太平哨電站泄洪壩弧形閘門振動試驗(yàn)研究

趙振華 張宇飛 王山山

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京 210098）

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人們需求的不斷增加，越來越多的閘門被用于水利工程當(dāng)中.由于弧形閘門不設(shè)門槽，啟閉力較小，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、水力學(xué)條件好并且能滿足各種類型泄水孔道需要的優(yōu)點(diǎn)［1］.弧形鋼閘門已經(jīng)成為水工建筑物中運(yùn)用最為廣泛的一種門型.縱觀國內(nèi)外水利樞紐中弧形閘門實(shí)際運(yùn)行中的情況，閘門在啟閉過程中或局部開啟時，都可能發(fā)生振動［2］.引起閘門振動的原因來自許多方面，情況比較復(fù)雜.但綜合國內(nèi)外許多專家的研究認(rèn)為，閘門在啟閉運(yùn)行中的振動都是由于動水作用的不平穩(wěn)所引起的［3－4］.黃廷璞等［5］通過對我國20多座弧形閘門破壞事故的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)失事閘門均是在明顯的振動荷載作用下引起閘門發(fā)生強(qiáng)烈的振動，從而造成弧形閘門支臂動力失穩(wěn)而導(dǎo)致閘門破壞.因此，閘門在運(yùn)行過程中的振動問題是水利工程中一個非常重要的研究課題［6］.

引起每個閘門振動的外因雖有不同解釋［7］，諸如閘門開度、后門淹沒水躍、止水漏水、閘門低緣型式等.但是引起閘門振動的內(nèi)因都與閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān).閘門的自振頻率是閘門結(jié)構(gòu)的固有屬性，與閘門結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布和材料屬性有關(guān).并且閘門振動的大小取決于閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率與激勵頻率的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的剛度與阻尼.當(dāng)作用力的激勵頻率接近或等于閘門的自振頻率時，閘門就會發(fā)生共振，從而使閘門受到損害.雖然關(guān)于閘門振動的研究有多種方法，但由于諸多方面的原因現(xiàn)場原型試驗(yàn)仍是研究閘門振動的重要方法［8］.因此，為了確保閘門在運(yùn)行中的安全性，必須定期組織對閘門進(jìn)行全面深入的振動試驗(yàn)研究.

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

太平哨水電站地處遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣東部山區(qū).電站為混合式開發(fā)，水力樞紐由主壩、副壩、引水道和廠房等建筑物組成，水電站為二等工程，大壩為2級建筑物.大壩為混凝土重力壩，壩頂高程196.0m，壩頂全長555.6m，最大壩高44.0m，頂寬8.0m，共36個壩段.主壩在3號－23號壩段設(shè)有開敞式溢流口，布置20個工作門，門型為弧門，堰頂高程181.5m，孔口尺寸為12m×10.5m.為高孔泄洪，最大泄流量為18 600m3／s，挑流、面流消能方式.閘門全局現(xiàn)場情況如圖1所示.

圖1 閘門現(xiàn)場圖

1.2 振動試驗(yàn)方案

由于太平哨電站泄洪壩的20孔弧形閘門，其尺寸、材料均相同，并且避免20個閘門全部進(jìn)行振動試驗(yàn)對水量損失過大.本次僅選取了兩個典型的閘門進(jìn)行振動試驗(yàn)，壩中10號孔弧形閘門和平常開啟噪聲較大的17號孔弧形閘門進(jìn)行振動試驗(yàn)研究.分別對這兩個閘門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動力特性試驗(yàn)（自振頻率、阻尼）和閘門啟閉過程中的動力響應(yīng)（加速度）試驗(yàn).

試驗(yàn)中在每個測點(diǎn)布置一枚CL－YD－103型壓電式加速度傳感器來測量布置點(diǎn)的加速度，經(jīng)由DH5857－1電荷適調(diào)器連接到DHDAS5920動態(tài)信號采集儀，并由計算機(jī)來控制和數(shù)據(jù)保存.此外，在用瞬態(tài)激勵法做閘門動力特性試驗(yàn)時，還采用了安裝有力傳感器的激勵力錘.10號和17號弧形閘門現(xiàn)場動力特性試驗(yàn)加速度傳感器布置如圖2所示.

圖2 動力特性試驗(yàn)傳感器布置圖

在做閘門的動力響應(yīng)試驗(yàn)時考慮到閘門在啟閉運(yùn)行時水流脈動壓力主要作用在閘門結(jié)構(gòu)的下部.根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和受力狀況，在閘門上下主梁共選擇7個測點(diǎn)來布置加速度傳感器.10號和17號弧形閘門現(xiàn)場動力響應(yīng)試驗(yàn)加速度傳感器整體布置情況如圖3所示，每個測點(diǎn)加速度傳感器安裝效果如圖4所示.

圖3 動力響應(yīng)試驗(yàn)傳感器整體布置圖

圖4 傳感器現(xiàn)場布置 效果圖

2 閘門結(jié)構(gòu)動力特性

2.1 基本原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，可將無限自由度的閘門離散為有限自由度系統(tǒng)，其振動微分方程為

式中，M、C和K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛¨X（t）｝、｛˙X（t）｝和｛X（t）｝分別為結(jié)構(gòu)的振動加速度、速度和位移列陣；｛F（t）｝為外荷載列陣.將式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換，得到系統(tǒng)在復(fù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)：

式中，n為系統(tǒng)自由度；｛φi｝為第i階模態(tài)振型；Ki、Ci、mi分別為第i階模態(tài)剛度、阻尼和質(zhì)量；ω為圓頻率；J為虛數(shù).根據(jù)振型的正交性和互易原理，求得上述傳遞函數(shù)矩陣的任一列或任一行，就可構(gòu)成系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣，并通過迭代擬合，計算閘門結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)［9］.

