三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔閘門泄流振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

，，，，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

三峽水利樞紐的溢流壩段設(shè)有22個(gè)導(dǎo)流底孔，擔(dān)負(fù)三期施工導(dǎo)流和汛期泄洪任務(wù)，導(dǎo)流底孔采用有壓長(zhǎng)管方案，大部分底孔出口底板高程為55.5 m，正常設(shè)計(jì)水位135.0 m，設(shè)計(jì)水頭79.5 m。工作閘門為弧形閘門。閘門寬6.0 m，高8.5 m，支臂長(zhǎng)16.4 m，半徑18.0 m。支鉸高程69.0 m。由于孔底位置較低，汛期閘門往往處于淹沒狀態(tài)。在淹沒狀態(tài)下開門泄洪或在動(dòng)水中關(guān)閉閘門時(shí)，門后將出現(xiàn)不同程度的水躍翻滾沖擊閘門的現(xiàn)象，可能誘發(fā)閘門較大振動(dòng)，影響支臂動(dòng)力穩(wěn)定和閘門的安全運(yùn)行，因此，有必要對(duì)導(dǎo)流底孔閘門進(jìn)行動(dòng)力安全監(jiān)測(cè)。

1 閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

1.1 閘門試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析原理

閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，原理如下。

導(dǎo)流底孔弧形閘門是典型的三維結(jié)構(gòu)，它有許多頻率和振型都可能被水流激發(fā)而參與振動(dòng)，因此需要掌握閘門多階頻率和振型。進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的有效方法之一。根據(jù)模態(tài)分析理論，傳遞函數(shù)與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系可表示為

式中：{φi}為第i階模態(tài)振型；Ki，Ci，mi分別為第i階模態(tài)的剛度、阻尼和質(zhì)量；ω為圓頻率；J為虛數(shù)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)模態(tài)間的相互耦合可以忽略時(shí)，則傳遞函數(shù)矩陣[H]中的任一行或一列都包含了結(jié)構(gòu)的全部模態(tài)參數(shù)，而多點(diǎn)激振單點(diǎn)響應(yīng)或單點(diǎn)激振多點(diǎn)響應(yīng)觀測(cè)分別能得到傳遞函數(shù)[H]中的一行或一列。響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)需恰當(dāng)選擇，否則會(huì)遺漏某些模態(tài)。本次采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)響應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法進(jìn)行了閘門動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)，在閘門結(jié)構(gòu)上共布置43個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)考慮3個(gè)測(cè)試方向，以便獲取閘門的三維模態(tài)。傳遞函數(shù)測(cè)量精度由激勵(lì)信號(hào)X(t)和響應(yīng)信號(hào)Y(t)的相干函數(shù) (f)來檢驗(yàn)，即

式中:Gxy(f)為X(t)和Y(t)的互功率譜;Gxx(f)和Gyy(f)分別為X(t)和Y(t)的自功率譜。相干函數(shù)在0～1之間取值，它表明響應(yīng)信號(hào)對(duì)激勵(lì)的依賴程度。若在某些頻率上，相干函數(shù)值為零，說明這些頻率上的響應(yīng)與激勵(lì)無關(guān)；若取值接近1，說明這些頻率上的響應(yīng)都由激勵(lì)所激發(fā)，傳遞函數(shù)精度高。

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)每一次激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)均進(jìn)行了相干函數(shù)分析，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的相干函數(shù)值在0.95以上時(shí)，激勵(lì)和響應(yīng)數(shù)據(jù)予以保存，否則重新測(cè)量激勵(lì)和響應(yīng)，直到獲得滿意結(jié)果。每個(gè)測(cè)點(diǎn)需獲取3組激勵(lì)信號(hào)和相應(yīng)響應(yīng)信號(hào)，其相干函數(shù)值在0.95以上。

1.2 閘門試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析成果

底孔閘門的原型動(dòng)力特性試驗(yàn)成果見表1,從表中的數(shù)據(jù)可知，干門和濕門各階自振頻率相應(yīng)的阻尼比非常接近。干門和濕門第一振型的阻尼比都比較大，該閘門的水彈性模型第一振型的阻尼比也是10.18%。這種巧合反映了該閘門的一種特性。濕門的第一頻率與干門的相差無幾，濕門的阻尼比僅比干門的稍大一點(diǎn)，其原因在于，閘門第一振型是側(cè)向擺振，振動(dòng)位移與上游水體相切，水體對(duì)該振動(dòng)頻率不產(chǎn)生影響，水只對(duì)徑向振動(dòng)頻率有影響，但濕門的側(cè)止水因水壓對(duì)閘門側(cè)向振動(dòng)的阻滯作用增加，使其阻尼比有所增大。濕門的第三頻率比干門的大一些,但與水彈性模型試驗(yàn)值相近,其它各階頻率三者都比較接近[1-2]。

