嚴(yán)根華（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029；2.水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210029）

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大壩泄水閘門(mén)結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)監(jiān)測(cè)及強(qiáng)烈振動(dòng)控制技術(shù)研究

嚴(yán)根華1，2
（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029；2.水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210029）

大壩泄水建筑物閘門(mén)、啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)的運(yùn)行事故頻發(fā)，集中表現(xiàn)在閘門(mén)老化、腐蝕等結(jié)構(gòu)靜態(tài)損傷，但更為嚴(yán)重的是閘門(mén)結(jié)構(gòu)因動(dòng)水荷載作用產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)而破壞，其后果也比較嚴(yán)重。工程上，閘門(mén)的流激振動(dòng)問(wèn)題廣泛存在，表現(xiàn)形式多種多樣，工程危害很大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)閘門(mén)流激振動(dòng)參數(shù)檢測(cè)，可以取得閘門(mén)振動(dòng)量級(jí)，評(píng)估閘門(mén)運(yùn)行的安全性，尋找產(chǎn)生振動(dòng)的原因，進(jìn)而提出控制和消除強(qiáng)烈振動(dòng)的措施，確保閘門(mén)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。

閘門(mén)；流激振動(dòng)監(jiān)測(cè)；強(qiáng)烈振動(dòng)控制

0　前言

隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)的快速發(fā)展，閘門(mén)結(jié)構(gòu)的孔口尺寸、工作水頭、泄流量等均不斷提高，閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)問(wèn)題愈加突出。工程上集中表現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)變形偏大，局部動(dòng)態(tài)應(yīng)力超標(biāo)；閘門(mén)水封漏水嚴(yán)重，自激振動(dòng)問(wèn)題突出；部分閘門(mén)結(jié)構(gòu)因水動(dòng)力荷載作用復(fù)雜，閘下出現(xiàn)明滿流過(guò)渡流態(tài)或臨門(mén)水躍作用，閘門(mén)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象；有的閘門(mén)或船閘閥門(mén)因門(mén)后廊道出現(xiàn)強(qiáng)空化空蝕作用荷載，引發(fā)閘閥門(mén)的強(qiáng)烈沖擊性振動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。通過(guò)對(duì)不同工程泄水建筑物的流激振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，獲取閘門(mén)結(jié)構(gòu)及鄰近結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量，分析產(chǎn)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)的原因，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，提出控制或消除閘門(mén)強(qiáng)烈振動(dòng)的措施，確保工程安全。

1　閘門(mén)自激振動(dòng)監(jiān)測(cè)及其防治措施

閘門(mén)自激振動(dòng)在國(guó)內(nèi)外水電工程中均有出現(xiàn)，并出現(xiàn)不同程度的問(wèn)題。我國(guó)早期的皎口水庫(kù)泄水底孔弧形工作閘門(mén)就因水封自激振動(dòng)而引發(fā)閘門(mén)的強(qiáng)烈振動(dòng)，閘門(mén)支臂因動(dòng)力失穩(wěn)而破壞；四川攀枝花米易灣灘水電站泄洪閘工作閘門(mén)也因頂水封的漏水產(chǎn)生自激振動(dòng)，引起閘門(mén)的強(qiáng)烈振動(dòng)；安徽蒙城船閘上閘首弧形閘門(mén)底水封也因發(fā)生自激振動(dòng)而引發(fā)閘門(mén)的強(qiáng)烈振動(dòng)；某大型水閘平面工作閘門(mén)頂水封亦發(fā)生水封漏水而引發(fā)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)，其振動(dòng)量使水閘上部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重危害水閘結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。

1.1閘門(mén)自激振動(dòng)典型案例

1.1.1皎口水庫(kù)底孔弧形工作閘門(mén)的振動(dòng)問(wèn)題

深孔閘門(mén)的小開(kāi)度振動(dòng)是水利工程界泄水建筑物廣泛存在的問(wèn)題。比較典型的工程有皎口水庫(kù)底孔弧形工作閘門(mén)的泄流振動(dòng)破壞。該底孔（見(jiàn)圖1）在水庫(kù)建成運(yùn)行后，同時(shí)出現(xiàn)空蝕及閘門(mén)振動(dòng)問(wèn)題。空蝕的原因主要由于進(jìn)口事故閘門(mén)門(mén)井進(jìn)水導(dǎo)致出現(xiàn)交匯水流，引起孔頂產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。小開(kāi)度閘門(mén)振動(dòng)主要由于門(mén)頂止水部件漏水和下泄水流不穩(wěn)定。

圖1　底孔剖面圖Fig.1 Profile of bottom outlet

在工作閘門(mén)啟門(mén)或閉門(mén)過(guò)程中，當(dāng)弧形門(mén)啟或閉至頂止水，與胸墻存在一定離合間隙時(shí)（此時(shí)相對(duì)開(kāi)度n=0.085）出現(xiàn)炮擊式轟鳴，閘門(mén)支臂、面板及啟閉桿等部位均出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)響應(yīng)，底孔各部位的動(dòng)水壓力也出現(xiàn)壓力波動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)力、水流脈動(dòng)壓力等參數(shù)表現(xiàn)出明顯的周期性振動(dòng)特征?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果顯示，門(mén)前泄水道周?chē)吔绲拿}動(dòng)壓力的主頻較低，一般在20 Hz范圍以?xún)?nèi)（圖3），臨近胸墻和水封部位的脈動(dòng)壓力頻率較高，隨閘門(mén)頂止水與胸墻間隙的變化在45～140 Hz范圍內(nèi)變化，閘門(mén)的動(dòng)應(yīng)力頻率具有類(lèi)似特點(diǎn)。閘門(mén)面板和支臂的最大動(dòng)應(yīng)力為5.5 MPa，接近頂止水部位測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力約0.125 MPa，閘門(mén)整體自振頻率約35 Hz。

圖2　閘門(mén)止水原設(shè)計(jì)布置Fig.2 Original design of gate seal

經(jīng)分析，這種閘門(mén)小開(kāi)度周期性振動(dòng)的原因是頂部漏水形成能量輸入和反饋系統(tǒng)，導(dǎo)致產(chǎn)生閘門(mén)的自激振動(dòng)，同時(shí)閘門(mén)的振動(dòng)又以作用力的形式施加于上游水體，引起水流壓力的脈動(dòng)。如果不改變此種狀況，其振動(dòng)不會(huì)自行停止。

圖3　水流脈動(dòng)壓力能譜Fig.3 Energy spectra of pressure fluctuations

除小開(kāi)度振動(dòng)外，該閘門(mén)在大開(kāi)度時(shí)也出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，這種大開(kāi)度強(qiáng)烈振動(dòng)亦與胸墻止水密切相關(guān)。當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟至相對(duì)開(kāi)度n=0.8～0.96時(shí)，閘門(mén)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，并伴有巨大的轟轟聲，閘門(mén)的振動(dòng)依然表現(xiàn)為周期性特征。觀測(cè)結(jié)果顯示，閘門(mén)最大動(dòng)應(yīng)力達(dá)到35.0 MPa，雙倍振幅達(dá)70.0 MPa。閘門(mén)整體自振頻率為50 Hz，流激振動(dòng)響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)頻率約33 Hz。與小開(kāi)度振動(dòng)相比，大開(kāi)度振動(dòng)的頻率比小開(kāi)度時(shí)要低得多，其主要原因仍然是胸墻止水漏水引起的自激振動(dòng)。

