弧形閘門流激振動(dòng)原型觀測試驗(yàn)技術(shù)研究

盛旭軍，胡木生，張 兵，耿紅磊

（1.水利部綜合事業(yè)局，北京100053；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）

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弧形閘門流激振動(dòng)原型觀測試驗(yàn)技術(shù)研究

盛旭軍1，胡木生2，張 兵2，耿紅磊2

（1.水利部綜合事業(yè)局，北京100053；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）

摘要：隨著越來越多高水頭弧形閘門的投入使用，對(duì)弧形閘門原型觀測試驗(yàn)技術(shù)手段提出了更高的要求。在現(xiàn)階段國內(nèi)外尚無水工金屬結(jié)構(gòu)原型觀測專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)狀況下，以糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門原型觀測試驗(yàn)為例，通過采用先進(jìn)的測量儀器和數(shù)據(jù)分析法，對(duì)弧形閘門的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和研究。

關(guān)鍵詞：水利水電工程；弧形閘門；流激振動(dòng)；動(dòng)力特性；動(dòng)力響應(yīng)；原型觀測試驗(yàn)

1　工程概況

云南省瀾滄江糯扎渡水電站位于云南省思茅市，左岸是翠云區(qū)，右岸是瀾滄縣，思茅—瀾滄公路通過壩址區(qū)。糯扎渡水電站是瀾滄江中下游梯級(jí)規(guī)劃二庫八級(jí)電站的第五級(jí)，在瀾滄江中下游八座梯級(jí)電站中，裝機(jī)容量、水庫容積和發(fā)電量均屬最大。糯扎渡水電站壩址以上流域面積（14.47×104）km2，多年平均流量1730m3/s，水庫總庫容（237.03×108）m3，具有多年調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量5850MW。電站金屬結(jié)構(gòu)根據(jù)水工樞紐建筑物的總體布置，有引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)、泄洪系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)3部分。

左岸泄洪隧洞長956.077m，進(jìn)口底板高程721m，工作閘門前有壓段長247.27m，過水?dāng)嗝鏋閳A形，內(nèi)徑12m。在進(jìn)口段，孔口由中墩一分為二，設(shè)2孔2扇弧形工作閘門，孔口尺寸5.0m× 9.0m，校核洪水位時(shí)最大泄量3339m3/s，閘孔處最大流速37.1m/s［1］。左岸泄洪洞1#弧形工作閘門采用直支臂、主縱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水頭103.0m，主要材料為Q345B，面板曲率半徑15.0m，支鉸高12.5m，支承跨度3.8m，支臂夾角33.45°，支鉸與水平線夾角34.61°；動(dòng)水啟閉，啟閉機(jī)容量5500kN/1500kN。

2014年9月7日，在庫水位805.93m下進(jìn)行了糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門的原型觀測試驗(yàn)。原型觀測試驗(yàn)記錄了弧形工作閘門啟門、20%開度、40%開度、60%開度、80%開度、100%開度（全開狀態(tài)下50min）及閉門全過程的完整原型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中包括弧形工作閘門結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力、位移與變形、動(dòng)力特性和啟閉過程中的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)力響應(yīng)、啟閉力、啟閉機(jī)室風(fēng)速、水流流態(tài)等。本文僅對(duì)其動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析與研究。

2　原型觀測試驗(yàn)方案

2.1動(dòng)力特性測試

弧形閘門的動(dòng)力特性反映閘門結(jié)構(gòu)的固有特性。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，也稱為動(dòng)力參數(shù)測試或模態(tài)參數(shù)測試?；⌒伍l門的動(dòng)力特性與閘門的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造連接有關(guān)，而與外載荷無關(guān)［2］?；⌒伍l門動(dòng)力特性測試對(duì)分析和研究閘門結(jié)構(gòu)的抗振和抗動(dòng)載的能力起著非常關(guān)鍵的作用［3］。

針對(duì)糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門，其振動(dòng)系統(tǒng)的二階動(dòng)力學(xué)微分方程表示為［4］：

其中M∈Rn×n為質(zhì)量矩陣，C∈Rn×n為阻尼矩陣，K∈Rn×n為剛度矩陣，且M，K非奇異陣，Z（t）∈Rn為位移向量，F(xiàn)（t）∈Rn為外部激勵(lì)。在線性理論框架下討論弧形閘門動(dòng)力特性測試，對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化和相似變換：

對(duì)式（2）進(jìn)行條件定義和轉(zhuǎn)化，則弧形閘門振動(dòng)系統(tǒng)的輸出向量可表示為：

式中Cn為加速度的輸出矩陣、Cr為速度的輸出矩陣、Cd為位移的輸出矩陣?；⌒伍l門時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)的觀測方程可表示為：

