曲 直，劉亞蓮

（豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林吉林，132108）

豐滿重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞弧門流激振動(dòng)原型觀測成果研究

曲 直，劉亞蓮

（豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林吉林，132108）

弧形閘門是水工建筑物中運(yùn)用最廣的門型之一，但不少閘門運(yùn)行中發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。動(dòng)水作用下閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)、動(dòng)力穩(wěn)定性及安全可靠性等問題正受到越來越多的重視。對(duì)豐滿重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞弧門開展系統(tǒng)的閘門流激振動(dòng)和靜、動(dòng)力原型觀測，取得閘門運(yùn)行的第一手實(shí)際動(dòng)態(tài)資料。通過系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)，為閘門的安全運(yùn)行制定合理操作規(guī)程，并指導(dǎo)未來的工程運(yùn)行管理，具有十分重要的工程指導(dǎo)意義和科學(xué)價(jià)值。

豐滿重建工程；弧形閘門；動(dòng)水試驗(yàn)；原型觀測

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程是為恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在原豐滿大壩下游120 m處新建一座大壩，并利用原豐滿三期工程。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、養(yǎng)殖和旅游等綜合利用。水庫正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，設(shè)計(jì)洪水位268.20 m，校核洪水位268.50 m，水庫總庫容103.77億m3。新建電站裝機(jī)1 200 MW，利用原來的三期容量280 MW，總裝機(jī)容量1 480 MW。

泄洪兼導(dǎo)流洞出口設(shè)潛孔式弧形工作門，孔口凈寬8.8m，凈高8.8m，設(shè)計(jì)水頭74m，總水壓力65167kN，支撐跨度5.88 m，支鉸高度13.0 m，弧門面板外緣半徑18.0 m，采用單吊點(diǎn)液壓啟閉機(jī)動(dòng)水啟閉，啟閉機(jī)容量4500kN/1600kN，啟閉機(jī)工作行程13.0m。

本工程深孔弧形工作閘門的尺寸及水頭在國內(nèi)外均屬于大型閘門。同時(shí)，該閘門的設(shè)計(jì)泄水流量較大，有局部開啟控泄要求。雖然前期對(duì)本工程水閘的水力學(xué)和振動(dòng)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了重要成果，對(duì)工程的設(shè)計(jì)、制造和安裝調(diào)試提出了相關(guān)意見和建議，但因模型試驗(yàn)存在一定的縮尺影響，有些因素難以在模型中完全模擬，而且閘門的制造、安裝質(zhì)量離規(guī)定要求會(huì)存在偏差。國內(nèi)外現(xiàn)有類似工程有各自不同的特點(diǎn)，參考具有局限性。本工程閘門的安全運(yùn)行涉及到上下游水位的復(fù)雜組合、啟閉力容量及閘門振動(dòng)與穩(wěn)定性問題，是一個(gè)多參數(shù)水力結(jié)構(gòu)綜合復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)充排水試驗(yàn)及局部開啟試驗(yàn)過程中的閘門應(yīng)力、位移、振動(dòng)加速度及閘門模態(tài)進(jìn)行實(shí)際動(dòng)態(tài)檢測，可以確定閘門運(yùn)行合理開度區(qū)間，對(duì)投入生產(chǎn)后的安全運(yùn)行有重要的意義。

2 原型觀測測試系統(tǒng)布置

2.1 工程現(xiàn)場及觀測儀器

本次原型觀測的測量內(nèi)容及測量儀器見表1，采用DH動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)（8通道/套×4套）、DH靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)、DH手持動(dòng)態(tài)信號(hào)巡檢儀、勝利系列萬用表等，前置信號(hào)調(diào)理裝置主要采用了泰司TS系列-放大器/濾波器、東華DH系列-放大器/濾波器等，輔助電源采用了WYJ系列穩(wěn)壓電源。

表1 原型觀測項(xiàng)目及測量儀器Table 1 Prototype observation items and measuring instrument

2.2 測點(diǎn)布置

現(xiàn)場的測點(diǎn)布置按采集內(nèi)容要求考慮在閘門門體和支臂部分安裝相應(yīng)測量傳感器。測點(diǎn)主要包括振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度、應(yīng)力測點(diǎn)，主要安裝在閘門門體和支臂部分。圖1為測點(diǎn)布置及電纜走線示意圖。