表1 閘門動(dòng)力特性參數(shù)

圖1 閘門振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

由表1可知，閘門的動(dòng)力特性原型實(shí)測(cè)值、模型實(shí)測(cè)值比較接近,達(dá)到了相互驗(yàn)證，較好地反映了閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,表明所采用的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)是成功的。

2 閘門泄流振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果及分析

2.1 閘門振動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

閘門泄流振動(dòng)監(jiān)測(cè)包括閘門脈動(dòng)壓力、振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移、動(dòng)靜應(yīng)力、啟門力等。

為較全面地掌握作用在閘門上的動(dòng)水荷載，探求振源特性，在閘門上共布置了12支脈動(dòng)壓力計(jì)。其中，門葉上游面5支，門葉下游面3支，下支臂4支。為掌握閘門的流激振動(dòng)響應(yīng)，在該閘門上分別布置了12支應(yīng)變計(jì)和6支加速度計(jì)。該閘門支臂較長(zhǎng)，相對(duì)比較單薄，應(yīng)力監(jiān)測(cè)以支臂為重點(diǎn)。其中，有9支應(yīng)變計(jì)布置在閘門支臂上，用以監(jiān)測(cè)支臂側(cè)向和切向彎曲應(yīng)力；1支應(yīng)變計(jì)布置在閘門啟閉桿下端軸向，監(jiān)測(cè)閘門的啟門力；其余2支應(yīng)變計(jì)分別布置在門葉主縱梁上，監(jiān)測(cè)主縱梁的應(yīng)力狀態(tài)。2支加速度計(jì)分別布置在支臂中部切向和側(cè)向；3支加速度計(jì)按切向、徑向、側(cè)向分別布置在門葉下部主梁上；1支布置在門葉中部對(duì)接板的門葉側(cè)向。門葉側(cè)向布置2支加速度計(jì)，主要用以判別閘門是否出現(xiàn)扭振。各傳感器的位置示于測(cè)點(diǎn)布置圖1。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)組成：監(jiān)測(cè)儀器有3個(gè)系統(tǒng)，其中振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由CA-YD-127型加速度計(jì)、CA-YD-109型加速度計(jì)、特制防水型低噪聲電纜和YE5858型電荷放大器及INV306D(F)型智能信號(hào)采集分析儀等組成。脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由CYG1102脈動(dòng)壓力計(jì)、特制防水型電纜和YE5853型電荷放大器及INV306D(F)智能信號(hào)采集分析儀等組成。動(dòng)靜應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由直型防水應(yīng)變計(jì)、特制防水型電纜和YD-28型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及INV306D(F)型智能信號(hào)采集分析儀等組成。

2.3 振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)成果及分析

在上游水位為135.0 m，下游水位為71.48 m的條件下，進(jìn)行了開關(guān)門過程閘門泄流振動(dòng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，連續(xù)啟閉閘門的全過程中，閘門未出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，僅在0.30開度以下閘門振動(dòng)加速度較大。在關(guān)門全過程中，實(shí)測(cè)閘門門葉下部徑向ZD04XH11測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度最大值為8.576 m/s2，呈現(xiàn)迫振現(xiàn)象，如圖2所示?？梢?振動(dòng)加速度的高頻成分能量很大，長(zhǎng)期如此振動(dòng)對(duì)閘門是有害的，其他開度無此現(xiàn)象。該閘門的水彈性模型在相近水位條件下在關(guān)門過程中測(cè)得該處的最大振動(dòng)加速度為8.1 m/s2,出現(xiàn)在0.5開度。二者得到了相互驗(yàn)證， 閘門支臂中部切向的最大振動(dòng)位移值為0.186 mm。