其中Cc∈RL×N為連續(xù)時(shí)間的輸出矩陣（又稱觀測矩陣），Dc∈RL×n為連續(xù)時(shí)間直接輸出矩陣。

將弧形閘門門葉結(jié)構(gòu)和支臂分別視為n自由度線性系統(tǒng)，將上式（3）、式（4）結(jié)合，表示為連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型如下：

式中X（t）為系統(tǒng)輸入，Y（t）為系統(tǒng)輸出，u（t）為噪聲。對(duì)響應(yīng)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，用響應(yīng)信號(hào)的自相關(guān)矩陣構(gòu)建Hankel矩陣H，從而獲得系統(tǒng)矩陣；對(duì)H進(jìn)行奇異值SVD分解（即對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行維納濾波，剔除與輸入輸出特性無關(guān)的隨機(jī)噪聲），取出分解后的矩陣的一個(gè)子矩陣，稱為系統(tǒng)矩陣的估計(jì)矩陣，其特征值即系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比；并進(jìn)行多分量時(shí)域?yàn)V波信號(hào)預(yù)處理和基于改進(jìn)隨機(jī)子空間辨識(shí)方法進(jìn)行動(dòng)力特性參數(shù)辨識(shí)，作穩(wěn)定圖剔除虛假模態(tài)，獲得弧形閘門的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等基本參數(shù)。

弧形閘門動(dòng)力特性測試采用丹麥Brüel& Kj?r 3660模態(tài)分析系統(tǒng)［5］，振動(dòng)拾振器布置如圖1所示。

2.2動(dòng)力響應(yīng)

弧形閘門在工作狀態(tài)下的開啟、關(guān)閉以及局部開度運(yùn)行過程中，受流道中水流的作用，閘門的啟閉設(shè)備、支承、止水裝置的作用力與水流的激勵(lì)力等，組成一個(gè)動(dòng)力聯(lián)合作用的系統(tǒng)。對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試和分析的要素包括閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力和振動(dòng)響應(yīng)的變化規(guī)律等。

弧形閘門動(dòng)應(yīng)力測試采用日本TML200動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖2～4所示。

圖1　動(dòng)力特性測試拾振器布置圖

圖2　弧形閘門支臂動(dòng)應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

圖3　弧形閘門門葉動(dòng)應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

圖4　弧形閘門支臂連接梁動(dòng)應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

圖5　振動(dòng)響應(yīng)加速度傳感器布置圖

弧形閘門振動(dòng)響應(yīng)測試采用丹麥Brüel&Kj?r 3560C振動(dòng)測試分析系統(tǒng)，加速度傳感器布置如圖5所示。

3　原型觀測試驗(yàn)成果

3.1弧形閘門動(dòng)力特性分析成果

弧形閘門動(dòng)力特性分析就是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程阻中的物理坐標(biāo)變換為動(dòng)力特性坐標(biāo)［6］，使方程組解耦，成為一組以動(dòng)力特性坐標(biāo)及動(dòng)力特性參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的動(dòng)力特性參數(shù)。

采用ANSYS中的六面體單元Solid186建立弧形工作閘門有限元計(jì)算模型，閘門各板件之間采用固接（BONDED CONNECTION）方式，固定鉸座板采用固定端約束（FIXEDSUPPORT），閘門面板底部與底檻使用無摩擦支承（FRICTIONESS SUPPORT），同時(shí)閘門的兩側(cè)采用的無摩擦支撐的以模擬實(shí)際情況中閘門兩側(cè)所受約束。弧形閘門計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1129606個(gè)，單元總數(shù)為213484個(gè)；其x軸指向下游，y軸沿重力方向，z軸指向垂直水流方向。

不擋水狀態(tài)下弧形閘門前八階自振頻率計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　弧形閘門前八階自振頻率　　單位：Hz

弧形閘門第一階振型為門葉和支臂的負(fù)y向振動(dòng)以及支臂中部的正z向側(cè)彎，第二階振型為門葉和支臂的正y向振動(dòng)以及上部整體負(fù)z向扭轉(zhuǎn)，第三階振型以支臂后端負(fù)y向側(cè)彎振動(dòng)為主，第四階振型為上下臂柱的相向振動(dòng)和負(fù)y向側(cè)彎，第五階振型為左右支臂后端的相向振動(dòng)，第六階振型為下部整體正z向扭轉(zhuǎn)和支臂的上下波浪振動(dòng)，第七階振型與第六階相似，第八階振型以邊梁的腹板與翼緣板的順?biāo)飨蚣皺M向變形為主?；⌒伍l門第一階振型如圖6所示。

