魏 中 奉， 馮 德 強(qiáng)

(國能大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川 阿壩 624000)

1 概 述

金川水電站樞紐工程由混凝土面板堆石壩、左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸溢洪道、生態(tài)泄水道和右岸泄洪洞等建筑物組成，導(dǎo)流工程由右岸布置的兩條導(dǎo)流隧洞(一條導(dǎo)流洞常規(guī)導(dǎo)流，一條永久泄洪洞汛期共同導(dǎo)流)組成。為滿足工程蓄水時下泄生態(tài)流量的要求，采用導(dǎo)流洞平面封堵閘門局開控泄的方式向下游供水，導(dǎo)流洞孔口尺寸為12.5 m×14.5 m(寬×高)，局開最大水頭24.7 m。由于導(dǎo)流洞封堵閘門孔口尺寸大，局開過程中可能引起閘門的振動和門槽空蝕等問題，須通過研究閘門局開的動水狀態(tài)，檢驗閘門及底緣形式和門槽形式的合理性，制訂減振措施，為安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)。

2 試驗研究

導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程為2 155 m，工程需要閘門最大局開開度為0.8 m，試驗主要模擬上游5個水位高程2 163 m、2 171 m、2 179 m、2 182 m、2 184 m及閘門5個開度0.1、0.2、0.3、0.5、0.8的試驗狀態(tài)。

2.1 閘門、門槽原型

閘門采用平面焊接鋼閘門，滑動支承，門葉為焊接結(jié)構(gòu)，門葉鋼材材料主要為Q355B，支承跨度14.2 m，封水尺寸為13.1 m×14.6 m(寬×高),最終擋水水頭為98 m。門槽型式采用Ⅱ型，主軌的軌頭面為貼焊不銹鋼，材料為2Cr13，水封座面材料為 12Cr18Ni9，其余埋件和鋼襯均為鋼板和型鋼的組合焊接件，鋼板材料均為 Q355B，型鋼的料均為Q235B。

閘門由固定卷揚(yáng)機(jī)啟閉，啟閉機(jī)安裝平臺高程為2 201.50 m，固定卷揚(yáng)式啟門動力為2×10 000 kN，揚(yáng)程22 m，吊點距9.59 m，起升速度1.5 m/min。

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

水力試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計，模型用1∶25有機(jī)玻璃制作，模擬導(dǎo)流洞進(jìn)口及閘門后約300m洞身段；建立水池模擬電站水庫，水池內(nèi)配備可上下移動的平水柵，用進(jìn)水閥門的開度來調(diào)節(jié)控制穩(wěn)定水池中的水位，在導(dǎo)流洞末端設(shè)置阻力調(diào)節(jié)閥板，通過按設(shè)計流量值來調(diào)節(jié)阻力閥板，以滿足洞內(nèi)初始泄流流量的相似。

閘門模型按幾何比尺為Lr=25制作“全水彈性相似模型”；材料比重與原型結(jié)構(gòu)相同，對于鋼閘門(ρm=7.8 t/m3)；材料泊松比、阻尼比與原型一致；選擇合適長度與截面的鋼絲繩，使封堵閘門模型吊耳與啟閉機(jī)連接的鋼絲繩剛度K=EA/L按原型閘門啟閉鋼絲繩的剛度縮小Lr2倍；閘門在閘門下游面板側(cè)設(shè)置4個滑輪，在閘門兩側(cè)各設(shè)置 2個導(dǎo)向輪。

2.3 閘門門槽段水力特性試驗

2.3.1 閘門門槽段動水壓強(qiáng)

在閘門門槽段底板、側(cè)邊墻及洞頂共布置24個壓強(qiáng)測點(圖1)，測量導(dǎo)流洞正常泄水工況及閘門動水關(guān)閉過程，門槽段各測點動水壓強(qiáng)值，重點分析門槽空化現(xiàn)象。D1～D9測點在門槽段底板中心線上，M1～M9測點在側(cè)邊墻上，U1～U6測點在導(dǎo)流洞中心線上。

圖1 壓強(qiáng)測點布置圖(單位：mm)

當(dāng)上游水位為2 163 m、2 171 m、2 179.2 m、2 182 m、2 184 m，閘門開度為0.1、0.2、0.3、0.5、0.8時，閘門門槽測點平均壓強(qiáng)主要隨上游水位的升高而增大，閘門門槽段及下游部位測點平均壓強(qiáng)及脈動壓強(qiáng)受閘門開度影響，各測點平均壓強(qiáng)均為正壓。當(dāng)上游水位在 2 184 m，閘門開度為 0.1時，實測壓強(qiáng)為280.18 kPa(D2測點位)。

