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穿越河流管道懸跨安全長(zhǎng)度判定

文檔作者：李亮亮朱潔韓冰文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油管道公司a．管道科技研究中心；b．管道工程第二項(xiàng)目經(jīng)理部 2．中煤地質(zhì)工程總公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月17日
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第3 1卷第2期
2 0 1 4年2月
長(zhǎng) 江科學(xué) 院 院報(bào)
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Vo1．31 No．2
Feb． 2 0 1 4
DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2014．02．018 2014，31(02)：86—90
穿越河流管道懸跨安全長(zhǎng)度判定
李亮亮h，朱潔 ，韓冰
(1．中國(guó)石油管道公司a．管道科技研究中心；b．管道工程第二項(xiàng)目經(jīng)理部，河北廊坊065000；
2．中煤地質(zhì)工程總公司，北京100073)
摘要：采用大開(kāi)挖直埋方式穿越河流的輸油氣管道易產(chǎn)生與河床面不發(fā)生直接接觸的懸空段。為確定管道懸跨
安全長(zhǎng)度判定條件，對(duì)懸跨管道產(chǎn)生損毀的原因進(jìn)行闡述，并分別從振動(dòng)、疲勞和屈服破壞等方面對(duì)懸跨管道的損
毀機(jī)理進(jìn)行分析，借助分析工具對(duì)懸跨管道進(jìn)行繞流、振動(dòng)、靜力和疲勞分析。根據(jù)分析成果，提出了穿越河流管
道懸跨安全長(zhǎng)度的判定條件：懸跨段不發(fā)生振動(dòng)破壞、不發(fā)生疲勞破壞且不發(fā)生屈服破壞。最后，輔以實(shí)例進(jìn)行計(jì)
算，以供管道建設(shè)及防護(hù)參考。
關(guān)鍵詞：油氣管道；懸跨；水流沖擊；安全長(zhǎng)度
中圖分類號(hào)：TE832；TE88 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001—5485(2014)02—0086—05
進(jìn)入2l世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送油氣管道得
到了快速的發(fā)展，如今跨區(qū)域、全國(guó)性的油氣管網(wǎng)格
局已逐步形成。長(zhǎng)輸管道不可避免要穿越河流溝
谷? ，而大開(kāi)挖直埋方式是管道穿越河流溝谷最常
見(jiàn)的敷設(shè)方式，因此，河溝水流的沖擊作用造成的管
道危害較為普遍。懸跨危害發(fā)生機(jī)率雖較小，但因
其致災(zāi)后果嚴(yán)重，形成及致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，逐漸受到越
來(lái)越多的重視。
1 管道懸跨現(xiàn)象的產(chǎn)生
懸跨是指采用大開(kāi)挖直埋方式穿越河流的輸油
氣管道與河床表面不發(fā)生直接接觸的懸空段。其形
成原因主要有以下幾種：
(1)管道穿越處河床受到洪水的強(qiáng)烈沖刷與下
切作用，導(dǎo)致管道懸跨(圖1)；
(2)管道在鋪設(shè)和運(yùn)輸過(guò)程中，由于殘余應(yīng)力
或油氣傳輸時(shí)的熱應(yīng)力變化，使得管道局部位置發(fā)
生屈曲，可能導(dǎo)致管道出現(xiàn)懸跨；
(3)管道附近有采砂等人工活動(dòng)，隨著砂坑規(guī)
模的擴(kuò)大，砂坑邊緣逐漸發(fā)展到管道穿越處，造成管
道懸空(圖2)；
(4)其他原因造成管道出現(xiàn)懸跨。
2 懸跨致災(zāi)機(jī)理及判定條件
懸跨現(xiàn)象的出現(xiàn)和存在對(duì)整個(gè)管道的安全性和
28
24
{ 20
器16
羹12
8
4
圖1 西南某輸油管道出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象
Fig．1 Suspended span of all oil pipeline
in Southwest China
r游水流方向 下游
管道、 一 砂坑
ll ≯l - -l
0 00 — 0 ■ ’■ 十一 曩0 曩
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c
， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o f 0 口 0 0 口 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 ? ? 0 0 c
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (
， 口 0 0 0 o 0 0 0 D 0 ～ 0 0 D 0 D 0 0
0 0 0 o o o 0 0 0 0 fc 0 0 0 0 0 0 0 (
0 D 0 0 0 D 0 0 D D TD 0 0 0 0 0 0 0 c
’ 0 0 D ‘ 0 0 0
采砂坑不斷擴(kuò)大
I I 1
0 8 16 24 32 40 48 56
水平距離／m
圖2 采砂坑造成管道懸跨裸露示意圖
Fig．2 Schematic diagram of exposed suspended span
caused by dredging activities
完整性有著重要的影響。懸跨的出現(xiàn)改變了管道的
受力狀態(tài)：易發(fā)生因管后渦旋泄放而引起的管道共
振破壞，因管道繞流產(chǎn)生周期性升力作用而引起的
收稿日期：2013—02—22：修回日期：2013-04—19
作者簡(jiǎn)介：李亮亮(1986一)，男，山東棗莊人，工程師，碩士，主要從事油氣管道地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)技術(shù)研究，(電話)0316—2072313(電子信箱)kjlill
@ petrochina．com．cn。
第2期 李亮亮等 穿越河流管道懸跨安全長(zhǎng)度判定 87
管道疲勞破壞，因受自重、內(nèi)壓、浮力及繞流阻力等
靜載作用而引起的管道屈服破壞。導(dǎo)致穿越河流管
道出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象的原因多樣，因此，其所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)
形式往往也各式各樣。研究穿越河流管道懸跨問(wèn)題
具有一定的特殊性與復(fù)雜性，這也足以說(shuō)明了深入
研究該問(wèn)題的必要性。
2．1 振動(dòng)破壞
當(dāng)穩(wěn)恒水流橫向流經(jīng)管道時(shí)，在管道背水側(cè)將
出現(xiàn)渦旋泄放現(xiàn)象。如果渦旋泄放頻率與懸空管道
的自振頻率相同、相近或在某一特定范圍內(nèi)時(shí)，將導(dǎo)
致懸空管道橫向和順向的振動(dòng)，引起“鎖頻現(xiàn)象”。
余建星等 對(duì)“鎖頻現(xiàn)象”進(jìn)行了定義，即當(dāng)結(jié)構(gòu)的
固有頻率與渦旋泄放頻率接近時(shí)，管跨的振動(dòng)相應(yīng)
出現(xiàn)大振幅，其振幅足以控制渦旋泄放過(guò)程時(shí)發(fā)生
的管跨與流體之間這一復(fù)雜的相互作用過(guò)程。該現(xiàn)
象是河流底部懸跨管—二== 三=== ～
發(fā)管道發(fā)攀生 振動(dòng)的一水 —===／
xu琴等 研究了渦激振 水 一 ◎ l ，． ．
動(dòng)對(duì)管道的影響。圖3 圖3 管道渦流引起
壁管 道振蕩示意圖起的 鋤
。 ortex．induced 0n
2．2 疲勞破壞
管道懸跨段暴露于水流中，阻礙了水流的正常流
通，便產(chǎn)生了因繞流而施加于管道上的繞流阻力和繞
流升力：繞流阻力，其方向不變，大小呈周期性變化，
但變化范圍較小，可認(rèn)為是靜載；繞流升力，其方向及
大小均呈周期性變化，是典型的周期性交變荷載，是
引起管道疲勞破壞的主因。在繞流升力的反復(fù)作用
下，管道部件交變應(yīng)力有可能在尚未達(dá)到用于靜強(qiáng)度
設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力大小時(shí)就會(huì)在局部位置產(chǎn)生疲勞裂
紋，該裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展直至發(fā)生突然斷裂，將這種現(xiàn)
象稱為管體的疲勞破壞。因疲勞裂紋形成和擴(kuò)展具
有極大的隱蔽l生，加之疲勞斷裂時(shí)又具有明顯的瞬發(fā)
性，因此管體疲勞破壞往往會(huì)造成較嚴(yán)重的后果。
采用S·N(relation between the stress amplitude
and number of repetition)曲線(應(yīng)力一壽命曲線)來(lái)
表示載荷與疲勞失效的關(guān)系：一般情況下，金屬構(gòu)件
所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅值or 越小，到發(fā)生疲勞