1.1.2米易灣灘水電站泄洪閘振動(dòng)特征

米易灣灘水電站泄洪閘是一個(gè)低水頭潛孔閘門(mén)，位于大壩右側(cè)，閘門(mén)采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉操作。電站建成后三孔泄洪閘門(mén)均出現(xiàn)不同程度的水封漏水和強(qiáng)烈的閘門(mén)振動(dòng)現(xiàn)象。雖經(jīng)多次改造（包括水封改造、門(mén)頂增設(shè)橫梁等），但泄洪閘工作閘門(mén)的振動(dòng)現(xiàn)象無(wú)法解決，仍然有很大的振動(dòng)量。水封自激振動(dòng)引起的水面駐波和振動(dòng)水珠簾高達(dá)1 m以上。這種振動(dòng)使閘門(mén)結(jié)構(gòu)的安全受到嚴(yán)重威脅。

三孔泄洪閘的頂水封為P形，側(cè)水封為方形，底水封為刀型。閘門(mén)因頂水封漏水出現(xiàn)不同程度的自激振動(dòng)，止水拉裂也相當(dāng)嚴(yán)重。其中1號(hào)孔振動(dòng)最為嚴(yán)重，2號(hào)孔次之。在100 m以上范圍都能聽(tīng)見(jiàn)振動(dòng)引起的噪聲，噪聲量級(jí)約在70分貝以上，屬于高頻振動(dòng)。

圖4　閘門(mén)啟閉桿的振動(dòng)能譜Fig.4 Vibrational energy spectra of gate hoist bar

圖5　支臂切向振動(dòng)能譜Fig.5 Energy spectra of tangential vibration of arm

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，閘門(mén)門(mén)頂出現(xiàn)較大的撓度變形，最大變形量約25 mm（見(jiàn)圖6），水封最大預(yù)壓量調(diào)到28 mm時(shí)漏水問(wèn)題基本解決，但閘門(mén)仍存在振動(dòng)，個(gè)別閘門(mén)振動(dòng)量反而加劇。閘門(mén)振動(dòng)出現(xiàn)的駐波高度1 m以上。

1.1.3蒙城船閘上閘首弧形閘門(mén)自激振動(dòng)

蒙城船閘位于安徽亳州地區(qū)，該船閘建于20世紀(jì)70年代，上閘首采用下沉式弧形閘門(mén)，下閘首采用人字型閘門(mén)。投運(yùn)以來(lái)經(jīng)常發(fā)生閘門(mén)振動(dòng)，為此該工程于2007年進(jìn)行除險(xiǎn)加固改造，閘門(mén)結(jié)構(gòu)重新改造設(shè)計(jì)，并于2008年重新投入運(yùn)行，結(jié)果在閘門(mén)部分開(kāi)度和接近全關(guān)位時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的閘門(mén)自激振動(dòng)。閘門(mén)振動(dòng)激起的門(mén)前水面駐波高達(dá)0.5 m以上。其振源存在兩個(gè)方面，一是水封本身出現(xiàn)自激振動(dòng)，二是閘門(mén)下部出流產(chǎn)生旋滾沖擊作用力引起強(qiáng)烈振動(dòng)。晚間閘門(mén)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)嚴(yán)重干擾附近居民的正常生活，其強(qiáng)度類(lèi)似中度地震。

圖6　閘門(mén)變形示意圖Fig.6 Deformation of the gate

1.1.4水閘頂水封自激振動(dòng)

某工程水閘平面閘門(mén)因頂水封出現(xiàn)漏水而引起自激振動(dòng)（見(jiàn)圖7）。這種自激振動(dòng)出現(xiàn)在閘門(mén)寬度方向中的某一處或某幾處位置。最大自激振動(dòng)寬度約1.5 m，隨閘門(mén)開(kāi)度不同振動(dòng)量也有所不同。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是閘門(mén)制作加工時(shí)平面度不滿足要求，水封局部與頂壓板接觸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，部分接觸時(shí)出現(xiàn)漏水甚至引發(fā)自激振動(dòng)問(wèn)題。這種水封的自激振動(dòng)具有局部性，振動(dòng)頻率也相對(duì)較高。

圖7　閘門(mén)頂水封漏水情況及部分自激振動(dòng)區(qū)Fig.7 Leaky water-seal at the top of gate and some self-induced vibration areas

檢測(cè)結(jié)果顯示：（1）三扇閘門(mén)頂止水壓板的平面度（最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，下同）為4.3～7.2 mm；（2）第1道（上面一道）頂止水橡皮的平面度為10.5～35.8 mm；（3）閘門(mén)面板的平面度（含邊梁）在8.6～13.9 mm范圍內(nèi)變化。由此可見(jiàn)，閘門(mén)的頂壓板平面度、頂水封平面度以及閘門(mén)面板的平面度均存在不同程度的問(wèn)題，導(dǎo)致閘門(mén)沿門(mén)寬度方向出現(xiàn)自激振動(dòng)問(wèn)題。因此，要實(shí)現(xiàn)第1道頂止水橡皮在閘門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下的止水要求，需調(diào)整該橡皮在高程方向上與閘門(mén)頂止水壓板的配合關(guān)系，并避免面板摩擦干涉引起止水橡皮變形。

顯然，閘門(mén)的制作安裝存在問(wèn)題，平整度不滿足要求，水封會(huì)沿著門(mén)體寬度方向預(yù)壓不均勻，產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件。

在閘門(mén)全關(guān)或微小小開(kāi)度狀態(tài)，部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)單頻振動(dòng)（頻率在20～25 Hz之間），部分測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)具有多頻段隨機(jī)振動(dòng)特征，而且振動(dòng)頻率一般在10 Hz以上。說(shuō)明閘門(mén)產(chǎn)生自激振動(dòng)時(shí)的能量分布不是一個(gè)單頻，而是具有多個(gè)頻段的復(fù)雜振動(dòng)，亦即激發(fā)了多個(gè)頻率的振型。圖8為閘門(mén)小開(kāi)度50 mm振動(dòng)的能譜密度。

圖8　閘門(mén)開(kāi)度50 mm振動(dòng)譜密度Fig.8 Vibration spectrum density with 50 mm gate opening

1.2閘門(mén)自激振動(dòng)的防治措施

閘門(mén)水封自激振動(dòng)的原因是多方面的，防治措施也應(yīng)根據(jù)問(wèn)題出現(xiàn)的原因進(jìn)行處理。一般可歸納為如下幾個(gè)方面。

1.2.1由于剛度不足引發(fā)的自激振動(dòng)