圖2 關(guān)門過程ZD04XH11測(cè)點(diǎn)典型振動(dòng)加速度時(shí)域波形

在開門全過程中，實(shí)測(cè)的閘門振動(dòng)加速度最大值為6.046 m/s2，相應(yīng)工況均方根值為1.308 m/s2，出現(xiàn)在門葉下部徑向；振動(dòng)位移最大值為0.176 mm，出現(xiàn)在支臂中部側(cè)向。支臂中部切向ZD01XH11測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的主振頻率為6.73,13.17,27.52,38.35,51.81,56.79 Hz,其中13.17 Hz為閘門繞支鉸切向振動(dòng)頻率。支臂中部側(cè)向ZD02XH11測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度主要振動(dòng)頻率為5.27,13.47,47.72,79.33 Hz，其中5.27 Hz接近閘門側(cè)向擺動(dòng)頻率，13.47 Hz是繞支鉸切向振動(dòng)頻率。門葉下部徑向ZD04XH11測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度主要振動(dòng)頻率為4.68,32.79,83.14,133.49 Hz。門葉中部側(cè)向ZD06XH11測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度主要振動(dòng)頻率為9.37,15.23,34.28,39.26,54.79,58.01,73.25,79.11,81.45,135.95 Hz，其中15.23 Hz接近支臂側(cè)反對(duì)稱彎曲振動(dòng)頻率。從上述可見，閘門各部位振動(dòng)加速度的頻率成分十分豐富，說明閘門的流激振動(dòng)是隨機(jī)振動(dòng)，沒有出現(xiàn)類共振跡象。

在上述水位條件下，閘門全開泄流時(shí)，實(shí)測(cè)的振動(dòng)加速度最大值為0.99 m/s2，均方根值為0.177 m/s2，振動(dòng)位移最大值為0.027 mm，表明閘門振動(dòng)微弱。

綜上所述，在上游水位為135.0 m,下游水位71.48 m條件下，閘門關(guān)門過程比開門過程中實(shí)測(cè)的加速度值略大，0.3開度以下實(shí)測(cè)的加速度幅值比0.3開度以上的加速度幅值略大。在0.3開度以下，閘門下游處于完全或局部被淹沒狀態(tài)，不僅受到上游面脈動(dòng)壓力作用，還受到下游水躍和紊動(dòng)水流作用，振動(dòng)相對(duì)較大是合理的。在該開度區(qū)間上，實(shí)測(cè)的閘門振動(dòng)加速度最大值都不超過8.576 m/s2，振動(dòng)位移最大值不超過0.186 mm。按照USA阿肯色關(guān)于閘門振動(dòng)危害程度的判別標(biāo)準(zhǔn)[3]，泄11#導(dǎo)流底孔閘門屬于微小振動(dòng)。

2.4 脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)成果及分析

在下游水位為71.48 m，上游水位為135 m條件下，進(jìn)行關(guān)門與開門過程(非恒定流)脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)。脈動(dòng)壓力點(diǎn)典型的時(shí)域波形與功率譜圖見圖3。

圖3 關(guān)門過程中MY06XH11測(cè)點(diǎn)典型的脈動(dòng)壓力時(shí)域波形

從監(jiān)測(cè)成果可知，門葉中部、門葉中下部的脈動(dòng)壓力幅值均小于門葉底緣的脈動(dòng)壓力幅值，0.3開度以下時(shí)，門葉下游面測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力幅值較大，下游面底緣測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力最大，這是門后水躍沖擊閘門引起的。門葉上游面底緣測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力幅值有的隨開度增大而增大，有的變化不明顯。

開門過程中，在0～0.3開度時(shí)，門葉底緣測(cè)點(diǎn)(包括門葉正面和門葉背面)脈動(dòng)壓力幅值較大，實(shí)測(cè)到的脈動(dòng)壓力最大幅值為331.60 kPa，均方根值為73.87 kPa；關(guān)門過程中，在0～0.3開度時(shí)，實(shí)測(cè)脈動(dòng)壓力最大幅值為472.40 kPa，屬水躍沖擊引起,均方根值為86.49 kPa；均出現(xiàn)在門葉下游底緣MY06XH11測(cè)點(diǎn)上。這表明在開門與關(guān)門過程中，當(dāng)下游水躍沖擊閘門時(shí)，作用在閘門上的脈動(dòng)壓力幅值較大。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：大多數(shù)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力以低頻為主，有些測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力高頻成份比較突出，一般來說10.0 Hz以下的脈動(dòng)壓力分量較大，10.0 Hz以上的脈動(dòng)壓力分量較小。在0.3開度以下，閘門底緣上的脈動(dòng)壓力幅值較大，弧門底緣的壓力變幅較大。門葉中上部和中下部脈動(dòng)壓力幅值較小，均小于門葉底緣脈動(dòng)壓力幅值。