圖6　弧形閘門第一階振型圖

3.2弧形閘門動(dòng)力特性測試成果

弧形工作閘門頻譜圖見圖7，整體動(dòng)力特性參數(shù)見表2。

圖7　弧形閘門自振頻率頻譜圖

表2　弧形工作閘門整體模態(tài)參數(shù)表

3.3弧形閘門動(dòng)應(yīng)力測試成果

在弧形閘門啟閉過程中，動(dòng)應(yīng)力最大拉應(yīng)力測試值發(fā)生在9m開度時(shí)，門葉下部梁格面板背水面水平方向，測試值為71MPa。最大壓應(yīng)力測試值發(fā)生在9m開度時(shí)，左上支臂第三梁格下游側(cè)腹板右側(cè)水流方向，測試值為-70MPa。

3.4弧形閘門振動(dòng)響應(yīng)測試成果

弧形閘門不同開度時(shí)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)見表3。

表3　不同開度時(shí)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

在閘門啟閉的過程中，分析閘門振動(dòng)響應(yīng)各測點(diǎn)的振動(dòng)特征值隨開度的變化曲線，發(fā)現(xiàn)在100%開度時(shí)各測點(diǎn)的特征值均為最大，最大為2.801m/s2。提取3-1測點(diǎn)100%開度時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，該測點(diǎn)的頻譜圖共有5個(gè)頻率成分，其中11.75Hz的振幅最大，判斷其主振頻率為11.75Hz。在9.0m開度下，振動(dòng)特征值的最大值為2.801m/s2，最大振動(dòng)位移為0.38mm。弧形閘門啟閉全過程振動(dòng)趨勢(shì)如圖8所示。

圖8　弧形閘門啟閉全過程振動(dòng)趨勢(shì)圖

4　試驗(yàn)結(jié)論

（1）大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，水流的脈動(dòng)主頻率一般在20Hz范圍內(nèi)，其中大部分又小于10 Hz［7］。糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門的各階計(jì)算和測試自振頻率均大于31Hz，遠(yuǎn)離水流脈動(dòng)的高能區(qū)，該弧形閘門發(fā)生激流共振的幾率不大，具有較好的安全性和可靠性。

（2）糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門在啟閉過程中各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試值均小于結(jié)構(gòu)材料的允許應(yīng)力值。該弧形閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

（3）糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門在啟閉過程中100%開度（9m）時(shí)，各測點(diǎn)的振動(dòng)特征值均為最大，此時(shí)弧形閘門對(duì)應(yīng)的最大振動(dòng)位移值為0.38mm。根據(jù)美國阿肯色河通航樞紐中提出的以振動(dòng)位移均方根值來劃分水工鋼閘門振動(dòng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)（位移0～0.0508mm時(shí)振動(dòng)可以忽略不計(jì)，0.0508～0.254mm時(shí)振動(dòng)微小，0.254～0.508mm時(shí)振動(dòng)中等，大于0.508mm時(shí)振動(dòng)嚴(yán)重）［8］，該弧形閘門在原型觀測試驗(yàn)過程中的振動(dòng)屬于中等振動(dòng)，不影響閘門的安全運(yùn)行。

（4）基于振動(dòng)時(shí)程響應(yīng)包絡(luò)線的判斷方法，從圖8中分析可知，在振動(dòng)特征值最大的開度，弧形閘門在水流激勵(lì)的作用下，振幅穩(wěn)定，并且無持續(xù)增大的趨勢(shì)；因此，該弧形閘門在該工況下未發(fā)生共振?；谡駝?dòng)響應(yīng)是否存在與結(jié)構(gòu)固有頻率相近的周期成份的判斷方法，從圖7中觀察可知，頻譜圖中不存在與結(jié)構(gòu)固有頻率相近的周期成分。因此，該弧形閘門在該工況下未發(fā)生共振。

目前，由于工程條件的限制和國內(nèi)外尚無水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備原型觀測試驗(yàn)的專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，弧形閘門原型觀測試驗(yàn)工作開展得并不充分。本文以糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門原型觀測試驗(yàn)為例，針對(duì)流激振動(dòng)原型觀測試驗(yàn)要求，提出了弧形閘門流激振動(dòng)原型觀測試驗(yàn)技術(shù)方案。并通過采用先進(jìn)的測量儀器和數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)弧形閘門的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和研究。此項(xiàng)試驗(yàn)研究不僅為水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備原型觀測試驗(yàn)專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了實(shí)踐依據(jù)，而且具有重要的工程參考價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TV34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-1305（2016）01-0007-05

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.003

收稿日期：2015-10-21

作者簡介：盛旭軍（1975年—），男，高級(jí)工程師。