

尺：

模型材料密度比尺：

s,rw,r1

模型材料弹模比尺：

rLr

模型材料性质参数比尺：

rrr1

动静应力比尺：

rrrrLr

振动加速度比尺：

ar1

速度比尺：Vr=Lr1/2

振动位移比尺：

rLr

振动频率比尺：1/2

frLr

由于模型模拟技术关系，闸门启闭力和通气量试验观测资料，还不能按重力

相似准则直接换算为原型值，需采用试验与计算相结合来解决，参见本规程第

11.0.5、11.0.6条的说明。

19

7试验设备和量测仪器

7.0.1闸门水力学及流激振动模型试验，一般水头较高，且需调控流量和水位，

故通常利用专用高水箱进行。对高水箱提出的四条要求，就是为了保证试验过程

中能按试验要求调控流量和水位。

7.0.2、7.0.3、7.0.4、7.0.5这四条都是对试验量测仪表提出的要求，即试验所使

用仪器仪表均应有国家或行业技术监督部门颁发的合格证，且适合试验应用；自

行研制的仪表也均应经过相应技术监督部门鉴定认可后，方可使用。这个规定是

必要的，是使试验的量测仪表规范化、科学化和保证试验成果准确性、可靠性。

对量测一次仪器仪表的率定（校验）、二次仪器仪表及采集系统的检定（校验），

其周期一般为1~2年。

20

8模型设计

8.0.1、8.0.2闸门水力模型试验，按佛劳德模型定律（重力相似准则）设计模型。

为了满足闸门的水力条件相似，应保证来流流态相似，为此，在截取模型范围时，

应包括闸室前后的有关建筑物，以满足来流边界条件相似。

8.0.3本条主要是模型比尺选择问题。应根据试验任务要求和试验室具体条件综

合比较确定模型比尺，但模型闸门最小尺寸一般不宜小于20cm，以免模型过小

而影响试验资料的准确性。

8.0.4闸门流激振动模型试验的水力模型按重力相似准则设计，闸门模型按水弹

性相似率要求设计，几何比尺与水力模型一致。

8.0.5本条主要是对闸门水弹性模型材料的要求以及对吊绳相似的要求。

8.0.6闸门振动测点的布置应根据闸门的振动特性与工程安全的需要布设。

8.0.7闸门脉动压力测点布置应考虑闸门上游面、下游面及底缘的受力情况布设。

21

9模型制作与安装

9.0.1绘制模型总体布置图和结构图及闸门模型的部件图，是模型制造和安装的

依据。为了避免制模和安装差错，结构物和尺寸应清晰，提出的要求应具体明确，

模型图应有人校核，绘图和校核者均应签名。

9.0.2本条重点要求布置的测压面应与测压孔垂直和齐平，以保证测量压力值的

准确性。

9.0.3应根据试验任务的要求，选择制模材料，对于需观察水流流态部位，应选

用透明的材料。应根据所选择的模型比尺和相似率要求制备水弹性模型材料，按

设计图制作闸门水弹性模型。

9.0.5模型制作安装完成后，应依据设计图及要求进行校核的验收，并有记录和

必要的说明。

9.0.6其它有关制模、量测仪器的安装，应遵循DL/T5244的规定的要求进行校核

和验收。

22

10试验内容与方法

10.0.1为闸门水力学试验观测内容，指随着闸门的连续启闭，完成整个过程各水

力要素的动态量测。长管道需量测通气风速。通气管风速量测，可以是量测进水

口通气管中心最大风速，如测管中心最大风速则应乘以系数0.84~0.85,作为通气

管内平均风速。闸门启闭过程流态转换的量测和记录，宜以静态为主，静动结合。

10.0.2为闸门流激振动试验观测内容，闸门的动力特性（频率和振型）分为干门

和湿门两种，湿门的动力特性与水位有关，为了检验水弹性模型的相似性应对闸

门的动力特性进行计算。测量各试验工况的门体脉动压力、振动响应，注意观测

资料的完整性和系统性。

10.0.3为试验方法，试验前应完成的各项工作，包括试验用的量测仪表仪器率定、

模型和模型工作状态的检查。应根据需要安排试验组次，进行各固定开度下的恒

定流试验与闸门启闭的非恒定流试验。合理选择采样频率和记录长度。要保持闸

门启闭过程库水位不变，需要通过自计水位计的反馈，调节流量和平水栅来完成。

下游水位通过自动或手动方法保持与原型水位相似。

10.0.4指一般常规测量，应遵循DL/T5244的规定。

23

11资料整理与分析

11.1.1绘制试验段及细部的压力分布，便于分析建筑物及布置体型的合理性，为

优选布置方案提供依据。

11.1.2绘制闸门不同开度的门体压力分布，包括门体的上、下游面板、门顶和底

缘压力，以便得出门体总水压力的水平分量和垂直分量，供计算闸门启闭