陡河水庫(kù)輸水洞工作閘門(mén)振動(dòng)觀測(cè)分析

王桂青

（唐山市陡河水庫(kù)管理處，河北 唐山　063021）

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陡河水庫(kù)輸水洞工作閘門(mén)振動(dòng)觀測(cè)分析

王桂青

（唐山市陡河水庫(kù)管理處，河北 唐山063021）

摘 要：陡河水庫(kù)輸水洞工作閘門(mén)原設(shè)計(jì)荷載按全開(kāi)泄水計(jì)算，若局部開(kāi)啟則會(huì)引起閘門(mén)振動(dòng)，1959年經(jīng)分析得出閘門(mén)振動(dòng)較大的2個(gè)開(kāi)度。1963年通過(guò)進(jìn)一步觀測(cè)得出閘門(mén)振動(dòng)的2個(gè)主要原因是頂拱負(fù)壓和閘門(mén)底緣負(fù)壓，并對(duì)振動(dòng)條件下閘門(mén)應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算，提出閘門(mén)各種工作條件下應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)洪水位；振幅；負(fù)壓；應(yīng)力；閘門(mén)；輸水洞；水庫(kù)

1　工程概況

陡河水庫(kù)位于河北省唐山市市區(qū)東北15 km處，擔(dān)負(fù)著唐山市區(qū)防洪和為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、市區(qū)生活供水的任務(wù)，下游還有多條鐵路和高速公路通過(guò)，水庫(kù)安危影響甚大。水庫(kù)壩體為碾壓式均質(zhì)土壩，設(shè)計(jì)庫(kù)容5.152億m3，設(shè)計(jì)洪水位40.3 m，汛限水位34.0 m。工農(nóng)業(yè)用水主要由輸水洞泄放，輸水洞全長(zhǎng)163.0 m，設(shè)計(jì)泄量156.0 m3/s，進(jìn)口高程22.5 m，孔口尺寸為2個(gè)1.75 m×3.00 m。工作閘門(mén)型式為定輪平板門(mén)，閘門(mén)尺寸為2.55 m×3.20 m×0.37 m，由2個(gè)卷?yè)P(yáng)式容量40 t的啟閉機(jī)啟閉，啟閉速度0.012 m/s，通氣孔0.5 m2。工作閘門(mén)前面設(shè)有檢修門(mén)。

2　觀測(cè)目的

陡河水庫(kù)輸水洞工作閘門(mén)原設(shè)計(jì)荷載按全開(kāi)泄水計(jì)算，沒(méi)考慮局部開(kāi)啟。從運(yùn)用情況看，輸水洞除汛期泄洪外還經(jīng)常泄放灌溉用水。由于最大灌溉流量約為最大泄量的20%，因此要求閘門(mén)局部開(kāi)啟、控制流量。定輪平板閘門(mén)部分開(kāi)啟，會(huì)引起閘門(mén)振動(dòng)。1959年9月14日，根據(jù)陡河水庫(kù)閘門(mén)振動(dòng)原型資料分析得出：閘門(mén)振動(dòng)較大的有2個(gè)開(kāi)度，即n= 0.2及0.8，0.2和0.8開(kāi)度下閘門(mén)振動(dòng)情況見(jiàn)表1。

表1　0.2和0.8開(kāi)度下閘門(mén)振動(dòng)情況

為使陡河水庫(kù)輸水洞工作閘門(mén)能在正常條件下安全運(yùn)用，1963年11月，在庫(kù)水位29.87 m條件下，對(duì)輸水洞工作閘門(mén)進(jìn)行進(jìn)一步的振動(dòng)觀測(cè)，希望通過(guò)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證閘門(mén)振動(dòng)時(shí)的工作條件，并探討研究有效的工程技術(shù)措施。該次觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、通氣孔進(jìn)氣量、閘門(mén)底緣負(fù)壓、脈動(dòng)壓力、閘門(mén)振動(dòng)、進(jìn)水塔振動(dòng)、啟閉力、門(mén)井水位等。

3　觀測(cè)內(nèi)容

3.1通氣孔進(jìn)氣量

3.1.1觀測(cè)目的

閘后通氣孔進(jìn)氣量的觀測(cè)目的有2個(gè)：一是校驗(yàn)設(shè)計(jì)的通氣孔斷面是否足夠，亦即是否能保證充分進(jìn)氣而不發(fā)生噪音；二是了解通氣量與閘門(mén)振動(dòng)的關(guān)系，當(dāng)閘門(mén)部分開(kāi)啟時(shí)閘門(mén)下游是否產(chǎn)生負(fù)壓或氣流脈動(dòng)，成為閘門(mén)的振源。

