趙清靜，冷云，高揚(yáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065）

里底水電站溢洪道弧門水力學(xué)及水彈性振動(dòng)試驗(yàn)研究

趙清靜，冷云，高揚(yáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065）

通過(guò)物理模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究了里底水電站溢洪道弧形工作閘門的流激振動(dòng)問(wèn)題?？疾榱瞬煌\(yùn)行工況和水位條件下，作用于閘室段邊壁和門體諸部位的水動(dòng)力荷載，分析了閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，取得閘門水彈性振動(dòng)特征，為閘門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

里底水電站；溢洪道弧形閘門；閘門水力學(xué)；流激振動(dòng)；有限元分析；操作規(guī)程

1 概述

里底水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上，以發(fā)電為主，電站裝機(jī)容量為420MW。樞紐建筑物由左右岸擋水壩、溢洪道、河床式廠房、泄洪底孔及開(kāi)關(guān)站等組成，為二等大型工程。溢流壩段布置2個(gè)溢流表孔，前端設(shè)檢修閘門，兩孔共用一道檢修閘門，檢修閘門利用4000kN/320kN壩頂雙向門機(jī)操作。在檢修閘門的下游側(cè)設(shè)一道弧形工作閘門，共2孔2扇，弧形工作閘門采用3×3600kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。里底溢洪道弧形工作閘門的孔口形式為露頂式，孔口尺寸14.0m×23.2m，正常蓄水位1818.00m，校核洪水位1818.90，底檻高程1795.311m，閘門高度23.2m。閘門設(shè)計(jì)水頭正常蓄水時(shí)22.689m，校核洪水位時(shí)23.589m。鑒于該閘前吸氣漏斗形漩渦及橫向流對(duì)閘門實(shí)際運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生不利影響，委托南京水利科學(xué)研究院對(duì)溢洪道弧門進(jìn)行水力學(xué)及水彈性振動(dòng)試驗(yàn)研究。為全面模擬該溢洪道進(jìn)出流的流場(chǎng)相似性以及閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作常壓模型一套，包括水動(dòng)力模型和水彈性模型，模型比尺均選用1:40，選取溢洪道兩孔整體進(jìn)行模擬。

2 水動(dòng)力學(xué)特性

3 流激振動(dòng)試驗(yàn)

閘門流激振動(dòng)屬于水彈性振動(dòng)范疇,在動(dòng)水作用下的運(yùn)行符合如下動(dòng)力方程：

其中： [M ]、 [C]、 [K]、分別為質(zhì)量矩陣、阻尼

?

?矩陣和剛度矩陣； {D}、 {D}、 {D}分別表示結(jié)點(diǎn)的加速度向量、速度向量和位移向量； {F}表示作用在水—固接觸界面結(jié)點(diǎn)上的動(dòng)水壓力向量，一般包括 {F 1}是閘門為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)作用在閘門上的水流動(dòng)荷載向量, {F 2}是由于閘門振動(dòng)引起的擾動(dòng)流場(chǎng)作用在流固界面上的附加荷載。

結(jié)合有限元計(jì)算分析內(nèi)容，在工作閘門上重點(diǎn)部位共布置了6個(gè)3向振動(dòng)加速度傳感器，分別在三主梁、上下支臂；15片應(yīng)變片，分別位于三主梁、面板及上下支臂。

4 閘門水動(dòng)力及水彈性振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果分析

左孔閘門在e=0.4（9.28m）開(kāi)度附近水動(dòng)力荷載均方根值及振動(dòng)加速度均方根值均較大，因此不宜在此開(kāi)度長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；另外，在大開(kāi)度e=0.6（13.92m）以上運(yùn)行（未全開(kāi)），由于門前涌浪強(qiáng)烈，脈動(dòng)壓力和振動(dòng)加速度均方根值均顯著增大，該開(kāi)度下運(yùn)行條件惡劣，亦不宜在該開(kāi)度下運(yùn)行。右孔閘門在e=0.5（11.6m）開(kāi)度附近，加速度均方根值較大。大于e=0.6（13.92m開(kāi)度）（閘門尚未全開(kāi)）以后閘門受到?jīng)_擊型水流荷載作用，閘門振動(dòng)幅值過(guò)大，不宜運(yùn)行。另外，從脈動(dòng)壓力特征值、振動(dòng)加速度特征值及振動(dòng)應(yīng)力的角度考查，右孔閘門運(yùn)行條件較左孔閘門惡劣。同時(shí)，根據(jù)《里底溢洪道減壓試驗(yàn)報(bào)告》，在相對(duì)開(kāi)度e=0.5時(shí)，溢洪道流道各部位空化噪聲相對(duì)較大，并結(jié)合在相對(duì)開(kāi)度e=0.4～0.5開(kāi)度附近閘門振動(dòng)量相對(duì)較大，因此建議盡量減少閘門在該局部開(kāi)度范圍內(nèi)泄水運(yùn)行；也不宜在0.6開(kāi)度附近（閘門尚未全開(kāi)）狀態(tài)下運(yùn)行。