對(duì)于低水頭、大跨度、大尺寸閘門(mén)結(jié)構(gòu)而言，因頂水封部位剛度不足導(dǎo)致的水封在高壓水作用下產(chǎn)生局部水封漏水并誘發(fā)的自激振動(dòng)現(xiàn)象，一般可以通過(guò)增加結(jié)構(gòu)剛度與調(diào)整水封結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自激振動(dòng)的控制。

1.2.2因水封形式不當(dāng)引發(fā)的自激振動(dòng)問(wèn)題

對(duì)于水封體型設(shè)計(jì)不當(dāng)而引起的水封自激振動(dòng)問(wèn)題則需要通過(guò)改變水封布置形式來(lái)處理。對(duì)于頂水封，一般采用2道水封，在閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中需要確保這2道水封的作用，并且避免因局部出現(xiàn)漏水而誘發(fā)強(qiáng)烈自激振動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)例1中原設(shè)計(jì)閘門(mén)第2道頂水封布置不當(dāng)，使該閘門(mén)在相對(duì)開(kāi)度no=0.085和大開(kāi)度n=0.8～0.96開(kāi)度情況下均出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng)。其原因主要由于第2道止水翻卷，局部產(chǎn)生漏水形成強(qiáng)烈自激振動(dòng)。振動(dòng)的嚴(yán)重后果使閘門(mén)支臂動(dòng)力失穩(wěn)后失事。水封自激振動(dòng)的頻率激發(fā)了閘門(mén)支臂的一階和二階橫向振動(dòng)固有頻率，出現(xiàn)支臂共振和參數(shù)共振。

修改方案采用了如下幾個(gè)方面：（1）保留原來(lái)的2道水封，調(diào)整第2道水封體型和尺寸；（2）在改建的頂坎上增設(shè)第3道水封；（3）進(jìn)行閘門(mén)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)共振和支臂的參數(shù)振動(dòng)；（4）加大工作門(mén)上游頂壓坡比改善來(lái)流水動(dòng)力條件，消除空化源。經(jīng)多年運(yùn)行，證明上述修改措施是有效的，目前該閘門(mén)運(yùn)行安全平穩(wěn)。

1.2.3因水封構(gòu)造不當(dāng)產(chǎn)生的自激振動(dòng)問(wèn)題

水封構(gòu)造形式不當(dāng)引起的閘門(mén)自激振動(dòng)在工程上也經(jīng)常出現(xiàn)。比如蒙城船閘上閘首水封漏水引起的自激振動(dòng)是比較典型的實(shí)例。

該閘門(mén)具有如下幾方面特點(diǎn)：（1）上閘首閘門(mén)采用下沉式弧形閘門(mén)，門(mén)后流態(tài)復(fù)雜多變，閘門(mén)經(jīng)歷臨門(mén)水躍、臨界淹沒(méi)水躍等水動(dòng)力作用，容易誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)，一般在現(xiàn)代船閘中不采用類(lèi)似門(mén)型。（2）閘門(mén)底水封設(shè)置在面板底緣上方，采用山形止水，變形區(qū)可能局部符合水封漏水后形成自激振動(dòng)的條件。（3）閘下經(jīng)常出現(xiàn)臨界出流流態(tài)，底緣下方旋滾容易生成較大脈動(dòng)壓力荷載。當(dāng)閘門(mén)下游水位淹沒(méi)下游底主梁時(shí)，淹沒(méi)水躍對(duì)閘門(mén)底主梁產(chǎn)生了向上的頂托水動(dòng)力作用，底橫梁開(kāi)孔處出現(xiàn)向上噴水現(xiàn)象，由此造成了強(qiáng)烈振動(dòng)。

閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)兩種不同的振動(dòng)形態(tài)：閘門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)和開(kāi)啟過(guò)程中的振動(dòng)。不同狀態(tài)的振動(dòng)來(lái)源于不同的振源。閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程的振動(dòng)源主要來(lái)自以下兩部分激勵(lì)力作用：（1）閘門(mén)后臨門(mén)水躍或臨界淹沒(méi)水躍形成的脈動(dòng)荷載對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的沖擊作用；（2）小開(kāi)度閘下部不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)。閘門(mén)關(guān)閉擋水狀態(tài)下出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)的根本原因在于底水封漏水，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示，閘門(mén)底緣存在漏水現(xiàn)象，沿著門(mén)寬方向漏水量分布也不均勻，這種不均勻的漏水量是誘發(fā)閘門(mén)強(qiáng)烈振動(dòng)的基本條件。

閘門(mén)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造（包括質(zhì)量和剛度分布）所形成的結(jié)構(gòu)低階自振頻率振型在一定程度上會(huì)被水封漏水形成的動(dòng)荷載激發(fā)，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振。

從閘門(mén)振動(dòng)強(qiáng)度看，閘門(mén)全關(guān)擋水狀態(tài)下的振動(dòng)量很大，閘門(mén)門(mén)體上部最大位移約60 mm，呈大幅度擺動(dòng)狀態(tài)。不僅對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)本身造成很大危害，而且對(duì)船閘其他建筑物及其周邊居民住房安全均產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，必須采取措施予以解決。

引起閘門(mén)振動(dòng)的原因是多方面的，涉及水動(dòng)力荷載、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及流固耦合相互作用問(wèn)題，因此在采取永久措施前需要進(jìn)行閘門(mén)的水彈性振動(dòng)試驗(yàn)研究，搞清閘門(mén)漏水產(chǎn)生的水動(dòng)力荷載特性，分析研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，考查導(dǎo)流板傾角對(duì)下游閘室消能及閘門(mén)振動(dòng)的影響。同時(shí)修改水封結(jié)構(gòu)形式，避免形成水封自激振動(dòng)的條件。另外開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)，掌握第一手資料十分必要，可以為閘門(mén)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力修改提供必要的依據(jù)。

1.2.4閘門(mén)制造安裝質(zhì)量控制

眾多工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，閘門(mén)結(jié)構(gòu)（包括水封、門(mén)槽支承導(dǎo)軌等）以及胸墻結(jié)構(gòu)的制作質(zhì)量和精度將直接影響閘門(mén)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。特別對(duì)于大尺寸閘門(mén)結(jié)構(gòu)而言，其制造和安裝施工質(zhì)量應(yīng)有更高的要求，閘門(mén)面板的平整度、水封本身的平面度、胸墻的平面度等均需滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的控制標(biāo)準(zhǔn)和要求。同時(shí)力求做到沿門(mén)寬方向水封預(yù)壓量均勻，消除水封局部漏水形成自激振動(dòng)的條件。

閘門(mén)水封漏水造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈自激振動(dòng)是水利工程界的一種常見(jiàn)現(xiàn)象。這種自激振動(dòng)可以發(fā)生在平面閘門(mén)，也可能發(fā)生在弧形閘門(mén)上。通過(guò)典型工程分析，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）引發(fā)閘門(mén)止水自激振動(dòng)的原因是多方面的。常見(jiàn)的情況是閘門(mén)因剛度不足，局部出現(xiàn)水封漏水，引起水封自激振動(dòng)；閘門(mén)面板平整度沒(méi)有得到有效控制，部分區(qū)間水封壓縮超標(biāo)，部分區(qū)間出現(xiàn)水封漏水，形成水封自激振動(dòng)條件；閘門(mén)止水形式不當(dāng)，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)水封翻卷現(xiàn)象，部分區(qū)間漏水，引發(fā)水封自激振動(dòng)現(xiàn)象。