3.1.2觀測(cè)結(jié)果

通氣孔進(jìn)氣量測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表2。

陡河水庫(kù)的進(jìn)氣孔是按康拜爾公式設(shè)計(jì)的。

式中：β為氣、水流量比；F為收縮水深度處的福氏數(shù)；Qa為空氣流量（m3/s）；Qw為水流流量（m3/s）。

從觀測(cè)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：①通氣量與閘門(mén)開(kāi)度的關(guān)系曲線中有2個(gè)峰值，大開(kāi)度時(shí)的通氣量大于小開(kāi)度時(shí)的通氣量。這2個(gè)峰值出現(xiàn)在0.9 和0.1開(kāi)度。②根據(jù)康拜爾公式計(jì)算的結(jié)果較實(shí)測(cè)值偏小50%左右。③通氣孔在觀測(cè)時(shí)的最大流速Va=8.17 m/s，小于設(shè)計(jì)允許流速Vak=45 m/s，所以現(xiàn)有通氣孔斷面已足夠，閘門(mén)下游不會(huì)因通氣問(wèn)題產(chǎn)生負(fù)壓或氣流脈動(dòng)。

3.2泄流能力

3.2.1泄流能力觀測(cè)計(jì)算

各種開(kāi)度下的閘門(mén)泄量，根據(jù)水庫(kù)下游河道水文站測(cè)流斷面的水位流量關(guān)系曲線推算得出。陡河水庫(kù)在庫(kù)水位29.87 m、閘門(mén)全開(kāi)時(shí)模型試驗(yàn)結(jié)果為雙孔流量88.0 m3/s，單孔則為44.0 m3/s，根據(jù)不同開(kāi)度下實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系計(jì)算流量系數(shù)。其計(jì)算公式為：

式中：Q為實(shí)測(cè)流量（m3/s）；A為閘門(mén)全開(kāi)時(shí)的孔口面積（m2）；n為閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度；H為由閘門(mén)段底檻算起的水頭（m）；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計(jì)算，得出相應(yīng)的流量系數(shù)μ為0.68，低于模型試驗(yàn)值。

3.2.2原因分析

為了探求流量系數(shù)減小的原因，控制閘門(mén)泄量，對(duì)頂拱負(fù)壓進(jìn)行觀測(cè)，閘門(mén)泄量與頂拱負(fù)壓觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。將檢修閘門(mén)放入門(mén)槽堵塞水流，控制工作閘門(mén)，重復(fù)以上步驟，對(duì)閘門(mén)振動(dòng)情況進(jìn)行觀測(cè)，閘門(mén)振動(dòng)強(qiáng)度和負(fù)壓顯著減小。陡河水庫(kù)輸水洞進(jìn)口頂拱曲線為橢圓曲線，其曲線方程為：

檢修門(mén)槽過(guò)水后，頂拱壓力由于檢修門(mén)槽過(guò)水，使門(mén)槽前壓力增加，門(mén)槽后發(fā)生較大負(fù)壓。由于負(fù)壓的產(chǎn)生，減小了工作閘門(mén)泄流能力。隨著流量的增加，進(jìn)口檢修門(mén)槽過(guò)水，導(dǎo)致流態(tài)紊亂，流量損失逐漸增大，頂拱負(fù)壓也逐漸加大。門(mén)槽過(guò)水所引起流態(tài)紊亂和出現(xiàn)負(fù)壓是閘門(mén)振動(dòng)的一個(gè)主要原因。

表3　閘門(mén)泄量與頂拱負(fù)壓觀測(cè)結(jié)果

3.3閘門(mén)底緣負(fù)壓

閘門(mén)底緣負(fù)壓觀測(cè)中利用閘門(mén)底固定止水木的螺栓孔，在閘門(mén)中心位置裝置一測(cè)壓孔，由于測(cè)壓孔偏于下游，所測(cè)負(fù)壓值可能偏小。觀測(cè)所得陡河水庫(kù)輸水洞閘門(mén)底緣負(fù)壓與開(kāi)度關(guān)系，如圖1所示。結(jié)果表明：最大負(fù)壓出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度為0.1時(shí)，絕對(duì)值為89 cm水柱，而且連續(xù)開(kāi)啟的負(fù)壓比固定開(kāi)度的大，觀測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)度為0.1時(shí)產(chǎn)生氣穴爆破聲。在固定開(kāi)度情況下，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度為0.2～0.6時(shí)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，脈動(dòng)幅度為±1～±5 cm水柱。底緣負(fù)壓的形成對(duì)閘門(mén)產(chǎn)生下拖力，增加了閘門(mén)啟門(mén)力，而且會(huì)使閘門(mén)產(chǎn)生空蝕，并導(dǎo)致閘門(mén)垂直振動(dòng)。底緣負(fù)壓產(chǎn)生的原因是陡河水庫(kù)的定輪平板閘門(mén)底緣原設(shè)計(jì)有一角度，施工時(shí)改為平底，水流過(guò)底緣時(shí)產(chǎn)生脫壁現(xiàn)象，閘下射流與底緣之間出現(xiàn)空隙，由于底緣是水平的，空隙內(nèi)的空氣無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充，此處易出現(xiàn)不穩(wěn)定的負(fù)壓，底緣負(fù)壓是導(dǎo)致閘門(mén)振動(dòng)的原因之一。

