胡木生，耿紅磊

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南鄭州450044）

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小灣水電站泄洪洞弧形閘門原型觀測研究

胡木生，耿紅磊

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南鄭州450044）

通過對小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形測量、動力特性測試、振動響應(yīng)測試、啟閉力測試及脈動壓力測試的原型觀測，找出高水頭大尺寸弧形閘門在運行過程中各項參數(shù)的特征值和變化規(guī)律，對泄洪洞弧形工作閘門的運行安全性做出分析研究，該研究成果對弧形閘門的安全運行操作具有重要的指導(dǎo)意義。

弧形閘門；原型觀測；應(yīng)力，動力特性；動力響應(yīng)

1　前言

小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，在干流河段與支流黑惠江交匯處下游1.5 km處。該工程由混凝土雙曲拱壩（壩高292m）、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞及右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫庫容為149.14×108m3，電站裝機容量4 200MW（6×700MW）。電站左岸設(shè)一條泄洪洞，進口高程為▽1200.00m，在泄洪洞中部設(shè)1孔泄洪洞弧形工作閘門，閘門孔口尺寸為13.00 m×13.50m，設(shè)計水頭48.00m，底坎高程為1 193.87m，門型為直支臂弧形鋼閘門，采用弧形閘門固定卷揚式啟閉機操作，額定啟門力為2×3 200 kN。

本文通過對泄洪洞弧形工作閘門進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形測量、動力特性測試、振動響應(yīng)測試、啟閉力測試及脈動壓力測試的原型觀測，掌握泄洪洞弧形工作閘門在高水頭、大流量的高速水流作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形量、振動加速度等物理量的數(shù)字特征和譜特征。通過原型觀測發(fā)現(xiàn)了閘門的運行安全隱患，有效的降低工作閘門的運行風(fēng)險，對于弧形工作閘門的安全運行具有指導(dǎo)意義。

2　弧形閘門原型觀測的技術(shù)方案

高水頭弧形閘門在啟、閉過程和局部開啟的工作狀態(tài)中，在高速、高壓的動水荷載作用下會出現(xiàn)閘門失穩(wěn)而破壞，造成巨大損失。所以研究弧形閘門，特別是高水頭大尺寸的弧形閘門結(jié)構(gòu)的動荷載與結(jié)構(gòu)的動力特性產(chǎn)生對閘門運行不利的組合作用的原型觀測顯得尤為重要。為全面取得弧形閘門運行過程中的各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價資料，在小灣水電站特定庫水位（1232.00m～1236.00m左右）進行啟閉操作，閘門全關(guān)～20%開度（2.7m）～40%開度（5.4m）~60%開度（8.1m）~80%開度（10.8m）~全開～全關(guān)，每個工況停留5min。本次原型觀測重點進行如下幾方面的研究：

（1）測試弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力是測試受力構(gòu)件從不受水荷載到額定水荷載的應(yīng)力變化量和閘門在泄水過程中主要受力構(gòu)件的應(yīng)力變化量，對弧形閘門的結(jié)構(gòu)強度做出評價；

（2）通過三維攝影測量技術(shù)測試弧形閘門在擋水過程中的結(jié)構(gòu)變形，找出弧形閘門運行過程中變形最大的位置和變形規(guī)律；

（3）應(yīng)用模態(tài)分析的技術(shù)，測試弧形閘門動力特性，得到弧形閘門整體和主要零部件的模態(tài)參數(shù)（包括固有頻率、振型和阻尼比等參數(shù)）；

（4）測試弧形閘門結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，測得閘門不同開度下流激振動情況，找出弧形閘門運行過程中的振動特性（振幅、頻率、加速度）的變化規(guī)律；

（5）測試弧形閘門啟閉力，獲得啟閉力過程線，確定最大啟閉力，確保啟閉機的安全運行；

（6）測試啟閉機室風(fēng)速；

（7）測試弧形工作閘門脈動壓力，觀測脈動水壓力在不同泄水工況下的誘發(fā)頻率，和閘門固有頻率比較，分析、確定可能發(fā)生的閘門共振現(xiàn)象。

為實現(xiàn)以上原型觀測的內(nèi)容，需在閘門主要受力部件布置傳感器，同時通過數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)進行實時采集、監(jiān)測、存儲，并通過分析軟件進行數(shù)據(jù)的分析處理。本次原型觀測傳感器布置如下：

（1）本次原型觀測試驗共布置應(yīng)力測試點58個，其中弧形工作閘門門葉30個、支臂24個、吊耳板4個；溫度補償測點8個；

（2）布設(shè)攝影測量專用測片258個，其中目標(biāo)測點70個（面板上布置16個，上主橫梁上布置8個，下主橫梁上布置8個，中縱梁上布置8個，上支臂布置18個，下肢臂12個），驅(qū)動及定向測點28個，編碼標(biāo)志點160個；