（2）控制閘門(mén)的自激振動(dòng)除優(yōu)化水封體型設(shè)計(jì)和考慮閘門(mén)結(jié)構(gòu)剛度滿足要求外，對(duì)弧形閘門(mén)尚需考慮支臂的動(dòng)力穩(wěn)定性和共振防治設(shè)計(jì)。

（3）為了防止水封自激振動(dòng)，除對(duì)水封形式、結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)外，還需要從水封材質(zhì)、閘門(mén)結(jié)構(gòu)制造和安裝精度等方面進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)和控制。

2　臨門(mén)水躍誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)及其防治措施

某工程是一座供水、灌溉結(jié)合發(fā)電，具有綜合效益的水利樞紐工程。該樞紐主要泄洪設(shè)施為16孔凈寬12 m的泄洪閘。原設(shè)計(jì)最小運(yùn)行開(kāi)度為3 m。近年來(lái)該地區(qū)嚴(yán)重干旱缺水，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求，可能出現(xiàn)最小泄量小于10 m3/s，迫切需要閘門(mén)作小開(kāi)度運(yùn)行。而目前的閘門(mén)最小容許開(kāi)度為3 m，下泄流量較大，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。運(yùn)行部門(mén)為了滿足下游小流量用水要求，提出水閘在小于3 m開(kāi)度范圍內(nèi)投入運(yùn)行，以充分利用水資源。

為了解決水閘開(kāi)度的設(shè)計(jì)限制與合理利用水資源之間的矛盾，決定開(kāi)展泄洪閘小開(kāi)度運(yùn)行閘門(mén)振動(dòng)原型觀測(cè)研究，以制定合理的閘門(mén)小開(kāi)度安全運(yùn)行操作規(guī)程。

2.1檢測(cè)內(nèi)容與方法

在分析論證閘門(mén)結(jié)構(gòu)受力和振動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，綜合考慮閘門(mén)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，分別在淺槽區(qū)6號(hào)門(mén)和深槽區(qū)12號(hào)門(mén)上關(guān)鍵部位布置了6個(gè)（每個(gè)3個(gè)方向，共計(jì)18個(gè)通道）振動(dòng)加速度傳感器，以拾取閘門(mén)關(guān)鍵部位的三向（順?biāo)飨?、切向及?cè)向）振動(dòng)量；振動(dòng)位移的測(cè)量采用雙積分放大器實(shí)現(xiàn)。此外在閘門(mén)面板主橫梁、主縱梁、支臂端部及褲衩等部位布置了48個(gè)應(yīng)變計(jì)。閘門(mén)結(jié)構(gòu)的測(cè)量采用電阻應(yīng)變測(cè)量方法。本次試驗(yàn)采用直接貼片的方式進(jìn)行。具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9所示。閘門(mén)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)5828型雙積分放大器與電荷放大器放大后，用專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理；閘門(mén)應(yīng)力應(yīng)變和水流脈動(dòng)壓力信號(hào)通過(guò)DH5937型應(yīng)變測(cè)量和分析系統(tǒng)濾波放大后進(jìn)行采集處理。測(cè)量分析流程見(jiàn)圖10所示。

2.2檢測(cè)結(jié)果及運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

（1）水流流態(tài)觀測(cè)顯示：當(dāng)閘門(mén)小開(kāi)度泄水時(shí)，上游庫(kù)水面平穩(wěn)；但在特定的下游水位和部分小開(kāi)度時(shí)閘門(mén)底部處于淹沒(méi)流狀態(tài)。臨門(mén)水躍拍擊門(mén)體，成為閘門(mén)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的振源。

（2）閘門(mén)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：閘門(mén)結(jié)構(gòu)支臂的一階振型仍為橫向彎曲振動(dòng)變形，相應(yīng)的頻率為13.8 Hz；徑向一階振動(dòng)頻率為18.5 Hz，其振型為門(mén)葉面板上部懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲變形，符合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征。二階振型為門(mén)葉上部的彎曲和中部的鼓脹變形。根據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征，支臂的切向振動(dòng)模態(tài)主要反映閘門(mén)支臂部件的切向變形振動(dòng)。沿弧形門(mén)的整體切向變形將與啟閉桿的剛度有關(guān)。

圖9　閘門(mén)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout of measuring points for gate vibration

圖10　測(cè)量分析系統(tǒng)流程Fig.10 Flow chart of measurement and analysis system

圖11　6號(hào)工作門(mén)振動(dòng)均方根值隨開(kāi)度變化過(guò)程（庫(kù)水位21.5 m）Fig.11 Relation between RMS of vibration of No.6 working gate and gate opening（21.5 m reservoir water level）

（3）閘門(mén)的應(yīng)力分布具有類(lèi)似特征。上主橫梁跨中翼緣拉應(yīng)力為60.6 MPa；上主橫梁跨中上方中隔板翼緣應(yīng)力處于受壓狀態(tài)，為-24.3 MPa。下主橫梁跨中翼緣應(yīng)力為65.8 MPa；下主橫梁跨中上方中隔板翼緣應(yīng)力系拉應(yīng)力，為34.6 MPa；右支臂與閘門(mén)上主橫梁相接處玄桿頂部應(yīng)力為-40.8 MPa，右側(cè)面（外側(cè)）應(yīng)力為-51.1 MPa，左側(cè)面（內(nèi)側(cè)）應(yīng)力為-75.7MPa；右支臂下玄桿的應(yīng)力較上支臂大，其中頂部應(yīng)力為-87.6MPa，右側(cè)面（外側(cè)）應(yīng)力為-56.2 MPa，左側(cè)面（內(nèi)側(cè)）應(yīng)力為-72.1 MPa；與閘門(mén)上主橫梁相接處的左支臂上玄桿頂部應(yīng)力為-55.3 MPa，右側(cè)面（內(nèi)側(cè)）應(yīng)力為-60.3 MPa；左支臂下玄桿的應(yīng)力較上支臂大，其中頂部應(yīng)力為-78.0 MPa，右側(cè)面應(yīng)力為-75.7 MPa，左側(cè)面應(yīng)力為-91.3 MPa。

圖12　閘門(mén)振動(dòng)功率譜密度（庫(kù)水位：22.0 m、閘門(mén)開(kāi)度：30 mm）Fig.12 Vibrational power spectrum density of the gate（22.0 m reservoir water level and 30 mm gate opening）

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：閘門(mén)關(guān)鍵部位的應(yīng)力均在100MPa以?xún)?nèi)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全運(yùn)行要求。