圖1　陡河水庫(kù)閘門(mén)底緣負(fù)壓與開(kāi)度關(guān)系

4　閘門(mén)振動(dòng)應(yīng)力校核計(jì)算

4.1靜應(yīng)力校核計(jì)算

根據(jù)《水利水電鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74-1995），在較高水頭下經(jīng)常局部開(kāi)啟的大型閘門(mén)，其金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械零件的許可應(yīng)力應(yīng)乘以0.85～0.9的系數(shù)。陡河水庫(kù)輸水洞進(jìn)口閘門(mén)在部分開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，其構(gòu)件的許可應(yīng)力亦按上述規(guī)定乘以0.9的系數(shù)。靜應(yīng)力校核計(jì)算成果，見(jiàn)表4。原設(shè)計(jì)的計(jì)算荷重為：庫(kù)水位40.3 m，閘門(mén)單寬水壓力P=46.4 t/m，閘門(mén)凈重G=4.0 t，啟閉機(jī)容量45 t。

從表4可以看出，庫(kù)水位為40.3 m，在靜力條件下構(gòu)件受力多數(shù)是安全的。部分構(gòu)件的［σ］振/σ下降到0.84左右，但在庫(kù)水位為汛限水位34.0 m以下時(shí)以上計(jì)算結(jié)果都是安全的。

表4　靜應(yīng)力校核計(jì)算成果

4.2動(dòng)應(yīng)力校核計(jì)算

閘門(mén)最大振動(dòng)發(fā)生在開(kāi)度為0.2及0.8，在0.2開(kāi)度時(shí)作用在閘門(mén)上的靜水壓力最大，因此選用0.2作為計(jì)算開(kāi)度。

校核項(xiàng)目為：

（1）鋼絲索應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為［σ］=200 kg/cm2＞144 kg/cm2，是安全的。

（2）閘門(mén)起重軸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為［σ］=800 kg/cm2＜868 kg/cm2、［σ］/σ=720/868=0.83，是不安全的。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，閘門(mén)起重軸應(yīng)力和振動(dòng)條件下橫梁應(yīng)力是不安全的。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)閘門(mén)振動(dòng)觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析，找到閘門(mén)振動(dòng)的2個(gè)主要原因?yàn)轫敼柏?fù)壓和閘門(mén)底緣負(fù)壓。對(duì)閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度0.2、設(shè)計(jì)水位下的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)閘門(mén)起重軸應(yīng)力無(wú)論在靜力還是在動(dòng)力條件下都是不安全的，橫梁動(dòng)應(yīng)力是不安全的。閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度0.8、設(shè)計(jì)水位下的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力都小于相對(duì)開(kāi)度0.2時(shí)的值，但是水平振動(dòng)的主頻大于0.2開(kāi)度時(shí)的值，為了保證輸水洞泄流安全，陡河水庫(kù)工作閘門(mén)作部分開(kāi)啟調(diào)節(jié)流量時(shí)應(yīng)避免0.2、0.8兩個(gè)開(kāi)度。今后，在設(shè)計(jì)水位以上運(yùn)用閘門(mén)時(shí)應(yīng)采取下列減振措施：用疊梁封閉檢修閘門(mén)門(mén)槽，消除由此閘槽流入閘門(mén)的水流；改善橡皮止水，減少漏水，并改進(jìn)側(cè)輪工作情況；按原設(shè)計(jì)修改閘門(mén)底緣，改善水流條件，減少或消除底緣脈動(dòng)力振源；加固閘門(mén)構(gòu)件，如閘門(mén)起吊軸等；閘門(mén)上游面加設(shè)靠近底緣處1/4面板；在閘門(mén)上改善反輪裝置及部分開(kāi)啟時(shí)的鎖定裝置，減少震動(dòng)。以上措施采取哪幾種效果最好，將由模型試驗(yàn)決定。

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698.1+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-7328（2016）01-0048-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.018

收稿日期：2015—10—22

作者簡(jiǎn)介：王桂青（1972—），女，高級(jí)工程師，主要從事水利工程管理工作。