（3）動力特性測試時拾振器布置如圖1所示；

圖1　動力特性測試拾振器布置圖

（4）泄洪洞弧形工作閘門振動響應(yīng)測試，采用5組無線采集終端，每組8個測點；

（5）在泄洪洞弧形工作閘門面板上共布置4個水壓傳感器；

（6）泄洪洞風(fēng)速測試共布置風(fēng)速傳感器6個。

3　弧形閘門原型觀測試驗成果

3.1弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試成果

泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力值發(fā)生在閘門2.7m開度時第50號測點（通道7-8）上，即門葉左起第三縱梁翼板上，下主梁上方第五梁格附近，豎向，測試值121.6MPa。泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)動應(yīng)力測試最大壓應(yīng)力值發(fā)生在閘門0m開度時第6號測點（通道1-6）上，即左上支臂自上游起第七梁格中部腹板左側(cè)，水流方向，測試值-168.5MPa。上述兩側(cè)點在不同開度下應(yīng)力測試結(jié)果見表1，應(yīng)力測試過程線見圖2。

表1　泄洪洞弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果單位：MPa

圖2　結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試曲線圖

3.2弧形閘門變形測試成果

以主橫梁變形測試成果為例，在弧形工作閘門從不擋水到擋水過程中進行變形測試，測試成果見表2，各測點變形趨勢見圖3。閘門主橫梁最大變形量為X向0.4mm，Y向4.8mm，Z向1.5mm。閘門主梁最大撓度為1.1mm，小于規(guī)范許用值；受水壓后門葉總體后退變形值為2.0mm，小于水封適應(yīng)變形。

表2　泄洪洞弧形工作閘門主橫梁變形測試成果表單位：mm

圖3　變形測試曲線圖

3.3泄洪洞弧形工作閘門動力特性測試成果

在泄洪洞弧形工作閘門不擋水的狀態(tài)下，對其進行動力特性測試。泄洪洞弧形工作閘門整體的動力特性參數(shù)見表3，擬合得到的主橫梁的振型見圖4。

表3　泄洪洞弧形工作閘門整體模態(tài)參數(shù)表

圖4　弧形閘門主橫梁振型圖

3.4泄洪洞弧形工作閘門振動響應(yīng)測試成果

泄洪洞弧形工作閘門原型觀測不同開度時的穩(wěn)態(tài)振動統(tǒng)計特征參數(shù)見表4。

表4　弧形閘門不同開度時的穩(wěn)態(tài)振動統(tǒng)計特征參數(shù)

綜合各測點的振動特征參數(shù)和振動時程曲線，對閘門在泄水過程中振動趨勢的特點分析如下：

（1）泄洪洞弧形工作閘門的上橫梁各點在泄水過程的振動規(guī)律較為明顯，全過程分為如圖5所示的七個開度；其中，在弧形工作閘門全開時振動最大；在4.5m開度中，事故檢修門開始下落，各測點振幅開始減小。

圖5　弧形閘門振動全過程趨勢圖

（2）對泄洪洞弧形工作閘門的上橫梁，上橫梁各測點位置的振動趨勢大體相同，隨著閘門提升高度的增加，各點振動情況逐漸增大，在13.5m振動最為劇烈；后翼板2號測點的振動幅度最大，后翼板1號測點的振動幅度最小。如圖6（a）所示。

（3）下支臂上的各測點在閘門啟閉過程中的振動趨勢相似，在閘門提升到最大開度過程中，各測點的振動逐漸增大，在閘門關(guān)閉的過程中各測點的振動減弱。在各開度下，下支臂翼板的振動比腹板強烈，下支臂靠近橫梁處的振動最大。如圖6（b）所示。

圖6　弧形閘門各測點特征值比較分析圖

3.5泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試成果

（1）泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試電測法

小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門啟閉機為固定卷揚式啟閉機，通過在弧形工作閘門吊耳板上粘貼應(yīng)變片測試吊耳板應(yīng)力應(yīng)變值，并通過對吊耳板各測點應(yīng)力值進行平均，計算吊耳板拉力值，等效計算固定卷揚式啟閉機的啟閉力（見表5、圖7）。

表5　泄洪洞弧形閘門啟閉力測試電測法測試結(jié)果

圖7　泄洪洞弧形閘門啟閉力測試電測法曲線圖

（2）泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試計算值

小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門啟閉機為固定卷揚式啟閉機，通過在固定卷揚式啟閉機電控柜顯示屏荷載顯示儀上讀取其荷載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)詳見表6，啟閉力過程線如圖8所示。

表6　弧形工作閘門啟閉力測試計算值

圖8　弧形工作閘門啟閉力測試計算值

原型觀測中泄洪洞弧形工作閘門啟閉機進行了應(yīng)變電測法啟閉力測試和荷載顯示儀讀數(shù)法啟閉力測試，結(jié)果對比，兩者數(shù)據(jù)基本吻合，所測啟閉力均小于啟閉機的額定啟閉力。啟閉力容量滿足閘門啟閉要求。