（4）閘門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：在閘門(mén)開(kāi)啟30～3 000 mm間的開(kāi)度范圍內(nèi)，閘門(mén)的振動(dòng)量亦表現(xiàn)出兩頭開(kāi)度振動(dòng)大、中間小的變化特征，而小開(kāi)度時(shí)的閘門(mén)振動(dòng)更為明顯。閘門(mén)的振動(dòng)量不僅與庫(kù)水位有關(guān)，與下游水位和閘門(mén)開(kāi)度也密切相關(guān)。這是閘門(mén)小開(kāi)度時(shí)，閘下水流出現(xiàn)淹沒(méi)水躍和臨門(mén)水躍，對(duì)門(mén)體產(chǎn)生拍擊作用的緣故。因此在庫(kù)水位較低的情況下，也會(huì)出現(xiàn)較大的振動(dòng)量，閘門(mén)振動(dòng)量隨庫(kù)水位的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

由觀測(cè)結(jié)果可以看出：閘門(mén)的振動(dòng)量以小開(kāi)度30 mm最大，50 mm略小，100 mm、200 mm最小。隨后振動(dòng)量隨開(kāi)度的增加逐漸回升。從振動(dòng)方向看，閘門(mén)振動(dòng)的切向振動(dòng)量最大，徑向次之，側(cè)向振動(dòng)量最小。相應(yīng)振動(dòng)均方根值分別為2.1 m/s2、1.19 m/s2及0.58 m/s2。較大的振動(dòng)量出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度為30 mm和1 500 mm時(shí)。從振動(dòng)量與開(kāi)度變化關(guān)系看，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟至3 000 mm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（5）閘門(mén)動(dòng)位移測(cè)試結(jié)果顯示，閘門(mén)體的振動(dòng)量以面板略大，支臂次之。面板振動(dòng)較大的部位位于門(mén)葉下部，這與閘門(mén)結(jié)構(gòu)的受力特征密切相關(guān)。閘門(mén)徑向最大振動(dòng)位移均方根值為1.14 mm，切向最大振動(dòng)位移量為1.4 mm，側(cè)向最大振動(dòng)位移均方根值為1.58 mm。閘門(mén)的較大振動(dòng)位移出現(xiàn)在開(kāi)啟高度100 mm以下，避開(kāi)這些開(kāi)度后振動(dòng)位移均方根值可控制在0.5 mm之內(nèi)。

（6）閘門(mén)的水動(dòng)力作用包括門(mén)體上游面水流脈動(dòng)壓力和小開(kāi)度門(mén)后旋滾兩部分作用力。上游面脈動(dòng)壓力主能量一般分布在0～10 Hz頻段，優(yōu)勢(shì)頻率在0～5 Hz之間；下游面底緣部位的旋滾作用屬于沖擊型荷載。前者僅當(dāng)閘門(mén)處于極小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，因下泄水流的不穩(wěn)定導(dǎo)致閘門(mén)在小開(kāi)度產(chǎn)生較大振動(dòng)；后者可激發(fā)閘門(mén)的低階振型，振動(dòng)響應(yīng)將更大，運(yùn)行時(shí)這種工況應(yīng)當(dāng)避免。

（7）閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)不大，各部位的動(dòng)應(yīng)力一般在2.0 MPa以?xún)?nèi)。但閉門(mén)過(guò)程的動(dòng)應(yīng)力相對(duì)較大，支臂最大動(dòng)應(yīng)力為16.0 MPa，位于支臂與面板相接部位；面板最大動(dòng)應(yīng)力為26.0 MPa，位于下主橫梁中部。這是由于閉門(mén)過(guò)程中產(chǎn)生水封與側(cè)軌摩擦和油缸不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)所致。

（8）通過(guò)對(duì)泄洪閘流激振動(dòng)原型觀測(cè)成果的綜合分析，提出閘門(mén)的泄洪調(diào)度和小開(kāi)度運(yùn)行應(yīng)遵循如下操作規(guī)程：

①根據(jù)對(duì)閘下水流流態(tài)、閘門(mén)動(dòng)力特性、流激振動(dòng)加速度、動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)的綜合分析，淺槽區(qū)閘門(mén)的較大振動(dòng)量出現(xiàn)在開(kāi)度為30 mm和50 mm時(shí)；較大的振動(dòng)位移出現(xiàn)在開(kāi)度1 500 mm以上。因此，小開(kāi)度閘門(mén)的運(yùn)行區(qū)域宜在e=100～500 mm，盡量避免在30～50 mm的極小開(kāi)度范圍內(nèi)運(yùn)行，并確保閘下出流始終保持處于明流狀態(tài)。

②深槽區(qū)閘門(mén)在小開(kāi)度時(shí)可能出現(xiàn)淹沒(méi)水躍和臨門(mén)水躍，會(huì)對(duì)門(mén)體產(chǎn)生拍擊作用，造成較強(qiáng)振動(dòng)。在試驗(yàn)下游水位條件下，較大振動(dòng)量出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)啟高度100 mm以下。若下游水位上漲，則強(qiáng)振區(qū)的閘門(mén)開(kāi)度還會(huì)增加，因此深槽區(qū)閘門(mén)的開(kāi)啟高度宜在200 mm以上，并隨下游水位的增加作相應(yīng)提高。

③閘門(mén)小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，尤其閘門(mén)開(kāi)度處于100mm附近時(shí)，需要注意液壓系統(tǒng)保壓和開(kāi)度控制問(wèn)題，確保閘門(mén)運(yùn)行開(kāi)度的穩(wěn)定性。

④本工程泄洪閘工作水頭雖然不是很高，但仍需密切關(guān)注閘門(mén)小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)底緣下方溢流面混凝土的蝕損情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3　空化空蝕引發(fā)的閘（閥）門(mén)強(qiáng)烈振動(dòng)與防治措施

除門(mén)后淹沒(méi)水躍作用外，空穴水流及門(mén)后氣囊運(yùn)行動(dòng)力作用對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的危害也很大。某工程泄洪底孔采用壓力短進(jìn)口形式，由于進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)不當(dāng)，產(chǎn)生空穴水流，這種巨大的空化潰滅作用力施加于門(mén)體造成閘門(mén)的強(qiáng)烈振動(dòng)，部分工況出現(xiàn)共振，引起閘門(mén)支臂動(dòng)力失穩(wěn)而破壞。通過(guò)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)，調(diào)整了進(jìn)口體型，消除了空穴流動(dòng)和閘門(mén)的強(qiáng)烈振動(dòng)。

此外，某大型船閘輸水閥門(mén)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)門(mén)楣空穴，在門(mén)后形成巨大的氣囊運(yùn)動(dòng)，這種低壓氣囊的振蕩和爆裂產(chǎn)生巨大的激振力作用于閘門(mén)，從而引起閥門(mén)結(jié)構(gòu)和壩體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)，實(shí)測(cè)最大振動(dòng)加速度達(dá)100 m/s2，閥門(mén)的振動(dòng)響應(yīng)為沖擊型波形曲線（見(jiàn)圖13）。

為有效消除這種振源，采用門(mén)楣通氣的辦法，消除了空化源，最終消除了門(mén)后負(fù)壓氣囊，控制了閘門(mén)的振動(dòng)。

圖13　壩體的振動(dòng)響應(yīng)為沖擊型波形曲線Fig.13 Vibration response of the dam with impact-type wave curve