3 充排水試驗(yàn)

充排水試驗(yàn)是水工隧洞必要的安全檢測項(xiàng)目，是水工建筑物加載、卸載、發(fā)現(xiàn)問題及處理問題的過程。充水過程中靜應(yīng)力變化可反映洞身襯砌混凝土質(zhì)量、施工支洞封堵段施工質(zhì)量以及泄洪兼導(dǎo)流洞所處圍巖滲透及水文地質(zhì)變化情況，排水過程即可對(duì)弧門的振動(dòng)加速度進(jìn)行原型觀測。

3.1 充水過程

充排水試驗(yàn)階段原型觀測主要對(duì)工作弧形閘門的靜應(yīng)力、振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)力以及啟閉機(jī)座附近、出口導(dǎo)墻等位置的振動(dòng)量方面進(jìn)行了測試。表2給出了當(dāng)水位與上游庫水位齊平時(shí)各測點(diǎn)的應(yīng)力最大值。圖2給出了相關(guān)應(yīng)力值隨充水時(shí)刻的變化值。

由相關(guān)圖表可以看出，隨著洞內(nèi)水位的上升，各點(diǎn)應(yīng)力值也隨之增大，當(dāng)水位與上游庫水位齊平時(shí)測得的最大值約為80 MPa左右。在隨后3 d的洞身保壓實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力值呈現(xiàn)規(guī)律性的起伏變化，變化范圍約6～8 MPa左右，最大值約86 MPa左右。

表2 充水過程中發(fā)生的最大應(yīng)力值Table 2 Maximum stress in the process of water filling

3.2 排水過程

本階段排水過程原型觀測主要對(duì)工作弧形閘門的振動(dòng)加速度方面進(jìn)行了測試，取得了振動(dòng)加速度的量級(jí)及其能量在頻域的分布規(guī)律。圖3給出了不同時(shí)段的振動(dòng)加速度的變化。

由圖3可以看出：在啟閉操作的瞬間，尤其是在全關(guān)位進(jìn)行開啟操作的時(shí)候出現(xiàn)振動(dòng)峰值，加速度峰值較大，可達(dá)到30 m/s2左右。盡管峰值較大，但歷時(shí)短，衰減很快。啟閉門瞬間出現(xiàn)的振動(dòng)峰值變化不僅是啟閉機(jī)操作引起的，跟洞內(nèi)水頭、閘門開度都有一定關(guān)聯(lián)，總的變化趨勢是各振動(dòng)峰值隨著洞內(nèi)水位降低、啟門高度增大而減小。

圖1 測點(diǎn)布置圖Fig.1 Distribution of observation points

圖2 充水過程中應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Variation of stress over time in the process of water filling

在排水階段前期，啟閉門操作后，下游閘室內(nèi)的水流來回振蕩，有拍打到閘門的現(xiàn)象。在排水階段后期，當(dāng)洞內(nèi)水壓較小出現(xiàn)自由液面的情況時(shí)，啟閉門操作后，洞內(nèi)水流來回振蕩拍打閘門，表現(xiàn)為振動(dòng)波形上出現(xiàn)沖擊型的信號(hào)。

圖4為典型測點(diǎn)的變化時(shí)域過程及分析。從振動(dòng)頻率來看，啟閉閘門出現(xiàn)峰值的時(shí)候一般均已經(jīng)完整觸發(fā)閘門在整個(gè)頻域上的分布，高頻和低頻部分都有。當(dāng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象的時(shí)候，從波形來看已經(jīng)激發(fā)閘門的低頻振動(dòng)。

圖3 振動(dòng)加速度峰值隨不同時(shí)段的變化關(guān)系圖Fig.3 Variation of vibration acceleration peak over time

圖4 典型振動(dòng)時(shí)域過程及分析圖（閘門提升至0.5 m開度后立即關(guān)閉）Fig.4 Process and analysis on typical vibration time domain(the gate is elevated to 0.5 m and then closed)

4 弧門全程啟閉和局部開啟試驗(yàn)

