高壩大庫水電站泄洪閘門原型觀測試驗(yàn)

龔登位，張德選，胡木生（.華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 67570；.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南　鄭州　450044）

高壩大庫水電站泄洪閘門原型觀測試驗(yàn)

龔登位1，張德選1，胡木生2
（1.華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南鄭州450044）

小灣水電站泄洪閘門具有工作水頭高、泄洪落差大、泄洪流量大的特點(diǎn)，為進(jìn)一步優(yōu)化水庫調(diào)度運(yùn)行方式，有效保證電站泄洪設(shè)施的安全運(yùn)行，進(jìn)行了原型觀測試驗(yàn)。結(jié)合本次試驗(yàn)，首次研究采用了三維攝影測量法對(duì)閘門進(jìn)行位移變形測量，并在高水頭條件下進(jìn)行了泄洪洞事故閘門和泄洪中孔事故檢修閘門的動(dòng)水閉門試驗(yàn)。原型觀測試驗(yàn)結(jié)果表明，各閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足規(guī)范要求。

原型觀測試驗(yàn)；泄洪閘門；小灣水電站

1　小灣水電站閘門原型觀測試驗(yàn)背景

小灣水電站是瀾滄江中下游河段的龍頭水庫，正常蓄水位1 240 m，總庫容150億m3。樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)和泄水建筑物組成。電站裝機(jī)容量 4 200 MW（6× 700 MW），壩高294.5 m。泄水建筑物由壩身5個(gè)開敞式泄洪表孔、6個(gè)泄洪中孔、2個(gè)放空底孔、左岸1條泄洪洞等部分共同組成。

小灣水電站工程最大下泄流量為20 700 m3/s，最大水頭251 m。由于泄洪建筑物場地狹窄、水頭高、泄洪落差大、泄洪流量大，且調(diào)度運(yùn)行復(fù)雜多樣，高速水力學(xué)、高水頭大流量泄洪消能、泄洪閘門振動(dòng)及應(yīng)力變化等問題是小灣水電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題。通過泄洪閘門原型觀測試驗(yàn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除影響電站運(yùn)行的安全隱患，并根據(jù)觀測試驗(yàn)成果，據(jù)實(shí)調(diào)整完善水庫調(diào)度運(yùn)行方式，以及驗(yàn)證閘門設(shè)計(jì)的正確性和設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。根據(jù)計(jì)劃安排，在2014年8月中旬，庫水位為1 236.0 m附近時(shí)開展了小灣水電站泄洪閘門原型觀測試驗(yàn)。

2　主要試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)計(jì)劃

2.1主要試驗(yàn)內(nèi)容

（1）開展泄洪閘門的應(yīng)力測試、變形量測試、動(dòng)力特性測試、振動(dòng)響應(yīng)性測試、啟閉力測試、風(fēng)速測試、脈動(dòng)力等測試項(xiàng)目。

（2）首次在小灣水電站泄洪閘門原型觀測試驗(yàn)中實(shí)踐應(yīng)用三維攝影測量系統(tǒng)。研究選用美國VSTARS攝影三坐標(biāo)測量系統(tǒng)進(jìn)行觀測，通過三角測量原理計(jì)算各圖像像素間的位置偏差來獲取被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)共線方程計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及數(shù)學(xué)模型。

（3）研究閘門應(yīng)力、振動(dòng)測試的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸難題，在現(xiàn)場試驗(yàn)的惡劣條件下采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)無線通訊控制器完成自動(dòng)平衡、采樣控制、數(shù)據(jù)存貯處理等功能。

（4）在高水頭下開展泄洪洞事故閘門、1號(hào)泄洪中孔事故檢修閘門動(dòng)水閉門試驗(yàn)，對(duì)閘門的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行全面采集和分析對(duì)比。

2.2試驗(yàn)計(jì)劃

2014年8月15日小灣水電站完成泄洪閘門原型觀測試驗(yàn)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，8月16日組織了試驗(yàn)安全技術(shù)交底、試驗(yàn)操作演練。2014年8月17日～22日完成全部試驗(yàn)，試驗(yàn)總體情況正常。試驗(yàn)工作計(jì)劃見表1。

表1　試驗(yàn)工作計(jì)劃

3　泄洪閘門原型觀測

3.1應(yīng)力測試

小灣水電站閘門應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)主要布置在面板、主橫梁、吊耳、縱梁、支臂、支鉸及可能的應(yīng)力集中、突變部位。主要開展閘門靜應(yīng)力測試和動(dòng)應(yīng)力測試，動(dòng)應(yīng)力測試主要測定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即主要受力構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變過程線。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，小灣水電站閘門原型觀測試驗(yàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試優(yōu)化采用日本進(jìn)口的水下三線電阻應(yīng)變片。

