傅潤興

（建甌市紅湖水電有限公司，福建 南平 353000）

紅湖水電站位于福建省建甌市徐墩鎮(zhèn)村尾村附近的建溪支流南浦溪上，是一個(gè)以發(fā)電為主，兼有灌溉、航運(yùn)等綜合效益的水電站。壩址以上流域面積4012km2，多年平均流量128m3/s，多年平均年徑流量40.4億m3。水庫正常蓄水位119m，校核洪水位125.93m，總庫容2200萬m3,為日調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量16MW，保證出力2.14MW，年利用小時(shí)3560h,多年平均發(fā)電量0.5695億KW.h，紅湖水電站工程樞紐主要由溢流壩、發(fā)電廠房、兩岸擋水壩等組成。泄洪閘為6扇弧形閘門組成。工程等級為Ⅲ等工程，溢流壩、發(fā)電廠房、兩岸擋水壩等主要建筑按3級建筑物設(shè)計(jì)。擋水壩、溢流壩、廠房等防洪重新批復(fù)降為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核；廠房下游側(cè)防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。

1 概述

對于水利工程項(xiàng)目而言，弧形鋼閘門起到了樞紐作用，所以弧形鋼閘門的安全性是極其重要的，所以廣大學(xué)者們對于弧形鋼閘門振動(dòng)問題一直較為重視。閘門具有非常多的種類，而弧形鋼閘門因?yàn)槠湓趩㈤]的過程當(dāng)中不會(huì)對于水流的流態(tài)產(chǎn)生較大影響，所以過水條件也比較好，因此在我們國家的各水電工程項(xiàng)目當(dāng)中，對于鋼閘門的應(yīng)用也是越來越廣泛。閘門在開啟的過程中，因?yàn)槭艿剿髅}動(dòng)壓力作用影響而產(chǎn)生振動(dòng)，如果振動(dòng)較為劇烈，甚至?xí)ㄖ锂a(chǎn)生破壞。而導(dǎo)致閘門出現(xiàn)振動(dòng)的原因也是較為多樣化的，主要受到內(nèi)部因素以及外部因素的共同作用影響，例如閘門的結(jié)構(gòu)剛度、自振頻率還有脈動(dòng)水流作用等因素的影響。而當(dāng)前在研究閘門其動(dòng)力特性的過程中，所采用的主要方法有模型試驗(yàn)法、原型觀測、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬法。在上述方法中，原型觀測只能用于已建閘門的研究。而模型試驗(yàn)方法不僅需要的時(shí)間長、成本高，而且所得的試驗(yàn)結(jié)果也不是很準(zhǔn)確。如果采用數(shù)值模擬法來模擬水流作用所導(dǎo)致的閘門振動(dòng)流固耦合現(xiàn)象，但是由于這一方法的要求較高，利用當(dāng)前的技術(shù)條件是很難滿足要求的。模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，是通過把模型試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成施加到閘門數(shù)值模型節(jié)點(diǎn)上的荷載，然后來對閘門振動(dòng)情況進(jìn)行響應(yīng)，如此一來，不但能夠有效節(jié)約時(shí)間，還能夠提升模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 弧形鋼閘門振動(dòng)分析