本階段原型觀測主要對(duì)工作弧形閘門的振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移等振動(dòng)量方面進(jìn)行了測試，取得了振動(dòng)加速度、應(yīng)力、位移的量級(jí)及其能量在頻域的分布規(guī)律。

首先進(jìn)行了閘門開啟至5 m后關(guān)閉的全行程操作，圖5給出了典型測點(diǎn)的變化時(shí)域過程及分析。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：閘門運(yùn)行過程中振動(dòng)加速度信號(hào)有兩種表現(xiàn)特征，一是平穩(wěn)運(yùn)行，振動(dòng)加速度屬于平穩(wěn)隨機(jī)過程，振動(dòng)量級(jí)不大；二是閘門運(yùn)行過程中出現(xiàn)沖擊型突然增大和衰減信號(hào)，其最大值比平穩(wěn)運(yùn)行要大得多。在啟閉操作的瞬間，尤其是在全關(guān)位進(jìn)行開啟操作時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)峰值，峰值較大，歷時(shí)短，衰減很快。在閘門打開后直到5 m開度的過程中，閘門運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，在從5 m到全關(guān)的過程中也相對(duì)平穩(wěn)，但閘門在接近全關(guān)位時(shí)又出現(xiàn)不平穩(wěn)的沖擊型信號(hào)，峰值與開啟時(shí)相比較略小一些。

其次進(jìn)行了閘門局部開啟操作。圖6給出了不同局部開度下的振動(dòng)加速度峰谷值統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯觯洪l門局部開啟運(yùn)行過程中振動(dòng)加速度隨開度的增大而增大的趨勢較為明顯，閘門振動(dòng)加速度最大均方根值約為0.26 m/s2。

總體上看，除了開啟瞬間閘門振動(dòng)量較大外，局部開啟運(yùn)行期間閘門運(yùn)行平穩(wěn)。

圖5 典型振動(dòng)時(shí)域過程及分析圖（閘門提升至5 m開度后立即關(guān)閉）Fig.5 Process and analysis on typical vibration time domain(the gate is elevated to 5 m and then closed)

圖6 閘門振動(dòng)加速度最大最小值隨閘門開度變化關(guān)系圖Fig.6 Variation of maximum and minimum gate vibration acceleration with opening

5 閘門運(yùn)行過程中水工建筑物振動(dòng)量觀測

本階段原型觀測主要針對(duì)運(yùn)行期間啟閉機(jī)機(jī)座（1號(hào)）、下游橋梁（2號(hào)）、下游側(cè)墻位置（3號(hào)）進(jìn)行了振動(dòng)量測試，取得了振動(dòng)速度的量級(jí)及其能量在頻域的分布規(guī)律。美國阿肯色河通航樞紐中心提出了以振動(dòng)位移均方根值來劃分水工鋼閘門振動(dòng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)，詳見表3。

在閘門開啟至5 m后關(guān)閉的全行程操作中，典型測點(diǎn)的變化時(shí)域過程及分析結(jié)果見圖7。

由圖7可以看出：在啟閉操作的瞬間，尤其是在全關(guān)位進(jìn)行開啟操作時(shí)，啟閉機(jī)機(jī)座部位出現(xiàn)振動(dòng)峰值，可達(dá)到3.3 mm/s左右，峰值較大，歷時(shí)短，衰減較快。在閘門打開后直到5 m開度的過程中，啟閉機(jī)機(jī)座部位運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)。在從5 m到全關(guān)的過程中，也相對(duì)平穩(wěn)，但閘門在接近全關(guān)位時(shí)又出現(xiàn)不平穩(wěn)的沖擊型信號(hào)。與開啟時(shí)相比較其振動(dòng)方向相反，峰值量值略小一些。下游橋梁豎向振動(dòng)速度較大，但由于存在人為干擾，其量值存在不確定因素，但其表現(xiàn)出來的總趨勢是逐漸增大而后逐漸減小。下游導(dǎo)墻頂部豎向振動(dòng)速度最小，僅0.2 mm/s左右。

表3 位移范圍與閘門振動(dòng)強(qiáng)弱程度之間的關(guān)系Table 3 Relation between displacement range and gate vibra?tion strength

其次先進(jìn)行了閘門0-5 m-0.5 m的局部開啟操作，圖8給出了不同開度下及不同開度間啟閉過程中的相關(guān)應(yīng)力值、振動(dòng)量峰值變化。