3.2變形量測試

根據(jù)小灣水電站閘門原型觀測試驗(yàn)的變形觀測要求，經(jīng)分析現(xiàn)場實(shí)施作業(yè)的可行性、經(jīng)濟(jì)性等，綜合決定采用三維攝影測量系統(tǒng)。攝影測量的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）位置拍攝同一工件，以獲取在不同視角下的圖像，通過三角測量原理計(jì)算各圖像像素間的位置偏差（即視差）來獲取被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖1為同一相機(jī)在兩個(gè)位置拍攝同一物體時(shí)的情況，圖2為物方空間與像方空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1　相機(jī)拍攝物體示意

圖2　物方空間與像方空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖1、2可知，目標(biāo)點(diǎn)、相機(jī)中心和相點(diǎn)三點(diǎn)構(gòu)成共線方程，根據(jù)共線方程可結(jié)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過對(duì)變形前后的三維坐標(biāo)的計(jì)算分析，可得到各測點(diǎn)的變形量。

小灣水電站閘門原型觀測試驗(yàn)變形測量選用VSTARS攝影三坐標(biāo)測量系統(tǒng)。V-STARS系統(tǒng)是由美國GSI公司研制的工業(yè)數(shù)字近景攝影三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要具有三維測量精度高（相對(duì)精度可達(dá)1/20萬）的特點(diǎn)。小灣水電站首次研究采用三維攝影測量法對(duì)閘門進(jìn)行位移變形測量，填補(bǔ)了原型觀測閘門位移和變形測量在此方面的技術(shù)空白。

3.3動(dòng)力特性測試

動(dòng)力特性測試主要包括閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等基本參數(shù)測試，也稱為閘門的動(dòng)力參數(shù)測試或模態(tài)參數(shù)測試。小灣水電站閘門原型觀測試驗(yàn)采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的3560C PLUS振動(dòng)測試系統(tǒng)，通信距離可達(dá)150 m，可測量高達(dá)40次的諧波信號(hào)。

3.4振動(dòng)響應(yīng)測試

國內(nèi)電站閘門在原型觀測方面做的工作不多，尤其是動(dòng)力響應(yīng)的綜合性觀測、監(jiān)測案例較少，小灣水電站閘門原型觀測試驗(yàn)提出了閘門動(dòng)力響應(yīng)觀測的技術(shù)內(nèi)容，為此建立了一個(gè)良好的開端。其原型觀測試驗(yàn)采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的3560C PLUS振動(dòng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可測量高達(dá)40次的諧波信號(hào)。

3.5啟閉力測試

測試閘門啟閉全過程，獲得啟閉力過程線，確定最大啟閉力；對(duì)事故閘門應(yīng)測試動(dòng)水閉門的持住力及其過程線，根據(jù)測試數(shù)據(jù)推算設(shè)計(jì)工況下的啟門力、持住力和閉門力。

3.6脈動(dòng)力測試

由于高水頭電站深孔過流的流態(tài)分析以及引起閘門振動(dòng)的振源十分復(fù)雜，對(duì)流道和閘門前工作條件下的壓力脈動(dòng)測試的技術(shù)難度較大。小灣水電站閘門壓力脈動(dòng)測試采取在弧形閘門門葉面板上開孔，布置脈動(dòng)壓力傳感器。根據(jù)弧形閘門的幾何尺寸和流道測試需要，在動(dòng)態(tài)下采集閘門面板上游邊壁的壓力脈動(dòng)。

