羅浩

(新疆維吾爾自治區(qū)水利科技推廣總站，烏魯木齊，830000)

1 引言

越來越多的大型水閘在各種水工建筑物中使用，為了適應(yīng)上下游水位差的復(fù)雜變化，以及在更寬的淹沒范圍內(nèi)向下游跳躍，水閘必須滿足運行條件下的開啟度要求[1]。閘機事故分析表明，閘機損壞往往伴隨著紊流引起的強烈振動。當(dāng)水壓脈動頻率接近閘門固有頻率時，會引起閘門共振，容易導(dǎo)致閘門疲勞破壞，對水利設(shè)施的安全是極其不利的[2-3]。

水工閘門結(jié)構(gòu)在水流作用下的流激振動、動力穩(wěn)定性和安全可靠性一直是水利界高度關(guān)注的問題。因此，閘門振動在線監(jiān)測與分析對閘門結(jié)構(gòu)的安全運行具有重要意義，是保證水利工程安全運行的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[4]。

2 工程概況

本文以新疆某灌溉渠道水閘為例。閘身寬75.25m，閘長79m，閘頂高程為6.0m，該閘共13孔，閘孔總凈寬為64m，設(shè)計流量300m3/s，開度范圍為0.137m～1.275m，開度越小，孔板平均流速越大，最大值為14.71m/s。本工程投產(chǎn)以來，在開度較小的情況下，出口控制閘門常發(fā)生強烈振動。冬季檢修期間發(fā)現(xiàn)閘門下部的兩個托輪已損壞，給安全運行帶來較大風(fēng)險。

根據(jù)輸水渠道的布置和閘門的運行要求，為避免對渠道產(chǎn)生過大的水沖擊壓力，下游設(shè)計水位必須高，使閘門始終在水下工作，這大大增加了閘門發(fā)生流體激振的可能性。為了及時調(diào)整閘門開度，保證泄水流量，閘門需要長期保持小的開度。為了保證閘門結(jié)構(gòu)的安全運行，提出并討論了一種水下閘門結(jié)構(gòu)及其房屋振動監(jiān)測系統(tǒng)。

3 三軸加速度計振動測量分析

3.1 振動測量的一般原理

振動的加速度、速度和位移之間的關(guān)系是明確的，因此，理論上，對加速度、速度或位移信號任意一個進(jìn)行監(jiān)測，也可以通過相應(yīng)的計算得到另外兩個振動信號。

給定振動加速度a(t)、速度v(t)、位移x(t)，則有如下關(guān)系：

(1)

(2)

假設(shè)測得的振動加速度為諧波信號a(t)=Asinωt，則速度和位移為：

(3)

(4)

反之，當(dāng)測得的振動位移為諧波信號x(t)=Xsinωt時，速度和位移信號為：

(5)

a(t)=Asin(ωt+π)=ωVsin(ωt+π)=ω2Asin(ωt+π)

(6)

三者的振幅關(guān)系如下：

a(t)=A=ωV=ω2X

(7)

因此，任何一個振動信號都可以用來測量單個振動頻率，然后通過式(3)和式(4)或式(5)和式(6)得到另外兩個信號。如果只得到振動振幅，則僅進(jìn)行公式(7)的轉(zhuǎn)換。然而，當(dāng)振動信號包含多個頻率時，必須根據(jù)式(1)進(jìn)行積分或根據(jù)式(2)進(jìn)行微分，以獲得其他振動振幅和信號。

3.2 振動傳感器的應(yīng)用

振動加速度計具有頻率響應(yīng)廣、體積小、使用方便等優(yōu)點，在狀態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。加速度計可分為單軸、雙軸和三軸。由于系統(tǒng)中使用的加速度計必須始終在水下工作，安裝和維護(hù)非常困難，因此三軸加速度傳感器具有耐壓防水、工作溫度范圍廣等特點，是專門設(shè)計的。

3.2.1 三軸加速度計

眾所周知，傳統(tǒng)的加速度計是由高阻抗壓電材料制成的，需要電荷放大器作為后續(xù)處理電路或儀器，這使得測量系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴、可靠性低、使用不便。為此，研制了一種基于MEMS的高精度、低成本加速度計，并得到了迅速的應(yīng)用。

基于MEMS的加速度計ADXL330包括三軸MEMS傳感器結(jié)構(gòu)和16針?biāo)芰媳砻尜N裝封裝的信號調(diào)理電路，僅4×4×1.45mm3。輸出為模擬電壓信號。ADXL330可用于測量靜態(tài)重力加速度、運動加速度和高達(dá)10000g的沖擊。

ADXL330的帶寬為0.5kHz～1.6kHz。每個軸的輸出具有內(nèi)置電阻RF=32kΩ，因此，輸出信號帶寬可由外部電容器Cx確定。在-3dB處，抗混疊和降噪濾波器的帶寬可計算如下：

F-3db=1/(2πRFCX)≈5μF/Cx

(8)

3.2.2 深水耐壓防水換能器

由于長距離調(diào)水工程渠道每年都在施工，水下傳感器除了要滿足一些特殊要求外，還必須滿足精度和穩(wěn)定性的共同要求。如傳感器和連接電纜必須滿足30m壓力深度以下的防水要求，防腐抗沖擊在結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝中，旱季最低儲存溫度低至-40℃。

根據(jù)上述水下結(jié)構(gòu)振動的特點和要求，以及環(huán)境溫度的大范圍變化，設(shè)計了基于ADXL330的水下測量振動傳感器，以減少安裝工作量和連接電纜。