4　巨型事故檢修門(mén)下閘蓄水時(shí)閘門(mén)強(qiáng)烈振動(dòng)監(jiān)控研究

深溪溝水電站位于四川省大渡河中游漢源縣與甘洛縣接壤處，為大渡河干流規(guī)劃中的第十八梯級(jí)電站，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，裝機(jī)4臺(tái)，總?cè)萘?60 MW，年發(fā)電量32.35億kW·h。

1號(hào)和2號(hào)泄洪洞平行布置，長(zhǎng)各為1 390.07 m 和1 543.54 m，二者體型尺寸基本相同，僅在長(zhǎng)度上略有差別。隧洞進(jìn)口段設(shè)事故閘門(mén)，孔口尺寸15.5m× 18.12 m（寬×高），其閘門(mén)為潛孔平面閘門(mén)，下游止水，動(dòng)水閉門(mén)，充水閥充水平壓后靜水啟門(mén)，采用2× 8 000 kN固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)操作。

為妥善解決瀑布溝水電站下閘斷流期下游臨時(shí)取水問(wèn)題，擬利用深溪溝圍堰蓄水向下游供水的方案，以滿足其正常的生產(chǎn)、生活用水需求。由于深溪溝水電站1號(hào)、2號(hào)泄洪（導(dǎo)流）洞事故門(mén)尺寸巨大，局部開(kāi)啟后向下游供水是一種超常規(guī)的運(yùn)行操作，尚無(wú)工程先例，系國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，國(guó)際上也無(wú)類(lèi)似大尺寸閘門(mén)局部開(kāi)啟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其安全性引起了工程界和行業(yè)的高度關(guān)注。因此為保障工程運(yùn)行安全、方便管理、發(fā)揮效益，擬通過(guò)對(duì)水工建筑物水力學(xué)和金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)原型觀測(cè)，取得閘門(mén)運(yùn)行的實(shí)際動(dòng)態(tài)資料，制定閘門(mén)合理運(yùn)行操作規(guī)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，分析原因并采取措施。通過(guò)系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)，為閘門(mén)的安全運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，積累經(jīng)驗(yàn)，制定更為合理的操作規(guī)程。

重點(diǎn)研究了閘門(mén)下門(mén)過(guò)程中閘門(mén)結(jié)構(gòu)及上部啟閉機(jī)支撐塔架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、空化噪聲、水流脈動(dòng)壓力等動(dòng)力參數(shù)，為大尺寸平面事故閘門(mén)局部開(kāi)啟運(yùn)行提供安全評(píng)估依據(jù)。

4.1原型觀測(cè)主要內(nèi)容

為了比較全面地取得建成后的閘門(mén)結(jié)構(gòu)運(yùn)行特性，對(duì)閘門(mén)的運(yùn)行期安全性態(tài)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，并為閘門(mén)的安全運(yùn)行制定合理操作規(guī)程，具體觀測(cè)內(nèi)容如下：

（1）在閘門(mén)上布置安裝加速度傳感器、位移傳感器及應(yīng)變計(jì)，測(cè)量閘門(mén)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期的流激振動(dòng)情況，取得閘門(mén)振動(dòng)的加速度、動(dòng)位移及其動(dòng)應(yīng)力、變形等物理參數(shù)，明確振動(dòng)類(lèi)型、性質(zhì)及其量級(jí)等，明確水動(dòng)力荷載作用下閘門(mén)的振動(dòng)程度及其危害性。

（2）在閘門(mén)的上、下游面板、底緣等部位安裝布置高精度脈動(dòng)壓力傳感器，測(cè)試閘門(mén)在不同水位、開(kāi)度條件下作用于門(mén)體的水流脈動(dòng)壓力荷載。獲取閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中典型部位的壓力脈動(dòng)量級(jí)，取得作用于閘門(mén)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的荷載信息。通過(guò)隨機(jī)數(shù)據(jù)處理，分析荷載量級(jí)及其譜特征，把握動(dòng)荷載高能區(qū)頻域能量分布狀況，為閘門(mén)振動(dòng)分析奠定基礎(chǔ)。

（3）在門(mén)槽段上布置空化噪聲傳感器、位移傳感器及應(yīng)變計(jì)，測(cè)量閘門(mén)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期門(mén)槽段的空化情況，明確空化性質(zhì)及其量級(jí)等。

（4）在閘門(mén)周邊建筑物上布置安裝位移傳感器，測(cè)量運(yùn)行期閘門(mén)結(jié)構(gòu)周邊建筑物的振動(dòng)情況，取得其振動(dòng)的動(dòng)位移參數(shù)，明確振動(dòng)類(lèi)型、性質(zhì)及其量級(jí)等。

（5）根據(jù)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性、水流動(dòng)水壓力、閉門(mén)和啟門(mén)過(guò)程中的流激振動(dòng)特性、空化噪聲等水力結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量資料和成果的綜合分析，對(duì)閘門(mén)在運(yùn)行期間的振動(dòng)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以評(píng)價(jià)閘門(mén)的制造和安裝質(zhì)量及其運(yùn)行的安全性，提出適宜的閘門(mén)安全運(yùn)行操作規(guī)程，確保工程長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

4.2測(cè)試成果及流激振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)

4.2.1閘門(mén)結(jié)構(gòu)水動(dòng)力荷載作用特征

當(dāng)閘門(mén)下閘過(guò)程和局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，下泄水流產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力荷載作用于閘門(mén)結(jié)構(gòu)，引起閘門(mén)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，因此水流脈動(dòng)壓力是引發(fā)閘門(mén)振動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ?。本次原型觀測(cè)主要測(cè)量了閘門(mén)近底緣部位的門(mén)體脈動(dòng)壓力。圖14給出了閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中的門(mén)前水位過(guò)程線，典型脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)量全過(guò)程變化時(shí)域過(guò)程線見(jiàn)圖15。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在閘門(mén)小開(kāi)度范圍（2.2 m、2.1 m、2.0 m、1.9 m、1.7 m、1.6 m、1.5 m）內(nèi)，門(mén)頂部的脈動(dòng)壓力均方根值最小，門(mén)底部的脈動(dòng)壓力均方根值相對(duì)較大，對(duì)應(yīng)狀態(tài)的時(shí)均壓力值較小，反映了閘下水流流速引起水流紊動(dòng)加劇的特點(diǎn)，實(shí)測(cè)最大脈動(dòng)壓力均方根值為11 kPa，若按3倍均方根值計(jì)算最大值，則最大脈動(dòng)壓力為33 kPa。此外脈動(dòng)壓力和時(shí)均壓力隨著水位的升高逐漸變大。閘門(mén)閉門(mén)階段，底部壓力表現(xiàn)出一定量級(jí)的負(fù)壓，反映了底部負(fù)壓的變化特性。從譜分析結(jié)果來(lái)看，水流脈動(dòng)壓力的主能量一般集中在10 Hz以?xún)?nèi)的低頻區(qū)。