2.5 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果及分析

底孔閘門開啟導(dǎo)流,啟門力測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為S12XH11)布置在閘門啟閉桿下端，通過測(cè)取啟閉桿的應(yīng)變來獲得閘門啟門力。當(dāng)啟門開始后，測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變瞬間(約0.6～0.7 s)達(dá)到最大值45.50×10-6。啟門力按F=AEε計(jì)算，其中啟閉桿截面積A約為2 100 cm2，鋼彈模E為2.1×106kg/cm2，則所得啟門力約為200.7 t。

在閘門開啟前，設(shè)置了各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變零點(diǎn)，在開門過程中隨閘門開度增大，作用在閘門面板上的水壓力減小，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變逐步釋放出來，記錄幅值逐步增大，開門接近全開時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值陸續(xù)達(dá)到最大。上游水位為135.0 m,下游水位為71.48 m，開門過程中測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)間歷程見圖4。

圖4 開門過程測(cè)點(diǎn)S02XH11靜應(yīng)變時(shí)間歷程曲線

開門過程和關(guān)門過程中，各測(cè)點(diǎn)靜應(yīng)變最大值接近。在下游水位為71.48 m，支臂上靠近門葉的2個(gè)測(cè)點(diǎn)S01XH11和S02XH11的靜應(yīng)變測(cè)值較其它測(cè)點(diǎn)大，實(shí)測(cè)值分別767.9×10-6和743.1×10-6，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為161.3 MPa和156.1 MPa，在設(shè)計(jì)允許用初范圍之內(nèi)[4]。門葉主橫梁在開門和關(guān)門過程中，實(shí)測(cè)靜應(yīng)變最大值在439.4×10-6～489.3×10-6之間，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為92.3～102.8 MPa。

在開門和關(guān)門過程中，各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變的幅值都小于15×10-6，動(dòng)應(yīng)力小于3.51 MPa。該閘門水彈性模型在下游水位72.7 m條件下,關(guān)門過程的最大動(dòng)應(yīng)力為9.66 MPa,開門過程為9.24 MPa,出現(xiàn)在0.5開度，試驗(yàn)值比觀測(cè)值大,可能與模型試驗(yàn)的下游水位高有關(guān),也與測(cè)點(diǎn)在下支臂有關(guān)。

3 結(jié)論與建議

(1) 閘門的動(dòng)力特性原型實(shí)測(cè)值、水彈性模型試驗(yàn)值比較接近,達(dá)到了相互驗(yàn)證，較好地反映了閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

(2) 閘門在0.3開度以下實(shí)測(cè)閘門門頁(yè)下部徑向振動(dòng)加速度最大值為8.576 m/s2，均方根值為1.741 m/s2,雖然加速度較大,但振動(dòng)位移很小,最大值只有0.065 mm。實(shí)測(cè)閘門支臂中部切向振動(dòng)位移最大值為0.186 mm，按照USA阿肯色關(guān)于閘門危害程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)流底孔閘門振動(dòng)屬于微小危害程度。

(3) 各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力最大值小于3.60 MPa，閘門的強(qiáng)度主要由靜應(yīng)力控制。靜應(yīng)力最大值為161.3 MPa，動(dòng)靜應(yīng)力之和不超過165 MPa,在設(shè)計(jì)允許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，并有一定安全裕度。

(4) 閘門在淹沒出流流態(tài)條件下，由于下游水躍和強(qiáng)紊動(dòng)水流的作用，最大脈動(dòng)壓力出現(xiàn)在閘門底緣附近，向上顯著減小。實(shí)測(cè)門葉底緣的脈動(dòng)壓力最大幅值為472.40 kPa，均方根值為86.49 kPa。雖然門葉上的脈動(dòng)壓力較大,但作用方向主要為徑向，且優(yōu)勢(shì)頻率在10.0 Hz以下，因此并未引起閘門大的振動(dòng)。

(5) 鑒于國(guó)內(nèi)類似水電站弧形工作閘門避免小開度運(yùn)行工況的經(jīng)驗(yàn)，建議三峽水利樞紐泄洪壩段底孔閘門應(yīng)盡量避免在小開度工況下運(yùn)行，防止閘門產(chǎn)生有害振動(dòng)。

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