撒漁沱電站泄洪沖沙閘工作門振動(dòng)性分析及驗(yàn)證

鄧智勇

(中國水利水電第十工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川都江堰 611830)

撒漁沱電站泄洪沖沙閘工作門振動(dòng)性分析及驗(yàn)證

鄧智勇

(中國水利水電第十工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川都江堰 611830)

對撒漁沱電站泄洪沖沙閘工作門在閘門局部開啟工況下的振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移進(jìn)行了分析；在閘門運(yùn)行時(shí)，對閘門局部開啟工況下的振動(dòng)、渦流進(jìn)行了驗(yàn)證分析。該工作門在正常工況下局部開啟時(shí)有輕微振動(dòng)，但滿足鋼閘門的運(yùn)行要求。

撒漁沱電站；泄洪沖沙閘工作門；振動(dòng)性分析；驗(yàn)證

1 概述

水工閘門對于整個(gè)水工建筑物而言具有極為重要的作用。多數(shù)閘門在啟動(dòng)、關(guān)閉狀態(tài)下都會(huì)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)情況，在遇到振動(dòng)較大的情況時(shí)，將造成較大的不利影響，對閘門運(yùn)行、使用產(chǎn)生較大的破壞。為此，在設(shè)計(jì)鋼閘門時(shí)，應(yīng)充分考慮水流對局部開啟時(shí)振動(dòng)的影響。筆者對撒漁沱電站沖沙閘工作門不同情況進(jìn)行了振動(dòng)性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從目前運(yùn)行情況看，閘門局部開啟時(shí)運(yùn)行良好。

撒漁沱電站位于橫江干流上，采用河床式開發(fā)。泄洪沖沙閘緊靠主廠房右端，采用開敞式，共布置10孔平板鋼閘門，孔口尺寸為9 m×24．5 m。泄洪沖沙閘均采用表孔平面定輪閘門，孔口寬9 m，擋水高度為24 m，閘門高24．5 m。泄洪沖沙閘工作門門葉(從下至上)分為2．9、3．2、3．5、3．8、4．1、7六段。

2 閘門流激振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2．1 水彈性模型的設(shè)計(jì)與制作

該泄洪閘工作閘門采用平面滾動(dòng)鋼閘門，水封安裝在閘門上游面，具有動(dòng)水啟閉和泄洪排沙功能，根據(jù)來流量變化需作局部開啟運(yùn)行以調(diào)節(jié)流量，因此對閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中的振動(dòng)問題值得關(guān)注。從本質(zhì)上講，閘門流激振動(dòng)屬于水彈性振動(dòng)范疇。閘門結(jié)構(gòu)在動(dòng)水作用下的運(yùn)行應(yīng)符合如下動(dòng)力方程:

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，考慮到振動(dòng)試驗(yàn)一般在水介質(zhì)中進(jìn)行，因此，閘門的水彈性模型應(yīng)同時(shí)滿足幾何尺寸、質(zhì)量密度、阻尼、彈性模量、水流動(dòng)力等參數(shù)的相似性。根據(jù)相似原理，經(jīng)推導(dǎo)可得如下閘門結(jié)構(gòu)各參數(shù)的比尺要求。

幾何比尺:Lr

質(zhì)量密度比尺:Pr=1

彈性模量比尺:Er=Lr

泊松比比尺:μr=1

阻尼比尺Cr=Lr2．5或 ξr=1

該項(xiàng)試驗(yàn)采用門體質(zhì)量分布和剛度變態(tài)分布相似模型進(jìn)行振動(dòng)特性分析。

2．2 閘門振動(dòng)的加速度

閘門振動(dòng)研究的重點(diǎn)是考慮在正常設(shè)計(jì)工況閘門作局部開啟運(yùn)行條件下下的流激振動(dòng)情況。表1給出了泄洪沖沙閘工作門在上游水位高程412．4 m不同開度時(shí)門體振動(dòng)加速度均方根值。

數(shù)據(jù)顯示:閘門振動(dòng)量沿門高方向表現(xiàn)出自下而上逐漸遞減的趨勢，緊靠底緣的下節(jié)門葉振動(dòng)加速度最大，最大振動(dòng)加速度均方根值達(dá)1．1 m/s2。這是由于下泄水流在近底緣處流速增大、對閘門底緣的擾動(dòng)增加的緣故。門體中部的振動(dòng)量迅速下降，最大振動(dòng)加速度均方根值降為0．33 m/s2，為下節(jié)門葉的1/3左右；上部門葉的結(jié)構(gòu)振動(dòng)量進(jìn)一步下降，最大振動(dòng)加速度均方根值僅為下節(jié)門葉的1/6，約為0．19 m/s2，說明下節(jié)門葉的振動(dòng)量偏大，需要對其加以控制。

2．3 閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移

與閘門振動(dòng)加速變化類似，閘門振動(dòng)量沿門高方向表現(xiàn)出自下而上逐漸遞減的趨勢，表2給出了泄洪沖沙閘工作門上游水位高程412．4 m不同開度時(shí)門體振動(dòng)位移均方根值，閘門下節(jié)門葉振動(dòng)位移最大均方根值達(dá)1．56 mm。門體中部門葉的振動(dòng)量迅速下降，最大位移均方根值降為0．8 mm，為下節(jié)門葉的1/2；上部門葉的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移量進(jìn)一步下降，最大振動(dòng)位移值僅為下節(jié)門葉的1/10，約為0．16 mm。振動(dòng)位移以水平向和垂向?yàn)榇?，?cè)向最小。振動(dòng)位移隨閘門開度的增加而加大，最大振動(dòng)位移量出現(xiàn)在閘門開度9 m處。顯然，閘門的振動(dòng)位移隨下泄流量的增加而加大，同時(shí)也隨著出閘水流水舌形態(tài)的變化而變化。此外，其還表現(xiàn)在水流對閘門底緣擾動(dòng)力的增加。