破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就越長(zhǎng)。圖4所示的
管材S-N曲線縱坐標(biāo)表示管材承受的交變應(yīng)力；橫
坐標(biāo)表示管材在某一應(yīng)力幅水平下發(fā)生疲勞破壞所
經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
可以這樣認(rèn)為，在給定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下，管材
的應(yīng)力幅值一旦超過(guò)
該循環(huán)次數(shù)所對(duì)應(yīng)的
交變荷載值，那么就意 2．0
味著該管材的疲勞破
壞。 。·
2．3 屈服破壞
懸空管道所受載
荷主要包括管道自重、
輸送油氣重量、內(nèi)輸油
氣壓力、防腐保溫層及
周循環(huán)次數(shù)／l0 次
圖4 本文模擬用管材的S-N
曲線(應(yīng)力一壽命曲線)
Fig．4 S-N curve of pipeline
used in numerical simulation
其附件重量、繞流阻力等靜載作用以及繞流升力等動(dòng)
載作用。管道懸跨段既有可能因繞流作用發(fā)生振動(dòng)
破壞和疲勞破壞，也有可能在發(fā)生振動(dòng)破壞和疲勞破
壞前有效應(yīng)力 已經(jīng)超過(guò)管道的許用應(yīng)力[or。]，也
就是說(shuō)此時(shí)管道發(fā)生了屈服破壞。
可以利用薄壁壓力管道應(yīng)力分析及第四強(qiáng)度校
核理論，對(duì)穿越河流輸油氣管道懸跨段進(jìn)行安全分
析。
3 懸跨安全長(zhǎng)度判定
懸跨管道在各種靜載和動(dòng)載的作用下可能發(fā)生
振動(dòng)破壞、疲勞破壞以及屈服破壞，圖5展示的是管
道模型受載示意圖。
水流方向
繞流阻力
水流方向
If f f．
浮力
^ 繞
』流
I升
力
l自重
圖5 管道模型受載示意圖
Fig．5 Schematic diagram of pipeline being loaded
3．1 判定條件
為滿足懸跨管道不發(fā)生共振破壞、疲勞破壞和
屈服破壞的要求，特提出以下懸跨管道安全長(zhǎng)度判
定條件。
3．1．1 條件l— — 頻率條件
懸跨管道不因繞流作用而發(fā)生共振。據(jù)此提出
懸跨管道振動(dòng)臨界長(zhǎng)度。當(dāng)懸跨管道的激振頻率
與其自振頻率廠D滿足關(guān)系式(1)時(shí)，我們認(rèn)為可以有
效避免懸跨管道發(fā)生共振現(xiàn)象，即
≥ 。 (1)
式中 為管道的自振頻率(Hz)； 管道的激振頻
率(I-Iz)；n為關(guān)系常數(shù)。
一般認(rèn)為n值在[0．7 1．3]區(qū)間內(nèi)時(shí)“鎖頻現(xiàn)
88 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào) 2014年
象”才有可能發(fā)生。
可利用有限元模擬方法或理論計(jì)算 方法對(duì)
懸跨管道的自振頻率進(jìn)行模擬計(jì)算；利用專業(yè)流體
分析軟件FLUENT對(duì)懸跨管道繞流現(xiàn)象進(jìn)行模擬，
得到管道的激振頻率。
根據(jù)該條件易得到懸跨管道的振動(dòng)臨界長(zhǎng)度
，】。
3．1．2 條件2—— 疲勞條件
管道在交變荷載作用12 h內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞
(根據(jù)油氣管道維搶修經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為管道在發(fā)生洪
水險(xiǎn)情時(shí)需12 h內(nèi)對(duì)管道采取必要風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，
防止管體損傷繼續(xù)增大，因此在條件2的判斷中選擇
管道在水流沖刷下不發(fā)生破壞的最大作用時(shí)間為
12 h)。據(jù)此提出懸跨管道疲勞臨界長(zhǎng)度。首先利用
式(2)確定管道發(fā)生疲勞破壞的容許循環(huán)次數(shù)[N]：
[Ⅳ]： ×43 200fo 。(2)
式中： 為管道的激振頻率，即繞流升力作用頻率
(Hz)；[Ⅳ]為管道發(fā)生疲勞破壞的容許循環(huán)次數(shù)。
利用ANSYS Workbench中疲勞分析工具Fa—
tigue Tool對(duì)管道疲勞破壞進(jìn)行模擬分析，采用圖4
所示的管材s．N曲線。
根據(jù)該條件易得到懸跨管道的疲勞臨界長(zhǎng)度
。r2 o