2.1 結(jié)構(gòu)固有特性

對于鋼閘門的振動(dòng)而言，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)其各轉(zhuǎn)動(dòng)部位和支臂之間的摩擦性能、弧形鋼閘門的質(zhì)量、上下游水位差和水動(dòng)力荷載以及支臂結(jié)構(gòu)的剛度等都能夠起到消除振動(dòng)的目的。紅湖電站的弧形閘門由于運(yùn)行時(shí)間長，保養(yǎng)不到位，鉸支座于支腿連接桿銹死，運(yùn)行時(shí)造成兩邊支臂負(fù)荷不一致，發(fā)出異響和振動(dòng)。因此在進(jìn)行現(xiàn)場巡檢的時(shí)候，主要的觀測內(nèi)容有啟閉力、頻率、靜動(dòng)力應(yīng)力、振動(dòng)幅度、阻尼系數(shù)、位移等等，而這些內(nèi)容主要受到結(jié)構(gòu)形式、閘門材料還有結(jié)構(gòu)的連接影響。對于弧形鋼閘門而言，其發(fā)生振動(dòng)的頻率和支臂其結(jié)構(gòu)形式有著非常大的關(guān)系，通過進(jìn)行動(dòng)力模態(tài)分析，結(jié)果顯示，低階振動(dòng)頻率的變化主要受到支臂橫向慣性矩的影響，基頻也可以繞過流動(dòng)荷載高能共振響應(yīng)；在進(jìn)行弧形閘門面板的結(jié)合前，需要對閘門結(jié)構(gòu)低階頻率進(jìn)行橫向控制，已實(shí)現(xiàn)振動(dòng)效應(yīng)的控制。

2.2 工作狀態(tài)分析

紅湖電站3#、4#、5#弧形鋼閘門在壩前水頭達(dá)到119.0m以上的時(shí)候，閘門開啟比較困難，開度到達(dá)70%左右振動(dòng)最大，此時(shí)閘門就會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，情況嚴(yán)重甚至?xí)霈F(xiàn)共振或者失穩(wěn)的現(xiàn)象。當(dāng)閘門出現(xiàn)共振時(shí)，振幅劇烈，在門葉結(jié)構(gòu)當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)不正常應(yīng)力及應(yīng)變，導(dǎo)致閘門金屬構(gòu)建疲勞、變形、焊縫開裂、緊固件松動(dòng)，導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)受到破壞。經(jīng)分析弧形振動(dòng)過程中，其復(fù)雜程度和工作狀態(tài)有著非常緊密的聯(lián)系，通過觀察發(fā)現(xiàn)，閘門在進(jìn)行開啟的時(shí)候所產(chǎn)生的振動(dòng)要強(qiáng)于關(guān)閉過程。在動(dòng)力條件下進(jìn)行測試閘門在開啟和關(guān)閉還有局部開啟過程中的工作性態(tài)，其中所涉及的相關(guān)參數(shù)主要有阻尼比、固有頻率還有結(jié)構(gòu)振型。在采用有限元?jiǎng)恿Ψ治鰰r(shí)發(fā)現(xiàn)，如果弧形閘門自振頻率小于三階，那么所得的模擬效果則比較優(yōu)，但是當(dāng)自振頻率高于三階時(shí)，那么所得的模擬結(jié)果和實(shí)際情況之間就會(huì)存在較大的差距，沒有辦法有效反映振動(dòng)的規(guī)律。通過分析現(xiàn)場檢測資料結(jié)果顯示，當(dāng)開啟弧形鋼閘門時(shí)，當(dāng)并開度處于60%～80%之間時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)最為強(qiáng)烈，此時(shí)支臂側(cè)向所承受的彎矩作用力也最大。所以，在實(shí)際工作當(dāng)中，要盡量縮減鋼閘門在60%～80%開度范圍的工作時(shí)長。

2.3 水動(dòng)力問題

紅湖水電站上游大約5km處為黃塘甲電站，由于兩電站距離較近，黃塘甲電站泄洪或者較大負(fù)荷變化的水流很快就會(huì)反映到紅湖電站上游閘門處，當(dāng)前，主要研究以復(fù)雜邊界條件與流固耦合相結(jié)合進(jìn)行弧形鋼閘門振動(dòng)問題的研究分析。水流場隨機(jī)荷載是引起弧形閘門振動(dòng)或?qū)е缕涔舱竦闹匾蛩亍；⌒武撻l門在水流場振動(dòng)時(shí)，流體的彈性力、慣性力與阻尼力通過相互影響單元作用至結(jié)構(gòu)上，使得弧形鋼閘門系統(tǒng)的剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)性質(zhì)發(fā)生變化。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，紅湖水電站弧形鋼閘門在日常運(yùn)行中開啟高度、過閘水位、閘頂流態(tài)影響其振動(dòng)振幅、振動(dòng)頻率、位移、方向、加速度等參量變化規(guī)律。