表1 撒漁沱電站沖沙閘工作門門體振動(dòng)加速度均方根值比較關(guān)系表(1孔局開，上游水位高程:412．4 m)

表2 撒漁沱電站沖沙閘工作門門體振動(dòng)位移均方根值表(1孔局開，上游水位高程:412．4 m)

2．4 小 結(jié)

閘門振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示:在正常設(shè)計(jì)水位下，閘門作局部開啟運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)量沿門高方向自下而上逐漸遞減，最大振動(dòng)量出現(xiàn)在下部門葉，即第六節(jié)門葉振動(dòng)量最大；中部門葉的振動(dòng)量次之；上部門葉振動(dòng)量小，其振動(dòng)加速和振動(dòng)位移兩個(gè)參量均表現(xiàn)出同樣特征。

從振動(dòng)方向看，垂向振動(dòng)量最大，水平向次之，側(cè)向最小，這也反映了閘門結(jié)構(gòu)的受力特征。振動(dòng)位移以水平向和垂向?yàn)榇?，?cè)向最小。振動(dòng)位移隨閘門開度和下泄流量的增加而加大，最大振動(dòng)位移量出現(xiàn)在閘門開度9 m處。

從振源角度看，導(dǎo)致下節(jié)門葉振動(dòng)量較大的原因主要有以下兩個(gè)方面:

(1)下泄水流在近底緣處流速增大，對閘門底緣的擾動(dòng)力也隨之增加，即對下節(jié)門葉的動(dòng)力作用也相應(yīng)增加。

(2)該工程工作閘門沿門高方向分為六節(jié)，每節(jié)門葉間采用鉸接，門葉間的約束剛度較弱。

考慮到閘門的下節(jié)門葉的振動(dòng)量偏大，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，可以采用在各節(jié)門葉間增設(shè)聯(lián)結(jié)板的方法對結(jié)構(gòu)布置加以適當(dāng)調(diào)整，以控制閘門的振動(dòng)量。為此，決定對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 運(yùn)行驗(yàn)證

閘門投入運(yùn)行后，在一個(gè)汛期內(nèi)進(jìn)行了兩次閘門局部開啟振動(dòng)用于驗(yàn)證。

2009年8月5日，開啟2號(hào)沖沙閘排泄閘門前堆積的漂浮物，此時(shí)上游水位高程為412 m，入庫流量為600 m3/s左右。閘門從零開度直到12 m開度，上游水面上的漂浮物才被吸到水下并隨水流排到下游。

閘門開度在5 m以下時(shí)無振動(dòng)，水面無渦旋。閘門提升高度達(dá)到5 m時(shí)逐漸出現(xiàn)漩渦并有振動(dòng)，且隨著閘門開度的增加而加大。直到開度達(dá)到8 m左右閘門振動(dòng)開始減小，并逐漸在9 m左右結(jié)束。

在8月29日的防洪中，按照該電站2009年防洪調(diào)度規(guī)程，對閘門進(jìn)行了組合泄洪。此時(shí)上游最高水位高程為412．4 m，下游最高水位高程為399．5 m，最大下泄流量3 200 m3/s。

在上游水位高程為411．6 m以上時(shí)，閘門從0提升到4 m均無振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)；

在上游水位高程為408 m以上時(shí)，閘門從4米提升至5 m均無振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)；

在上游水位高程為402．5 m以上時(shí)，閘門從5 m提升至10 m，閘門出現(xiàn)較輕微的振動(dòng)，其中閘門在6 m時(shí)出現(xiàn)渦旋；6 m到9 m時(shí)出現(xiàn)較微小的振動(dòng)；9 m到10 m時(shí)出現(xiàn)渦旋，10 m后閘門工作良好，無振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。

綜上所述，閘門在5 m以下時(shí)無振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，在5～9 m之間時(shí)會(huì)出現(xiàn)渦旋和振動(dòng)，但振動(dòng)程度尚不激烈。

4 結(jié)語

(1)水工鋼閘門抗振動(dòng)分析對閘門安全運(yùn)行作用明顯。

(2)水工鋼閘門通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在局部開啟時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象能夠減輕并能控制。

(3)水工鋼閘門門葉節(jié)間的約束剛度與局部開啟時(shí)振動(dòng)程度關(guān)聯(lián)度較大。

(4)在正常設(shè)計(jì)水位下，閘門作局部開啟運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)量沿門高方向自下而上逐漸遞減。

［1］ 潘錦江．閘門振動(dòng)問題探討［J］．水利水電科技進(jìn)展，2001，21(6):21－39．

［2］ 練繼建，彭新民．水工閘門振動(dòng)穩(wěn)定性研究［J］．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32(2):171－176．

TV7;TV663;TV698．2

B

1001-2184(2015)05-0041-03

鄧智勇(1967-)，男，四川大英人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事金屬結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與管理工作．

(責(zé)任編輯:李燕輝)

2015-09-28