4.2.2事故閘門(mén)的振動(dòng)加速度特征

閘門(mén)在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的典型振動(dòng)加速度數(shù)字特征見(jiàn)圖16（a），典型下門(mén)、啟門(mén)及局部開(kāi)啟泄流時(shí)閘門(mén)振動(dòng)加速度時(shí)域過(guò)程、時(shí)頻圖見(jiàn)圖16（b）。測(cè)試結(jié)果表明：在閘門(mén)啟閉機(jī)關(guān)閉或開(kāi)啟過(guò)程中，閘門(mén)出現(xiàn)較大振動(dòng)量，這與閘門(mén)由靜止到運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力加速度有關(guān)，也與閘門(mén)處于垂直升降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

在事故閘門(mén)局部開(kāi)啟泄流時(shí)，閘門(mén)振動(dòng)加速度隨上游水位升高而逐漸增加，這與水流動(dòng)能增加密切相關(guān)：水流對(duì)門(mén)體的動(dòng)力作用加大，也摻雜了水流對(duì)測(cè)量傳感器基座和外殼的不穩(wěn)定作用。門(mén)體下部振動(dòng)量較小，上部測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振動(dòng)量相對(duì)較大。閘門(mén)上部振動(dòng)增大的原因可能與以下幾方面因素有關(guān)：（1）門(mén)體上部受到水體翻滾作用；（2）門(mén)頂止水部位存在縫隙水流引起閘門(mén)振動(dòng)；（3）安裝于門(mén)頂?shù)牟糠謧鞲衅鞅旧硎艿剿鞯闹苯觿?dòng)力作用等。此外部分傳感器還受到現(xiàn)場(chǎng)電源等電磁干擾影響。因此門(mén)頂部位的振動(dòng)量并不能完全代表閘門(mén)的振動(dòng)情況。

圖14　上游水位隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.14 Relation between upstream level and the time

圖15　典型測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力全過(guò)程變化時(shí)域過(guò)程線Fig.15 Process line of fluctuating pressure of typical measuring point

在閘門(mén)局部開(kāi)啟泄流情況下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)未出現(xiàn)大幅變化的不穩(wěn)定現(xiàn)象，表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，其響應(yīng)量級(jí)與水流作用成對(duì)應(yīng)關(guān)系，即輸入激勵(lì)的增大導(dǎo)致輸出響應(yīng)的穩(wěn)定增大。在閘門(mén)小開(kāi)度（2.2 m、2.1 m、2.0 m、1.9 m、1.7 m、1.6 m、1.5 m）泄水過(guò)程中，閘門(mén)振動(dòng)能量分布較寬，未發(fā)生閘門(mén)共振的跡象。

4.2.3閘門(mén)振動(dòng)應(yīng)力變化特征

閘門(mén)實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，振動(dòng)應(yīng)力平均值及動(dòng)應(yīng)力均方根值隨庫(kù)水位升高而加大。在較高水位（650 m）情況下門(mén)體振動(dòng)應(yīng)力均方根值在10 MPa以?xún)?nèi)，動(dòng)應(yīng)力平均值均在100 MPa以?xún)?nèi)。動(dòng)應(yīng)力量值較小。閘門(mén)振動(dòng)應(yīng)力主能量集中在10 Hz以?xún)?nèi)的低頻范圍。

圖16　典型啟門(mén)時(shí)振動(dòng)加速度時(shí)域過(guò)程、功率譜密度、概率密度圖及時(shí)頻圖Fig.16 Vibration acceleration process line，power spectrum density，probability density and time-frequency analysis during the process of opening gate

總體上看，除閘門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程出現(xiàn)應(yīng)力突然增加外，閘門(mén)局部開(kāi)啟（開(kāi)度2.2 m、2.1 m、2.0 m、1.9 m、1.7 m、1.6 m、1.5 m）情況下門(mén)體的振動(dòng)應(yīng)力沒(méi)有出現(xiàn)大幅的變化和劇烈的不穩(wěn)定振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)過(guò)程是穩(wěn)定的。有關(guān)動(dòng)應(yīng)力時(shí)域變化過(guò)程和數(shù)字特征及譜特征變化見(jiàn)圖17。

4.2.4閘門(mén)啟閉機(jī)支撐塔架振動(dòng)特性

在進(jìn)行閘門(mén)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，還同時(shí)測(cè)量了閘門(mén)運(yùn)行情況下固定開(kāi)度及啟閉等工況下的閘門(mén)啟閉機(jī)排架的振動(dòng)位移數(shù)字特征及其譜特征。數(shù)據(jù)顯示，在閘門(mén)啟閉機(jī)關(guān)閉或者開(kāi)啟時(shí)，啟閉機(jī)支撐塔架振動(dòng)位移均方根值段內(nèi)出現(xiàn)較大的變化，存在一定的振動(dòng)位移，位移均方根值較大值約在1.3 mm，測(cè)到的最大位移峰值約5.5 mm。此時(shí)人體明顯有震感，這是啟閉機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)誘發(fā)的高聳結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

在啟閉機(jī)停機(jī)靜止、閘門(mén)局部開(kāi)啟泄流狀態(tài)下，啟閉機(jī)塔架頂面仍有微幅振動(dòng)位移，實(shí)測(cè)最大位移均方根值在0.19 mm以?xún)?nèi)；塔柱及地面振動(dòng)位移均方根值很小。典型啟閉機(jī)塔架振動(dòng)時(shí)域過(guò)程和時(shí)頻譜繪于圖18。

圖17　閘門(mén)降落過(guò)程的閘門(mén)應(yīng)力時(shí)域及分析圖Fig.17 Stress process line and analysis of the gate during the process of closing gate

圖18　典型啟閉機(jī)塔架振動(dòng)時(shí)域過(guò)程和時(shí)頻譜Fig.18 Typical vibration process and time-frequency spectrum of hoist tower

4.2.5閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

2號(hào)泄洪排沙洞事故檢修閘門(mén)模態(tài)分析結(jié)果指出，閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體和各向振動(dòng)響應(yīng)識(shí)別結(jié)果均反映閘門(mén)各振動(dòng)振型（見(jiàn)圖19），結(jié)構(gòu)本身一階基頻為12.457 Hz，二階振型對(duì)應(yīng)頻率為29.755 Hz；第三階振型為門(mén)體高階彎曲振型，對(duì)應(yīng)頻率為34.548 Hz。

若考慮流固耦合作用影響，一階基頻將下降為6.23～8.71 Hz，仍為整體扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng)；二階流固耦合振動(dòng)頻率降為14.87～20.83 Hz，為門(mén)體縱向彎曲振動(dòng)變形；三階為縱向二階彎曲，相應(yīng)振動(dòng)頻率為17.30～24.18 Hz。

圖19　閘門(mén)低階振型圖Fig.19 Low order mode shapes of the gate

4.2.6門(mén)槽水流的空化特征

為考察平面事故閘門(mén)作小開(kāi)度局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)門(mén)槽是否會(huì)發(fā)生空化的問(wèn)題，本次原型觀測(cè)專(zhuān)門(mén)在閘門(mén)底緣附近布置了空化噪聲傳感器，以監(jiān)測(cè)閘門(mén)小開(kāi)度泄水過(guò)程中的空化狀況。圖20給出不同閘門(mén)開(kāi)度和水位條件下的閘門(mén)槽底部空化噪聲的功率譜特征，將這些噪聲譜密度與沒(méi)有水流作用時(shí)的背景噪聲譜特征進(jìn)行比較分析。