可以看出：閘門局部開啟運(yùn)行過程中，啟閉機(jī)機(jī)座部位、下游橋梁隨開度的增大而增大的趨勢較為明顯，導(dǎo)墻振動(dòng)量變化很小。其中，啟閉機(jī)機(jī)座振動(dòng)速度最大均方根值約為0.053 8 mm/s。下游側(cè)橋梁振動(dòng)速度最大均方根值約0.423 6 mm/s，相對(duì)較大，但由于存在人為干擾，其量值存在不確定因素，實(shí)際量值應(yīng)小于該值。下游側(cè)導(dǎo)墻部位振動(dòng)速度均方根值范圍約在0.006～0.010 mm/s，相對(duì)較小。

總體上看，啟閉機(jī)機(jī)座部位的振動(dòng)量主要在開啟及關(guān)閉瞬間出現(xiàn)峰值，其他時(shí)候相對(duì)平穩(wěn)。隨泄流量的增大，下游橋梁豎向振動(dòng)量相對(duì)較大。

6 結(jié)語

通過本次觀測，認(rèn)為閘門運(yùn)行平穩(wěn)，主要結(jié)論如下：

（1）弧門在充排水試驗(yàn)中最大應(yīng)力值為86 MPa，位于弧門上支臂前部。

（2）排水過程中，振動(dòng)加速度峰值為30 m/s2，具有高峰值、歷時(shí)短、衰減迅速的特點(diǎn)，變化趨勢是各振動(dòng)峰值隨著洞內(nèi)水位降低、啟門高度增大而減小。

（3）閘門局部開啟運(yùn)行過程中，在全關(guān)位附近監(jiān)測到不平穩(wěn)的振動(dòng)加速度沖擊型信號(hào)，其峰值量值與開啟時(shí)的相比較略小一些。

（4）閘門局部開啟運(yùn)行過程中，振動(dòng)應(yīng)力和振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移隨開度的增大而增大的趨勢較為明顯，閘門振動(dòng)應(yīng)力最大均方根值約為0.8 MPa，振動(dòng)加速度最大均方根值約為0.26 m/s2，振動(dòng)位移（橫梁與面板的相對(duì)位移）最大均方根值約為0.016 mm，運(yùn)行較平穩(wěn)。

圖7 典型測點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)域過程圖Fig.7 Graph of vibration velocity of typical observation point

圖8 建筑物振動(dòng)速度在閘門啟閉過程中出現(xiàn)的最大最小值關(guān)系圖Fig.8 Variation of maximum and minimum vibration velocity of structure in the process of gate opening and close

（5）啟閉機(jī)機(jī)座部位的振動(dòng)量主要在開啟及關(guān)閉瞬間出現(xiàn)峰值，其他時(shí)候相對(duì)平穩(wěn)。隨泄流量的增大，下游橋梁豎向振動(dòng)量相對(duì)較大。在當(dāng)前水位條件下，閘門在0.5 m局部開度以下屬于振動(dòng)區(qū)，閘門可以在0.5～5.0 m之間運(yùn)行。

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2017-06-29

曲 直（1989-），男，黑龍江省哈爾濱市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樗娊ㄔO(shè)施工管理。

作者郵箱：crow417@126.com

Research on prototype observation of the flow induced vibration of the radial gate of flood dis?charge and diversion tunnel in Fengman reconstruction project

QU Zhi and LIU Ya-lian

Recon?struction Bureau of Fengman Dam

Redial gate is widely used in hydraulic structures.For many gates,owning the responsibility of water discharge control,strong vibration may occur in daily operation.More and more attention is paid on the flow-induced vibration,kinetic stability,the safety and reliability of the gate structure.In or?der to get the first-hand dynamic operation data,it is necessary to conduct systematic observation on flow induced vibration as well as the static and dynamic prototype observation of the radial gate of flood discharge and diversion tunnel in Fengman reconstruction project.By analysis and evaluation,reason?able operating rules for safe operation of the gate can be set,which would guide the future operation and management of the project and is of great engineering significance.

Fengman reconstruction project;radial gate;flowing water experiment;prototype observa?tion

TV663

B

1671-1092（2017）05-0058-06