流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，脈動(dòng)壓力約為總體水頭的3%；若存在空穴、氣囊及水躍回蕩等不穩(wěn)定流態(tài)時(shí)，脈動(dòng)壓力將呈現(xiàn)更為復(fù)雜的演化規(guī)律，此時(shí)水動(dòng)力荷載比穩(wěn)定流在量級上將出現(xiàn)顯著差異，所產(chǎn)生的巨大激振力作用于弧形閘門，誘發(fā)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的振動(dòng)效應(yīng)。如何能有效降低或消除水流激勵(lì)力與脈動(dòng)高能區(qū)對閘門啟閉影響是一項(xiàng)閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重要內(nèi)容。

3 閘門機(jī)械營運(yùn)管理

3.1 設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)分析

當(dāng)前在弧形鋼閘門的啟閉過程中，所采用的機(jī)械主要有兩種，分別是液壓式和卷揚(yáng)式，卷揚(yáng)式閘門在處于全關(guān)或者是全開的狀態(tài)下，是沒有辦法進(jìn)行智能化操作的，而液壓式則是固定在閘門門槽結(jié)構(gòu)當(dāng)中，能夠按照實(shí)際情況來實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

3.2 設(shè)備系統(tǒng)管理

（1）日常維護(hù)。應(yīng)按照河道的實(shí)際運(yùn)營現(xiàn)狀，在進(jìn)行維護(hù)檢修的過程中，應(yīng)當(dāng)注意是否有漂浮物將閘門前后的空隙給堵塞，在閘門還有閘墩的表面是否存在著吸附物、腐蝕破壞物質(zhì)還有藻類等。所以在日常維護(hù)過程中，需要加強(qiáng)對于制動(dòng)設(shè)備、開關(guān)、啟閉空間還有供電設(shè)備的維護(hù)。（2）定期核查與維修。對于啟閉機(jī)械，閘門的傳動(dòng)裝置、啟閉機(jī)還有工作空間的工作狀態(tài)是否正常是非常重要的。查看閘門其齒輪變速器是否存在裂縫或者斷齒等情況，還有卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩是否存在著生銹、斷絲、老化以及干燥少油的情況，如果存在上述問題，就需要及時(shí)進(jìn)行維修或者是更換，以避免出現(xiàn)突發(fā)情況而對于閘門的啟閉產(chǎn)生影響。所以，必須加強(qiáng)對于弧形鋼閘門的定期維修檢查。（3）除銹與防腐?；⌒武撻l門其外部面板因?yàn)殚L時(shí)間裸露在外部，所以閘門往往會(huì)存在著腐蝕掉漆的情況，而如果鋼閘門其重要位置出現(xiàn)銹蝕掉漆情況，可能會(huì)對閘門的工作性能產(chǎn)生影響。所以，在實(shí)際運(yùn)行過程中，需要依據(jù)河道水位的變化情況來定制相應(yīng)的閘門除銹計(jì)劃。（4）反饋與優(yōu)化。在進(jìn)行弧形鋼閘門的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，難免會(huì)出現(xiàn)摩擦，通過利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效調(diào)節(jié)閘門的工作狀態(tài)。為了更好的制造出弧形鋼閘門，在日常運(yùn)維中，應(yīng)當(dāng)收集整理閘門啟閉信息并和制造企業(yè)加強(qiáng)溝通反饋。

4 結(jié)語

對于弧形鋼閘門而言，閘前水流特性、環(huán)境邊界條件還有結(jié)構(gòu)自身形式這些方面都會(huì)對其振動(dòng)特性產(chǎn)生一定影響。而閘門相對水深、開啟角度還有結(jié)構(gòu)形式在一定程度上對于振動(dòng)加速度、自振頻率、振動(dòng)位移還有基頻都會(huì)產(chǎn)生影響，而所產(chǎn)生的影響規(guī)律則需要利用現(xiàn)場檢測資料還有數(shù)值模擬計(jì)算來進(jìn)行分析。