5 三維有限元分析

建立的有限元模型（圖1）基本信息為：共建立體537個(gè)；單元?jiǎng)澐殖叽鐬?.1m；離散單元采用solid185單元，對(duì)閘門共離散1812413個(gè)單元，576260個(gè)節(jié)點(diǎn)。閘門建模的體積為40m3，質(zhì)量314噸，閘門實(shí)際質(zhì)量為334噸，除去焊縫及欄桿質(zhì)量11.052噸，閘門實(shí)際計(jì)算質(zhì)量為322.948噸，模型與實(shí)際閘門的質(zhì)量差為8.948噸，占實(shí)際閘門質(zhì)量的2.68%，在可接受范圍內(nèi)。

圖1 弧形工作閘門有限元模型

針對(duì)弧形工作閘門進(jìn)行了三維有限元靜動(dòng)力分析：

（1）根據(jù)閘門動(dòng)力特性計(jì)算，在閘門結(jié)構(gòu)無(wú)約束條件下，閘門變形的一階頻率為1.77Hz，為支臂彎曲振型；閘門二階頻率為3.66Hz，為閘門支臂和面板上部二角點(diǎn)彎曲變形振型；三階頻率為4.79Hz，為閘門支臂和面板兩側(cè)彎曲振型；四階頻率為11.9Hz，為閘門支臂下臂彎曲振型。閘門支鉸部位約束條件下，閘門變形的一階頻率為1.74Hz，為閘門上部面板扭轉(zhuǎn)變形振型；閘門二階頻率為2.46Hz，為閘門面板扭轉(zhuǎn)變形變形振型；三階頻率為11.3Hz，為閘門支臂彎曲變形振型。在二側(cè)水封約束條件下，不考慮流體作用影響，閘門變形的一階頻率為11.3Hz，為閘門支臂反對(duì)稱彎曲變形振型；閘門二階頻率為11.4Hz，為閘門支臂對(duì)稱彎曲變形振型；三階頻率為14.2Hz，為閘門上部面板中部彎曲變形振型；閘門支臂彎曲變形頻率為17.4Hz。其它結(jié)構(gòu)局部變形振動(dòng)頻率更高。

（2）在正常設(shè)計(jì)水位工況下閘門的最大變形為15.1mm，出現(xiàn)在閘門面板頂部中間部位；在校核洪水位工況下，閘門的最大變形為24.2mm，出現(xiàn)在閘門面板頂部中間部位；閘門主梁的跨度為13.98m，主梁上的最大變形為10.8mm，計(jì)算得出主梁的最大撓度與跨度比為1/1294，小于規(guī)范中要求的1/600。

（3）正常蓄水工況下，閘門最大應(yīng)力為225.1MPa，發(fā)生在翼緣局部，對(duì)閘門的正常運(yùn)行無(wú)影響。對(duì)閘門正常運(yùn)行有影響的最大應(yīng)力發(fā)生在2號(hào)箱型橫梁下部面板處，為155MPa。校核洪水位工況下，對(duì)閘門正常運(yùn)行有影響的最大應(yīng)力也發(fā)生在2號(hào)箱型橫梁下部面板處，為163MPa，屬于局部彎壓應(yīng)力。閘門的主體鋼板材料為Q345B、Q345C，工程提供的主體材料容許應(yīng)力，所有厚度主體鋼材的最小容許應(yīng)力為178MPa，閘門的強(qiáng)度符合要求，且有一定的安全裕度。

6 建議

（1）根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算成果，閘門結(jié)構(gòu)局部部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，閘門制作加工過(guò)程中需嚴(yán)格控制制作質(zhì)量，尤其是焊縫的施工質(zhì)量，確保結(jié)構(gòu)力傳遞效果。

（2）表孔閘墩二側(cè)導(dǎo)軌制作、安裝施工時(shí)的平行度和垂直度必須嚴(yán)格控制，嚴(yán)禁出現(xiàn)導(dǎo)軌凹凸不平現(xiàn)象，拼接焊縫必須磨平拋光，以避免閘門啟閉過(guò)程出現(xiàn)非水動(dòng)力荷載作用的強(qiáng)烈振動(dòng)。

（3）閘門水封的制作安裝質(zhì)量亦需嚴(yán)格把關(guān)，控制好壓縮量和安裝平行度，避免水封出現(xiàn)漏水自激振動(dòng)問(wèn)題。

（4）根據(jù)閘門微小開(kāi)度流激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，弧形工作閘門可在0.5～2m微小開(kāi)度范圍內(nèi)運(yùn)行，但需密切注意溢流面空化空蝕問(wèn)題。

（5）鑒于本工程閘門孔口進(jìn)流條件差，水流流態(tài)惡劣，大開(kāi)度時(shí)涌浪對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的沖擊力大，將誘發(fā)閘門出現(xiàn)較大振動(dòng)，雖經(jīng)閘門水彈性振動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)論證，提出了閘門運(yùn)行操作建議，但有些因素難以在模型中完全模擬。為確保弧形閘門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全，建議工程投運(yùn)后，開(kāi)展本工程弧形閘門的水力學(xué)和流激振動(dòng)原型觀測(cè)工作，制定合理運(yùn)行操作規(guī)程，確保工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

[1]嚴(yán)根華等.里底水電站溢洪道弧門水力學(xué)及水彈性振動(dòng)試驗(yàn)研究報(bào)告，2017，1.

[2]嚴(yán)根華等.里底水電站溢洪道減壓水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告,2016，2.

[3]趙清靜等.瀾滄江里底水電站工程可行性研究報(bào)告. 2011，11.

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