本次試驗(yàn)采用多點(diǎn)激振單點(diǎn)響應(yīng)的方法.在試驗(yàn)中采用瞬態(tài)激勵法，用激勵力錘敲擊閘門，對閘門施加一脈沖力F（t），由于脈沖信號的頻率成份很豐富，在很寬的頻帶內(nèi)各頻率成分信號的能量幾乎相等，可將結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)激發(fā)出來［10］.通過固定在閘門上A點(diǎn)的加速度傳感器就可得到每次敲擊所對應(yīng)的加速度時程曲線.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 空載時弧形閘門的動力特性

試驗(yàn)工況上下游均為無水狀態(tài)，用激勵力錘敲擊閘門.激勵力錘沖擊力典型時程曲線如圖5所示.

圖5 激勵力錘沖擊力典型時程曲線

測得10號和17號兩孔弧形閘門的基頻分別為16.58Hz和15.63Hz.同時計算得兩孔閘門的阻尼分別為1.6%和2.5%.10號閘門和17號閘門在空載下的加速度典型衰減曲線如圖6所示.

圖6 空載下閘門加速度衰減典型時程曲線

2.2.2 有載時弧形閘門的動力特性

試驗(yàn)工況為上游充滿水，下游無水狀態(tài).按同樣的方法用激勵力錘敲擊閘門.測得10號和17號閘門的基頻分別為14.56Hz和13.67Hz.阻尼分別為2.4%和3.3%.10號閘門和17號閘門在有載下的加速度典型衰減曲線如圖7所示.

圖7 有載下閘門加速度衰減典型時程曲線

3 閘門啟閉過程的振動響應(yīng)

閘門在開啟過程中，受水流脈動壓力的影響，閘門會產(chǎn)生振動.閘門結(jié)構(gòu)自身的動力特性是影響閘門振動的內(nèi)在因素，而水流脈動壓力是影響閘門振動的外部因素.脈動壓力的大小和頻率對閘門振動的量級起著至關(guān)重要的作用，它的形成又與閘門開度，閘前水頭以及堰面曲線等因素有關(guān).由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制僅對10號和17號閘門在不同開度的開啟和關(guān)閉過程進(jìn)行了試驗(yàn).

1）試驗(yàn)結(jié)果顯示，10號閘門在啟門過程中振動加速度最大值為12.84m／s2，有效值為2.36m／s2，發(fā)生在下主梁3號點(diǎn)；閘門在閉門過程中振動加速度最大值為8.30m／s2，有效值為1.85m／s2，發(fā)生在下主梁4號點(diǎn).啟門過程10號閘門加速度的典型時程曲線如圖8（a）所示.

2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，17號閘門在啟門過程中振動加速度最大值為8.85m／s2，有效值為2.85m／s2，發(fā)生在下主梁1號點(diǎn)；閘門在閉門過程中振動加速度最大值為8.07m／s2，有效值為2.77m／s2，發(fā)生在下主梁3號點(diǎn).啟門過程17號閘門加速度的典型時程曲線如圖8（b）所示.

3）10號閘門在啟門過程中，在到達(dá)0.18m開度時，加速度達(dá)到最大值.此后，閘門振動加速度隨開度的增加逐漸減小，至4m開度以后逐漸變平緩.

圖8 閘門開啟過程中典型加速度時程曲線

17號閘門在啟門過程中，在到達(dá)3.55m開度時，加速度達(dá)到最大值.此后，閘門振動加速度隨開度的增加逐漸減小，至5.63m開度以后逐漸變平緩.把10號和17號閘門下主梁中點(diǎn)實(shí)測加速度與閘門開度關(guān)系繪制成曲線，如圖9所示.

圖9 振動加速度與閘門開度的關(guān)系

4 結(jié) 論

通過對太平哨電站泄洪壩10號和17號弧形鋼閘門原型的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納整理，得到以下結(jié)論：

1）頻率和阻尼是反映結(jié)構(gòu)動力特性的量化參數(shù).從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，空載工況下10號和17號閘門的基頻非常接近，分別為16.58Hz和15.63Hz，相對誤差為6.1%.盡管兩孔閘門尺寸和材料完全相同，但由于閘門在制作和安裝過程中存在的差異，以致于兩孔閘門的基頻不完全相同.

2）從實(shí)測結(jié)果可以看出閘門在有載工況下的基頻和阻尼與空載工況下的基頻和阻尼非常接近.并且由于有載工況下閘門門葉周邊約束相對加強(qiáng)，有載工況下第一階振型的阻尼要大于無載工況下相應(yīng)階次振型的阻尼，而有載工況下的基頻要小于無載工況下的基頻.

3）從圖9可看出，10號閘門在0.18m開度時主梁出現(xiàn)加速度最大值，而17號閘門在3.55m開度時主梁出現(xiàn)加速度最大值.10號和17號閘門的振動加速度響應(yīng)與閘門開度之間的關(guān)系曲線雖不完全相同，但閘門振動加速度與閘門開度的關(guān)系曲線變化趨勢總體都是臨界開度以前，振動加速度響應(yīng)隨開度的增大而增大，在臨界開度時達(dá)到最大值.當(dāng)超過臨界開度后加速度響應(yīng)又隨開度的增加而逐漸減小，至變化逐漸平緩.

4）兩扇弧形閘門的振動加速度實(shí)測值都不算特別大.鑒于目前尚沒有統(tǒng)一的振動允許標(biāo)準(zhǔn)，為了確保閘門在啟閉中的安全運(yùn)行，建議避免在0.1～5m開度范圍內(nèi)長時間運(yùn)行.

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