3.6泄洪洞啟閉機室風(fēng)速測試成果

泄洪洞泄洪時，工作閘門啟閉機室內(nèi)機架處最大風(fēng)速為21.9m/s，盤柜處最大風(fēng)速為7.2m/s，且啟閉機室內(nèi)噪音大。風(fēng)速測試結(jié)果見表7。

表7　泄洪洞風(fēng)速測試結(jié)果

3.7泄洪洞弧形工作閘門脈動壓力測試成果

小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門脈動壓力測試共得到4個測點的壓力時間歷程數(shù)據(jù)，針對4個測點的時間歷程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計在不同開度下的水壓均值、脈動有效值，如表8所示，水壓時程統(tǒng)計曲線如圖9所示。

表8　水壓均值與脈動值統(tǒng)計結(jié)果單位：kPa

圖9　水壓均值與脈動值統(tǒng)計曲線

通過對泄洪洞弧形工作閘門脈動壓力測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，閘門開度變化時，各測點的水壓變化趨勢一致，且脈動壓力數(shù)值與4個壓力傳感器的布置位置相吻合。在閘門運行過程中，隨著弧形工作閘門開度的增大，壓力脈動值逐漸變大，直至壓力傳感器離開水面，壓力脈動值跌落為0。當(dāng)泄洪洞弧形工作閘門閉門至4.5m開度時，在動水關(guān)閉泄洪洞平面定輪事故閘門過程中，弧形工作閘門面板的壓力脈動有效值不明顯。

4　泄洪洞弧形工作閘門原型觀測試驗結(jié)論

通過對小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門原型觀測試驗測試數(shù)據(jù)的分析研究，可得出如下結(jié)論：

（1）在試驗庫水位為1236.3m時（初始狀態(tài)閘門不擋水），泄洪洞弧形工作閘門運動狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力值發(fā)生在閘門2.7m開度時第50號測點（通道7-8）上，即門葉左起第三縱梁翼板上，下主梁上方第五梁格附近，豎向，測試值122.6MPa；最大壓應(yīng)力值發(fā)生在閘門0m開度時第6號測點（通道1-6）上，即左上支臂自上游起第七梁格中部腹板左側(cè)，水流方向，測試值-168.5MPa。泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試值均小于結(jié)構(gòu)材料的允許應(yīng)力值，弧形閘門結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

（2）通過三維攝影測量技術(shù)，找出弧形閘門運行過程中變形最大的位置和變形規(guī)律；并且三維攝影測量技術(shù)測得閘門主梁最大撓度為1.1mm，小于規(guī)范許用值；受水壓后門葉總體后退變形值為2.0mm，小于水封適應(yīng)變形，滿足使用要求。

（3）因為實際工程中影響弧形工作閘門結(jié)構(gòu)流激振動的主要是前幾階的模態(tài)參數(shù)，通過動水振動響應(yīng)測試和脈沖壓力測試的結(jié)果分析可知，該閘門在啟閉過程中沒有出現(xiàn)門葉共振現(xiàn)象。

（4）通過對泄洪洞弧形工作閘門的振動響應(yīng)時程曲線分析，可知該弧形工作閘門上橫梁、下支臂各測點在泄水過程的振動周期性特性較為明顯，在閘門全開時其振動幅值的有效值（RMS）最大，最大振動加速度為2.00m/s2；在弧形工作閘門4.5m開度時，事故檢修門開始下落過程中，弧形工作閘門振幅開始減?。辉诟鏖_度下，下支臂翼板的振動烈度比腹板大，下支臂靠近橫梁處的振動最大。

（5）泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試中電測值和計算值得最大啟閉力值均小于固定卷揚式啟閉機的設(shè)計額定容量，啟閉機容量滿足工程要求。

（6）通過對啟閉機室風(fēng)速測試分析可知，啟閉機室內(nèi)風(fēng)速大、噪音高，建議對泄洪洞工作閘門啟閉機室內(nèi)操作盤柜及吊掛設(shè)備進行加固，保證閘門長時間泄水時，設(shè)備的安全。

（7）泄洪洞弧形工作閘門面板在0m開度時的水壓最大，隨著閘門開度的增大水壓逐漸減??；各脈動壓力測點在第4開度（即8.1m開度）時的脈動中值相對較大，脈動中值最大為5.5 kPa；當(dāng)泄洪洞弧形工作閘門閉門至4.5m開度時，在動水關(guān)閉泄洪洞平面定輪事故閘門過程中，弧形工作閘門面板壓力脈動不明顯。

TV663+.2

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1672-5387（2016）02-0049-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.015

2015-05-27

胡木生（1978-），男，高級工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試與試驗工作。