閘門門槽段水流受門槽體型及閘門局部開啟的影響，水流紊動相對劇烈，脈動壓力平均方根值相對較大。當(dāng)脈動壓力平均方根最大值出現(xiàn)在上游水位 2 184 m，閘門開度為 0.5時，實測壓強(qiáng)為 12.77 kPa(M4測點位)。

在不同試驗工況下，導(dǎo)流洞門槽各測點脈動壓力的主頻主要集中在 2.0 Hz 以下的低頻部分，屬于低頻窄帶譜型。

2.3.2 閘門門槽段的水流空化數(shù)

水流高速流過門槽時，由于邊界突變在門槽內(nèi)形成旋渦，且擴(kuò)散射流歸槽時流線發(fā)生彎曲，會引起門槽區(qū)水流壓力的急劇變化，產(chǎn)生負(fù)壓并導(dǎo)致水流空化現(xiàn)象。鑒于此，通常用水流空化數(shù)σ和門槽初生空化數(shù)σi進(jìn)行比較來判斷水流是否發(fā)生空化，判別條件如下：

σ≤σi

當(dāng)門槽水流空化數(shù)小于初生空化數(shù)時，就認(rèn)為水流會發(fā)生空化。在不考慮脈動壓強(qiáng)影響的條件下，水流空化數(shù)用公式表示：

(1)

式中P為門槽區(qū)域某部位時均壓強(qiáng)(kPa)；Pa為大氣壓強(qiáng)(kPa)；Pv為汽化壓強(qiáng)(kPa)，其值與水溫有關(guān)，水溫 20 ℃時Pv= 2.29 kPa；V為某過流部位斷面的平均流速。

矩形方角門槽初生空化數(shù)的經(jīng)驗公式為：

σi= 0.38(W/D)

式中W/D為門槽的寬深比。

該導(dǎo)流洞閘門門槽W/D=1.8，其初生空化數(shù)σi= 0.684 。

試驗顯示，在不同水位及封堵閘門不同開度組合下，閘門門槽各測點水流空化數(shù)均大于矩形方角門槽初生空化數(shù) 0.684，因此，可以判斷在不同運(yùn)行工況下，該導(dǎo)流洞閘門門槽水流不會發(fā)生空化。

2.4 閘門動靜特性有限元分析

試驗采用試驗?zāi)B(tài)分析和有限元動力計算兩種方法，驗證有限元計算的可靠性。試驗三維有限元計算模型模擬了面板、縱梁、橫梁、吊耳以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、鋼絲繩等各個構(gòu)件。模型節(jié)點總數(shù)為482 335個，單元總數(shù)為489 500個。

2.4.1 有限元模態(tài)分析

封堵閘門前8階三維有限元干模態(tài)頻率值(表1)。根據(jù)計算，封堵閘門前三階自振頻率分別為 21.621 Hz、24.242 Hz、25.954 Hz，均為吊耳結(jié)構(gòu)的局部振型；封堵閘門第四階自振頻率為32.244 Hz，對應(yīng)的振型為整體扭轉(zhuǎn)振型；第七階自振頻率為 34.473Hz，對應(yīng)的振型為整體順?biāo)飨蛘裥汀?/p>

表1 閘門三維有限元干模態(tài)頻率值

2.4.2 試驗?zāi)B(tài)分析

試驗采用單點激勵多點測量的方法進(jìn)行，將閘門“全水彈性模型”劃成30個節(jié)點，共計90個自由度。試驗時，將其中一節(jié)點作為激勵點，對每個移動響應(yīng)測點對激勵點進(jìn)行4次激勵，每個測點進(jìn)行橫向、豎向、順?biāo)较驕y量。

試驗測得封堵閘門前2階主模態(tài)頻率值和振型階數(shù)(表2)，閘門前2階自振頻率分別為31.26 Hz和36.52 Hz，對應(yīng)的振型均為順?biāo)飨蛘裥?。全水彈性相似模型與有限元法計算的干模態(tài)前階頻率值和振型基本吻合，表明有限元模型具有足夠精度。

表2 封堵閘門試驗主模態(tài)頻率值及振型階數(shù)