3．1．3 條件3——屈服條件
管道在靜載作用下滿足Mises屈服條件(第四
強(qiáng)度理論)，即
or。=( +or 一ore )丁<[or ] ， (3)
式中：[or ]為管道的許用應(yīng)力；or 為管道的有效應(yīng)
力；or。為管道的環(huán)向應(yīng)力；or 為管道的縱向應(yīng)力。
根據(jù)該條件易得到懸跨管道的屈服臨界長(zhǎng)度
。r3。
3．2 懸跨安全長(zhǎng)度
因管道的疲勞破壞和屈服破壞均是由荷載引起
的，可將條件2與條件3統(tǒng)稱為荷載條件，只有同時(shí)
滿足該2個(gè)條件時(shí)才可得到管道荷載臨界長(zhǎng)度；將
條件1單獨(dú)列為頻率條件，滿足該條件可得到管道
振動(dòng)臨界長(zhǎng)度。振動(dòng)臨界長(zhǎng)度與荷載臨界長(zhǎng)度的較
小值即為管道的懸跨安全長(zhǎng)度。見(jiàn)圖6所示。
為確保管道不因懸跨現(xiàn)象而發(fā)生損壞或失效，
懸跨管道既要滿足不因管后渦旋泄放而發(fā)生共振破
壞(條件1)又要滿足不因繞流作用而發(fā)生疲勞破壞
(條件2)或因靜載作用而發(fā)生屈服破壞(條件3)，
即懸跨安全長(zhǎng)度必須同時(shí)滿足上述3個(gè)條件，見(jiàn)式
(4)、式(5)。
懸跨安全長(zhǎng)度={振動(dòng)臨界長(zhǎng)度，荷載臨界長(zhǎng)度} (4)
荷載臨界長(zhǎng)度={疲勞臨界長(zhǎng)度，屈服臨界長(zhǎng)度}?。(5)
頻率條件r(條件1)管道不發(fā)生振動(dòng)破壞 振動(dòng)臨界長(zhǎng)度]
r(條件2)管道不發(fā)生疲勞破壞、I I} 懸跨安全長(zhǎng)度
荷載條件1 }荷載臨界長(zhǎng)度J
(條件3)管道不發(fā)生屈服破壞l
圖6 管道懸跨安全長(zhǎng)度判定條件
Fig．6 Judgment criteria of the safety length of span
4 實(shí)例應(yīng)用
論文以蘭鄭長(zhǎng)輸油管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查 為背
景，對(duì)深水河穿越(穿越長(zhǎng)度160 in)懸跨安全長(zhǎng)度
進(jìn)行模擬計(jì)算。
4．1 參數(shù)選取
本文數(shù)值計(jì)算及模擬中所采用管道材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)
壓力薄壁鋼管。
(1)管材：X65型鋼，材質(zhì)為L(zhǎng)450MB。
(2)管道尺寸：內(nèi)徑610 mm，壁厚7．9 mm。
(3)管道內(nèi)壓：8．0 MPa。
(4)環(huán)境：假設(shè)水流為均質(zhì)穩(wěn)恒流，流速區(qū)間為
0．1～2．0 m／s；水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)為1．003×10
1TI ／s；雷諾數(shù) 區(qū)間為6．08 x 10 ～1．22×10 ；繞
流阻力cD系數(shù)，當(dāng)Re>6×10 時(shí)，CD=0．36，Re<
6×10 時(shí)，Cn：1．2 。
4．2 模擬計(jì)算結(jié)果
4．2．1 頻率條件
通過(guò)對(duì)懸跨管道自振頻率和激振頻率模擬與計(jì)
算，容易得到懸跨管道的自振頻率、激振頻率以及振
動(dòng)臨界長(zhǎng)度，結(jié)果分別如圖7、圖8、圖9所示。
N
10．0
罨
槲
1 0
舡
留
0．1
管道懸跨長(zhǎng)度，m
10 15 20 25 3O 35 40 45 50 55 60
＼
＼
一
一
～
～
～
＼
— ’ -、--
～
圖7 不同懸跨長(zhǎng)度下管道自振頻率曲線
Fig．7 Curve of natural vibration frequency of
pipeline with diferent span lengths
4．2．2 荷載條件
對(duì)懸跨管道疲勞臨界長(zhǎng)度和屈服臨界長(zhǎng)度進(jìn)行
對(duì)比，取其臨界長(zhǎng)度最小值作為滿足荷載條件的荷
載臨界長(zhǎng)度(圖10，式(5))。
第2期 李亮亮等 穿越河流管道懸跨安全長(zhǎng)度判定 89
乓
呔
磐
督
2
．0
8
6
．4
2
．0
0
水流流速／(m’S )
圖8 不同水流繞流下懸跨管道激振頻率曲線
Fig．8 Curve of vortex-induced vibration of
pipeline at diferent flow velocities
圖9 不同水流繞流下懸跨管道振動(dòng)臨界長(zhǎng)度