3.2.3 傳感器校準(zhǔn)與環(huán)境試驗

傳感器校準(zhǔn)可以通過標(biāo)準(zhǔn)振動器或重力進(jìn)行。采用重力標(biāo)定，無需標(biāo)定基準(zhǔn)，不需安裝。該方法是將加速度計沿靈敏度軸旋轉(zhuǎn)180°以上，記錄傳感器輸出的最小電壓Vmin和最大電壓Vmax，然后通過式(9)進(jìn)行計算。

Sa=(Vmax-Vmin)

(9)

對于多軸傳感器，需要對任意軸分別進(jìn)行上述校準(zhǔn)程序。傳感器的環(huán)境試驗包括工作環(huán)境和短缺環(huán)境，如防水試驗、低溫運行試驗和低溫貯存后運行試驗等。防水試驗的方法是將傳感器置于水壓2MPa下24h，然后檢查密封是否良好，最后檢查其工作性能。

低溫運行試驗時，將傳感器放入冷箱中，將溫度降至-20°C并保持1h，觀察傳感器的運行情況是否正常；低溫貯存試驗，將換能器放入冰箱后，將溫度降至-40℃，保持1h，然后在室溫下放置0.5h，檢查換能器的工作情況是否正常。

4 監(jiān)控系統(tǒng)分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

考慮到閘門結(jié)構(gòu)的振動頻率和傳感器的安裝，采用加速度計精確捕捉閘門及其閘墩在各種工況下的全方位振動。圖1所示的閘門振動監(jiān)測系統(tǒng)在配置上采用冗余傳感器，以確保安全可靠，即在閘門下游各安裝2個三軸加速度計，以減少水蝕。

圖1 宜陵閘門振動監(jiān)測分析

4.2 數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)來源包括基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，是構(gòu)建塔里木河實時配水基礎(chǔ)架構(gòu)的核心。數(shù)據(jù)分為DLG數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DRG數(shù)據(jù)、特殊數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣，包括地名、水系、交通、植被、測站、水閘、水位、流量等，總數(shù)據(jù)容量達(dá)到TB級。具體解釋如下：

(1)基本地理空間數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)控制總圖和后臺數(shù)據(jù)查詢顯示，包括參考點、居住區(qū)、地名、交通、水系、邊界等，分別按1∶10000、1∶100000、1∶500000進(jìn)行縮放。

(2)特殊數(shù)據(jù)，包括Trim河流域水資源專用數(shù)據(jù)、水文測站分布網(wǎng)專用數(shù)據(jù)、水閘中心專用數(shù)據(jù)。

(3)自動測量數(shù)據(jù)，包括水位、流量、總引水量等水文資料和負(fù)荷、過載、波動極限位置、電壓、電流、溫度、濕度等安全保護(hù)資料。

(4)控制數(shù)據(jù)，包括所有控制命令，如閘門的遠(yuǎn)程啟閉操作和自動控制。

(5)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括水文遠(yuǎn)程視頻、遠(yuǎn)程工作狀態(tài)、閘門狀態(tài)等視頻信息。

(6)屬性數(shù)據(jù)，由與圖形相關(guān)的靜態(tài)屬性和閘門組成。

4.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)運行的核心，其設(shè)計不僅影響系統(tǒng)建設(shè)的速度和成本，而且影響系統(tǒng)的運行、使用和管理。塔里木河流域工程基礎(chǔ)資料眾多、復(fù)雜多樣。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)據(jù)庫、視頻、GIS三個服務(wù)器，并在總控中心設(shè)計了專用數(shù)據(jù)庫。不同的數(shù)據(jù)庫有自己的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方式，如下所示：

(1)柵格數(shù)據(jù)：按數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和比例尺組織，采用無損壓縮(LZ77算法)和經(jīng)緯度坐標(biāo)系存儲在柵格目錄中。

(2)矢量數(shù)據(jù)：主要用于后臺顯示、索引和支持查詢。通過測試確定合適的三級網(wǎng)格單元大小序列和數(shù)據(jù)壓縮，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

(3)視頻數(shù)據(jù)：MPEG-4技術(shù)是基于對象概念，采用小波變換編碼算法對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并采用數(shù)據(jù)分割、頭擴展編碼和反變長編碼等機制來減少和消除錯誤。然后實現(xiàn)了更高的編碼效率和視頻質(zhì)量，因此系統(tǒng)采用了MPEG-4視頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，并通過建立視頻索引，解決了用戶單播遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的問題。當(dāng)多個用戶同時接入視頻時，系統(tǒng)會自動識別出接入用戶的權(quán)限，根據(jù)較高的優(yōu)先級來滿足用戶瀏覽視頻數(shù)據(jù)的權(quán)限，并自動中斷較低級別用戶的監(jiān)控，以減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。

4.4 閘門振動測試結(jié)果分析

圖2為所測閘門振動信號，在整個輸水期間內(nèi)，振動測試系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，閘門結(jié)構(gòu)的振動是一種寬頻瞬態(tài)激勵振動，雖然在工況改變時，振動幅值會明顯增大，但持續(xù)時間很短，一般不會引起共振，因此是安全的。從測試結(jié)果來看，閘門的運行長期存在微小振動，長期運行可能造成閘門螺栓松弛以及脫落，因此，在停水期間需要定期維護(hù)檢查。

圖2 宜陵閘門振動測試信號

5 結(jié)論

大型水工閘門在長距離調(diào)水工程中起著重要的調(diào)控作用，閘門的紊流激振是一個嚴(yán)重的問題。水下閘門結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測需要專門的振動傳感器和適合水環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，即滿足防水、耐壓、抗沖刷、溫度變化大、水質(zhì)差、脈沖流量等要求。本文提出了防水振動傳感器，并將其應(yīng)用于某長引水工程大型水閘結(jié)構(gòu)振動在線監(jiān)測系統(tǒng)中。試驗和應(yīng)用證明，該傳感器具有良好的防水、耐壓、抗腐蝕、耐高溫等性能。