4　主要成果及基本結(jié)論

4.1泄洪洞工作閘門原型觀測、事故檢修閘門動(dòng)水落門（工況1、2）

（1）泄洪洞工作閘門原型觀測。泄洪洞弧形工作閘門原型觀測試驗(yàn)水頭為45.9 m，大于設(shè)計(jì)水頭。工作閘門分別在局開和全開工況下觀測，各測點(diǎn)的靜應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，工作閘門啟閉力均小于啟閉機(jī)的額定啟閉力。從閘門原型觀測的頻譜分析，閘門在第6開度（13.5 m）處振動(dòng)激烈，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力值為39.42 MPa，小于允許應(yīng)力且沒有發(fā)生應(yīng)力峰值。工作閘門擋水工況下，閘門主梁最大撓度為1.1 mm，小于允許值。泄洪洞泄洪時(shí)，工作閘門啟閉機(jī)室內(nèi)機(jī)架處最大風(fēng)速為21.9 m/s。工作閘門在啟閉運(yùn)行工況下閘門脈動(dòng)壓力值最大為0.005 470 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）泄洪洞事故檢修閘門動(dòng)水落門。泄洪洞事故檢修閘門開展了動(dòng)水閉門試驗(yàn)，進(jìn)行啟閉力、事故門槽風(fēng)速、水位和水流狀態(tài)觀測。閉門持續(xù)時(shí)間25 min，最大閉門力發(fā)生在閘門開度為3 m時(shí)，閉門力為5 919 kN。整個(gè)閉門過程啟閉機(jī)機(jī)架振動(dòng)較小，未出現(xiàn)激烈振動(dòng)及異響。事故檢修閘門動(dòng)水閉門力測試過程中閘門閉門力均小于啟閉機(jī)的額定啟閉力，啟閉力容量滿足閘門啟閉要求。

4.24號(hào)泄洪中孔弧形工作閘門原型觀測（工況3）

4號(hào)泄洪中孔工作門在局開、全開方式下進(jìn)行閘門原型觀測，閘門試驗(yàn)水頭為87.6 m，大于設(shè)計(jì)水頭。靜水狀態(tài)下測得4號(hào)泄洪中孔工作閘門的結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力為60.15 MPa，閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力發(fā)生在開度為1.3 m時(shí)的門葉左起第一縱梁翼板上，值為67.99 MPa。工作閘門在5.2 m開度時(shí)整體振動(dòng)最劇烈，對(duì)應(yīng)最大拉應(yīng)力值為64 MPa，小于允許應(yīng)力且未發(fā)生應(yīng)力峰值。工作閘門在擋水工況下，閘門主梁最大撓度為0.7 mm，小于允許值。

4號(hào)泄洪中孔工作閘門啟閉力測試最大應(yīng)力發(fā)生在1.3 m和4.5 m開度時(shí)，位于左側(cè)活塞桿上，值為7.09 MPa。根據(jù)啟閉力應(yīng)力測試值計(jì)算，閘門最大啟門力發(fā)生在開度為1.3 m時(shí)，值為2 232.76 kN，閘門液壓啟閉機(jī)各個(gè)工況的啟閉力均小于額定啟閉力。最大閉門力發(fā)生在閘門開度為4.5 m時(shí)，讀數(shù)值1 430.96 kN。閘門最大啟閉力測試計(jì)算值均小于液壓啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)額定容量。

4.31號(hào)泄洪中孔弧形工作閘門原型觀測（工況4）

1號(hào)泄洪中孔工作閘門在局開、全開方式下進(jìn)行閘門原型觀測，工作閘門水頭為71.551 m，大于設(shè)計(jì)水頭。工作閘門在擋水工況下，各測點(diǎn)的靜應(yīng)力、結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力、各測點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，門葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

從工作閘門原型觀測的頻譜分析中可知，隨著閘門開度的提升振動(dòng)特征值呈增大的趨勢(shì)，在5.2 m開度時(shí)閘門整體振動(dòng)最劇烈，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力值為64.00 MPa，小于允許應(yīng)力且沒有發(fā)生應(yīng)力峰值，表明該閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。主梁撓度計(jì)算值小于允許值，最大撓度為0.5 mm。工作閘門液壓啟閉機(jī)各個(gè)試驗(yàn)工況的啟閉力均小于啟閉機(jī)的額定啟閉力，啟閉力容量滿足閘門啟閉要求。

4.43號(hào)泄洪表孔弧形閘門原型觀測（工況5）

3號(hào)泄洪表孔閘門在局開、全開方式下進(jìn)行閘門原型觀測，試驗(yàn)水頭為13.4 m，大于設(shè)計(jì)水頭，滿足原型觀測的要求。在閘門擋水工況下，各測點(diǎn)的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力均小于允許應(yīng)力。從閘門原型觀測的頻譜分析中可知，在開度為3 m時(shí)，閘門局部有振，但不強(qiáng)烈。通過閘門動(dòng)水振動(dòng)響應(yīng)測試分析，閘門在啟閉過程中不會(huì)出現(xiàn)門葉共振現(xiàn)象。閘門變形測量主梁最大撓度為1.0 mm，小于允許值。