Fig．9 Curve of critical length of pipeline vibration
at diferent flow velocities
圖10 懸跨管道的荷載臨界長(zhǎng)度曲線
Fig．1 0 Curves of critical lengths of
loaded suspended span
4．2．3 懸跨安全長(zhǎng)度
下面將對(duì)頻率條件和荷載條件進(jìn)行對(duì)比，以確
定滿足管道設(shè)計(jì)要求的懸跨安全長(zhǎng)度。要使管道不
因懸跨現(xiàn)象而發(fā)生損壞或失效，懸跨段管道不但要
滿足不因管后渦旋泄放而發(fā)生共振破壞，而且必須
滿足不因水流繞流作用而發(fā)生疲勞失效或因靜力作
用而發(fā)生屈服破壞(圖11，式(4))。
水流流速／(m·S。)
圖11 懸跨管道的懸跨安全長(zhǎng)度
Fig．11 Safety length of suspended span
由公式(4)可知，懸跨安全長(zhǎng)度就是振動(dòng)臨界
長(zhǎng)度和荷載臨界長(zhǎng)度兩者之間的較小值。通過(guò)
圖11所示的曲線容易觀察到：當(dāng)水流流速為0．1—
0．4 m／s時(shí)，荷載臨界長(zhǎng)度小于振動(dòng)臨界長(zhǎng)度，因此
此時(shí)荷載作用(決定荷載臨界長(zhǎng)度)是管道懸跨安
全長(zhǎng)度的控制因素；當(dāng)流速位于0．5—1．6 m／s時(shí)，
振動(dòng)臨界長(zhǎng)度卻又小于荷載臨界長(zhǎng)度，故渦旋的泄
放(決定振動(dòng)臨界長(zhǎng)度)又成為管道懸跨安全長(zhǎng)度
的控制因素；但當(dāng)水流流速繼續(xù)增大，荷載作用對(duì)管
道的影響又一次超過(guò)了渦旋泄放，成為了控制管道
懸跨安全長(zhǎng)度的控制因素。
5 結(jié) 論
立足管道懸跨損毀機(jī)理研究，以懸跨管道不發(fā)
生振動(dòng)破壞、疲勞破壞和屈服破壞為準(zhǔn)則，判定其懸
跨安全長(zhǎng)度，并得出以下結(jié)論：
(1)懸跨一旦產(chǎn)生，容易造成管道的振動(dòng)、疲勞
或屈服破壞。
(2)運(yùn)用理論分析及數(shù)值模擬的方法對(duì)油氣管
道穿越河流的懸跨現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出懸跨管道
安全的判定條件：懸跨管道不因管后渦旋泄放發(fā)生
共振破壞、不因繞流作用發(fā)生疲勞破壞、不因靜載作
用發(fā)生屈服破壞，同時(shí)滿足該3個(gè)條件的管跨長(zhǎng)度
即為管道懸跨安全長(zhǎng)度。
(3)水下輸流管道的動(dòng)力特性受到內(nèi)外流一管
道耦合作用，在懸跨分析中，并未綜合考慮泥沙影
響、管道軸力、溫差變化、原有缺陷等諸多因素的影
響，需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)探討。
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Determining the Safety Length of Suspended Span of
River·Crossing Pipelines
(編輯：劉運(yùn)飛)
LI Liang—liang ，ZHU Jie ，HAN Bing。
(1．PetroChina Pipeline R&amp;amp;D Center，Langfang 065000，China；2．The Second Management of Pipeline Project，
PetroChina Pipeline Company，Langfang 065000，China；3．China Coal Geology Engineering Corporation，
Beijing 1 00073，China)
Abstract：Suspended span of river—crossing pipeline for oil and gas transmission is defined as the pipe segment
which does not contact with the riverbed．To determine the judgment criteria of suspended span’s safety length，the
causes of suspended span damage are expounded．The damage mechanism are analyzed in terms of vibration，fa—