實(shí)測(cè)門(mén)槽空化噪聲數(shù)據(jù)顯示，隨著庫(kù)水位升高、閘門(mén)開(kāi)度增加，閘門(mén)底緣位于門(mén)槽部分的低頻段水流空化噪聲增加，反之隨著庫(kù)水位下降和閘門(mén)開(kāi)度減小，低頻段空化噪聲能量明顯下降。從總體上看，反映水流空化的高頻信息能量沒(méi)有明顯增加，說(shuō)明閘門(mén)在絕對(duì)開(kāi)度1.5～2.0 m以?xún)?nèi)的小開(kāi)度狀態(tài)下閘門(mén)門(mén)槽沒(méi)有發(fā)生水流空化現(xiàn)象，開(kāi)度2.5 m以上門(mén)槽發(fā)生一定程度的空化，這符合模型試驗(yàn)觀測(cè)變化情況。同時(shí)也說(shuō)明，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果選定的運(yùn)行操作方案是正確的。

4.2.7閘門(mén)小開(kāi)度運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

水流脈動(dòng)壓力測(cè)量結(jié)果顯示，在閘門(mén)小開(kāi)度范圍（2.2 m、2.1 m、2.0 m、1.9 m、1.7 m、1.6 m、1.5 m）內(nèi)，門(mén)頂部的脈動(dòng)壓力均方根值不大，實(shí)測(cè)閘門(mén)底部最大脈動(dòng)壓力均方根值為11 kPa，脈動(dòng)壓力的主能量一般集中在10 Hz以?xún)?nèi)的低頻區(qū)。

閘門(mén)結(jié)構(gòu)本身一階基頻為12.457 Hz，二階振型對(duì)應(yīng)頻率為29.755 Hz；第三階振動(dòng)頻率為34.548 Hz。若考慮流固耦合作用影響，一階基頻將下降為6.23～8.71 Hz，仍為整體扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng)；二階流固耦合振動(dòng)頻率降為14.87～20.83 Hz，為門(mén)體縱向彎曲振動(dòng)變形；三階為縱向二階彎曲，相應(yīng)振動(dòng)頻率為17.3～24.18 Hz。與水流脈動(dòng)壓力能量集中區(qū)相一致的區(qū)域?yàn)橐浑A基頻，但脈動(dòng)壓力能量相對(duì)較弱，未能激發(fā)一階基頻，閘門(mén)振動(dòng)響應(yīng)能量在頻域的分布范圍較寬，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的低階共振跡象。

當(dāng)事故閘門(mén)在開(kāi)度1.5～2.2 m范圍內(nèi)進(jìn)行局部開(kāi)啟泄水運(yùn)行時(shí)，門(mén)體下部振動(dòng)量不大，上部門(mén)頂部位出現(xiàn)一定振動(dòng)量，其原因可能與上部頂止水縫隙流動(dòng)脈動(dòng)荷載有關(guān)，但從測(cè)到的動(dòng)應(yīng)力考查，最大動(dòng)應(yīng)力均方根值在10 MPa之內(nèi)，結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力滿足強(qiáng)度安全要求。

閘門(mén)啟閉機(jī)排架的振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在閘門(mén)啟閉機(jī)關(guān)閉或者開(kāi)啟過(guò)程中，啟閉機(jī)支撐塔架頂部出現(xiàn)較大振動(dòng)位移值，測(cè)到的最大振動(dòng)位移峰值約5.5 mm，此時(shí)人體明顯有震感，這是啟閉機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)誘發(fā)的高聳結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但不致影響安全。在啟閉機(jī)停機(jī)、閘門(mén)作局部開(kāi)啟泄流狀態(tài)下，啟閉機(jī)塔架頂面實(shí)測(cè)最大位移均方根值在0.19 mm以?xún)?nèi)，塔柱及地面振動(dòng)位移均方根值很小，屬于微幅振動(dòng)范疇。

門(mén)槽空化噪聲數(shù)據(jù)顯示，閘門(mén)在絕對(duì)開(kāi)度1.5～2.2 m以?xún)?nèi)的小開(kāi)度狀態(tài)下泄流時(shí)，閘門(mén)門(mén)槽沒(méi)有發(fā)生水流空化現(xiàn)象，說(shuō)明根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果選定的運(yùn)行操作方案是正確的。

閘門(mén)外形檢查結(jié)果顯示，除門(mén)體兩側(cè)水封出現(xiàn)部分損壞現(xiàn)象外，閘門(mén)結(jié)構(gòu)本身未見(jiàn)任何損傷。局部水封損壞的原因可能與水封材質(zhì)、摩擦系數(shù)、抗磨性能及壓板固定件強(qiáng)度密切相關(guān)。建議對(duì)水封結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)布置等方面做進(jìn)一步完善。

原型觀測(cè)數(shù)據(jù)指出，深溪溝水電站泄洪導(dǎo)流洞事故閘門(mén)作為目前國(guó)內(nèi)外最大的巨型深孔平面閘門(mén)，在模型試驗(yàn)成果指導(dǎo)下，進(jìn)行短時(shí)間小開(kāi)度泄流操作運(yùn)行是可行、安全的，為以后類(lèi)似工程的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖20　振動(dòng)噪聲及譜特征Fig.20 Vibration noise and spectral characteristics

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)大量泄水建筑物閘門(mén)結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)原型檢測(cè)研究，可以對(duì)工程上存在的危害性振動(dòng)的成因進(jìn)行分析，揭示產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的原因；通過(guò)閘門(mén)與啟閉機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度檢測(cè)，取得動(dòng)水壓力荷載、振動(dòng)加速度、動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)力等動(dòng)力參數(shù)，對(duì)其運(yùn)行安全性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)產(chǎn)生危害性振動(dòng)的問(wèn)題提出改善措施和解決方案，從而確保工程安全。

作者郵箱：ghyan@nhri.cn

Title:Study on the flow-induced vibration monitoring and strong vibration control technology for dam sluice gate//by

YAN Gen-hua//Nanjing Hydraulic Research Institute

Operation accidents often occur in gate，hoist and other metal structures at dam discharge works，most of which are structural static damage，such as aging and corrosion of gate.But the consequences of gate damage caused by strong vibration with the effect of hydrodynamic load are more serious.Flow-induced vibration of the gate is a widespread problem，which has various forms and of great hazard.By detectiog of flow-induced vibration parameter，the vibration level of gate can be obtained. Based on this，engineers could evaluate the safety of gate operation，find out the cause of vibration，and then put forward measures to control or eliminate strong vibration and ensure the safe operation of gate.

sluice gate；flow-induced vibration monitoring；strong vibration control

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0044-11

2016-01-28

嚴(yán)根華（1956-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事大壩水力學(xué)、閘門(mén)、啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)及抗振優(yōu)化控制方面的研究工作。