4.51號(hào)泄洪中孔事故檢修閘門動(dòng)水落門試驗(yàn)（工況6）

1號(hào)泄洪中孔工作閘門在開度為2.6 m泄水時(shí)，事故檢修閘門進(jìn)行了動(dòng)水閉門試驗(yàn)，閉門持續(xù)時(shí)間11 min。事故檢修閘門最大閉門力發(fā)生在閘門剛?cè)氩鄱危禐? 761 kN；在開度達(dá)到4 m以前，閘門閉門平穩(wěn)，后段門槽內(nèi)振動(dòng)聲先逐漸加大，到開度為3 m時(shí)最大，隨后逐漸減弱，整個(gè)閉門過程未出現(xiàn)強(qiáng)激烈振動(dòng)及異響。試驗(yàn)過程中閘

門閉門力均小于啟閉機(jī)的額定啟閉力，各測點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，動(dòng)水閉門時(shí)門槽補(bǔ)氣充分。

4.6主要基本結(jié)論

溢洪道表孔弧形工作閘門、1號(hào)和4號(hào)泄洪中孔弧形工作閘門、泄洪洞弧形工作閘門及事故閘門的原型觀測試驗(yàn)結(jié)果表明，各閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足規(guī)范要求，閘門在啟閉過程中不會(huì)出現(xiàn)門葉共振現(xiàn)象，可滿足各開度開啟要求，啟閉機(jī)容量滿足閘門啟閉要求，閘門設(shè)計(jì)滿足動(dòng)水閉門要求。1號(hào)泄洪中孔事故檢修閘門的動(dòng)水閉門原觀試驗(yàn)表明，壩頂門機(jī)容量滿足閘門啟閉要求，閘門設(shè)計(jì)滿足動(dòng)水閉門要求。

5　結(jié)語

小灣水電站在泄洪閘門工作水頭高、泄洪落差大、泄洪流量大的試驗(yàn)條件下，通過全面的原型觀測試驗(yàn)，驗(yàn)證了電站金屬閘門結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，為進(jìn)一步優(yōu)化水庫調(diào)度運(yùn)行方式提供了依據(jù)，有效保證了電站泄洪設(shè)施的安全運(yùn)行。小灣水電站首次在行業(yè)內(nèi)研究采用三維攝影測量法對(duì)閘門進(jìn)行位移變形測量，并在高水頭條件下進(jìn)行了泄洪洞事故閘門和泄洪中孔事故檢修閘門的動(dòng)水閉門試驗(yàn)，可為同類工程的閘門原型觀測試驗(yàn)提供借鑒。

［1］徐建光，李長和，王延斌，等.龍羊峽水電站表孔弧形閘門原型試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電，2004（5）：30-33.

［2］李亞非，徐元發(fā)，何文娟，等.高壩洲水電站弧形閘門設(shè)計(jì)和原型觀測試驗(yàn)［J］.水力發(fā)電，2002（3）：38-41.

［3］李國慶，楊紀(jì)偉，楊波.天生橋水電站泄洪洞工作閘門啟閉力原型觀測成果分析［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（10）：1-4.

［4］洪鏑，牛爭鳴，賀立強(qiáng).公伯峽水電站旋流泄洪洞不同閘門開度運(yùn)行與原型水力特性觀測［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，18（3）：442-451.

［5］王朝晴，宋一樂.江埡水電站泄洪閘門靜、動(dòng)力原型觀測研究［J］.湖北水力發(fā)電，2006（2）：58-61.

［6］王江濤，張東升.小浪底孔板消能泄洪洞過流原型觀測試驗(yàn)［J］.中國水利，2004（12）：22-25.

［7］嚴(yán)根華，陳發(fā)展.溢流壩表孔弧形閘門流激振動(dòng)原型觀測研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31（2）：140-145.

［8］李火坤.泄流結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力分析與工作性態(tài)識(shí)別方法研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

（責(zé)任編輯焦雪梅）

Prototype Measurement Experiment of High-head and Large-flow Flood Discharge Gate in Hydropower Station

GONG Dengwei1，ZHANG Dexuan1，HU Musheng2
（1.Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China；2.National Center of Quality Inspection&Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450044，Henan，China）

The flood discharge gates in Xiaowan Hydropower Station operate with high head，large flood gap and large flood discharge flow.For further optimize reservoir operation mode and effectively ensure the safe operation of spillway facilities，the prototype measurement experiments of gate are conducted.The three-dimensional photogrammetry is firstly used to measure the displacement deformation of gate，and the closing testes of spillway tunnel emergency gate and middle orifice emergency gate under the conditions of high head and hydrodynamic load are also carried out.The results of prototype measurement experiments show that the structural strength and rigidity of gates meet the requirements of specifications.

prototype measurement experiment；flood discharge gate；Xiaowan Hydropower Station

TV663（274）

A

0559-9342（2015）10-0064-03

2015-07-29

龔登位（1979—），男，四川達(dá)州人，工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管理.