tigue，and yield．The flow analysis，vibration analysis，static structural analysis and fatigue analysis for suspended
pipeline are carried out by means of relevant analysis tools．On the basis of the above analysis，the critical lengths
of suspended span in vibration，fatigue and yield conditions are obtained，and the judgment criteria for the safety
length of suspended span is proposed．Some calculation examples are provided for reference for the construction and
protection of river—crossing pipelines．
Key words：oil and gas pipelines；suspended span；water flow impact；safety length
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(上接第85頁(yè))
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Dynamic M onitoring and Analysis on Discharge—induced Vibration of
the Bottom Outlet Gate of Three Gorges Project
ZHANG Xiao-ping，WU Jie-fang，ZHANG Lin-rang，ZHAN Xue-jun，PENG Ding
(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，
Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)
Abstract：The prototype dynamic safety monitoring data of the bottom outlet gate of three gorges project(TGP)is
analyzed．The monitoring data include gate’s dynamic property and vibrating acceleration，dynamic displacement，
dynamic and static stress，fluctuating pressure，and hoisting capacity under designed water leve1．The prototype
monitoring results show that the natural frequencies of the gate are approximate to the test results of hydroelastic
model，and the modal shapes of the gate are the same with those in the hydroelastic mode1．When the gate is in opening
or closing condition with small angles，the fluctuating pressure on the bottom of the gate’s downstream face
is bigger，and the acceleration at the bottom of the gate is larger，but the corresponding dynamic displacement and
dynamic stress are very smal1．Moreover，the vibration of gate leaf and support arms under small-opening condition
is larger than that under large-opening condition，but with no harm ful vibration in the whole process．In conclusion．
the flow．induced vibration of the gate is safe．
Key words：Three Gorges Project；bottom outlet gate；dynamic monitoring；vibration analysis

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