2.4.3 靜力特性分析

有限元模型計算得出，閘門整體應(yīng)力水平98 m水頭工況大于27 m水頭工況，吊耳局部應(yīng)力27 m水頭工況大于98 m水頭工況，主要應(yīng)力兩工況各部位均在容許應(yīng)力范圍內(nèi)。變形結(jié)果98 m水頭工況大于27 m水頭工況，兩種工況下封堵閘門 X、Y、Z 三個方向的最大變形分別為4.695 mm、-6.952 mm、-18.274 mm，98 m水頭工況閘門門葉結(jié)構(gòu)受彎產(chǎn)生的最大撓度與跨度之比為 1/758，滿足規(guī)范規(guī)定的小于 1/750 容許撓度要求。

2.5 閘門流激振動試驗

閘門流激振動試驗分別測試上游水庫數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)水位高程分別為2 163 m、2 171 m、2 179.2 m、2 182 m 和 2 184 m，閘門開度0.1、0.2、0.3、0.5、0.8 時，在組合試驗工況下能準(zhǔn)確測出閘門代表性點位的動應(yīng)力、振動加速度及振動位移響應(yīng)的譜型。

2.5.1 閘門的動應(yīng)力

試驗共布置16個測點在各節(jié)門葉的主橫梁翼緣板、主縱梁翼緣板上。試驗結(jié)果反映在相同運(yùn)行工況下，閘門動應(yīng)力平均方根較大值主要出現(xiàn)在靠近閘門底緣部位測點。當(dāng)閘門開度一定時，相同測點的動應(yīng)力平均方根值隨上游水位的升高有增大的趨勢。本工程所采用閘門鋼板其局部振動的按規(guī)范允許動應(yīng)力值不大于20 MPa，實測閘門各測點動應(yīng)力平均方根值均在較小值范圍內(nèi)，大部分測點的動應(yīng)力平均方根值不超過1.50 MPa；

當(dāng)上游水位為2 184 m，閘門開度為 0.3 時，門槽各測點動應(yīng)力平均方根值最大為 2.66 MPa，動應(yīng)力都在此容許范圍內(nèi)，且閘門門體動應(yīng)力的主頻在4.0 Hz 以下，屬低頻窄帶譜型。閘門開度0.3時門槽各測點動應(yīng)力平均方根值見表3。

表3 閘門開度0.3時門槽各測點動應(yīng)力平均方根值 /kPa

2.5.2 閘門振動加速度及在振動位移響應(yīng)

試驗共布置6個測點在模型頂橫梁翼、底緣模梁位置，測量閘門結(jié)構(gòu)豎向、順?biāo)飨蚣皞?cè)向的加速度響應(yīng)。試驗結(jié)果表明，在不同運(yùn)行工況下，閘門底緣部位測點的振動值略大于其門頂部位的測點。閘門各測點振動加速度及振動位移平均方根值均在較小值范圍內(nèi)，當(dāng)實測閘門各測點振動加速度平均方根最大值出現(xiàn)在上游水位 2 184 m、閘門開度0.5時，實測數(shù)據(jù)為181 mm/s2。

在閘門局開運(yùn)行工況下，當(dāng)振動位移平均方根最大值出現(xiàn)在為上游水位 2 184 m，閘門開度 0.3時，實測數(shù)據(jù)為103.6 μm，屬微小振動；從閘門門體各測點動位移功率譜分析結(jié)果可知，閘門門體動應(yīng)力的主頻基本在 1.0 Hz 以下，屬于低頻窄帶譜型。

3 結(jié) 語

研究結(jié)果表明：支承跨度達(dá)14.2m的超大型平面焊接鋼閘門在動水局開(最大開度0.8 m)時，撓度、動應(yīng)力、振動均在規(guī)范要求范圍內(nèi)；Ⅱ型門槽各工況、各測點的水流空化數(shù)均大于矩形方角門槽初生空化數(shù)0.684，平板閘門動水局開運(yùn)行時門槽不會發(fā)生空化現(xiàn)象；同時也表明超大型平面焊接鋼閘門動水啟閉局開控泄可行。

鑒于金川水電站導(dǎo)流洞封堵閘門尺寸較大，以及它在運(yùn)行中不可避免地有紊動水流，原型振動觀測十分必要，觀測不僅能指導(dǎo)安全運(yùn)行，也能檢驗試驗成果，在閘門實際運(yùn)行時須進(jìn)行閘門振動觀測，避開振動較大開度，為閘門安全運(yùn)行提供可靠保障。