豐滿重建工程泄洪兼導流洞弧門流激振動原型觀測成果研究

曲 直，劉亞蓮

（豐滿大壩重建工程建設局，吉林吉林，132108）

豐滿重建工程泄洪兼導流洞弧門流激振動原型觀測成果研究

曲 直，劉亞蓮

（豐滿大壩重建工程建設局，吉林吉林，132108）

弧形閘門是水工建筑物中運用最廣的門型之一，但不少閘門運行中發(fā)生強烈振動。動水作用下閘門結構的流激振動、動力穩(wěn)定性及安全可靠性等問題正受到越來越多的重視。對豐滿重建工程泄洪兼導流洞弧門開展系統(tǒng)的閘門流激振動和靜、動力原型觀測，取得閘門運行的第一手實際動態(tài)資料。通過系統(tǒng)分析評價，為閘門的安全運行制定合理操作規(guī)程，并指導未來的工程運行管理，具有十分重要的工程指導意義和科學價值。

豐滿重建工程；弧形閘門；動水試驗；原型觀測

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程是為恢復電站原任務和功能，在原豐滿大壩下游120 m處新建一座大壩，并利用原豐滿三期工程。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、養(yǎng)殖和旅游等綜合利用。水庫正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，設計洪水位268.20 m，校核洪水位268.50 m，水庫總庫容103.77億m3。新建電站裝機1 200 MW，利用原來的三期容量280 MW，總裝機容量1 480 MW。

泄洪兼導流洞出口設潛孔式弧形工作門，孔口凈寬8.8m，凈高8.8m，設計水頭74m，總水壓力65167kN，支撐跨度5.88 m，支鉸高度13.0 m，弧門面板外緣半徑18.0 m，采用單吊點液壓啟閉機動水啟閉，啟閉機容量4500kN/1600kN，啟閉機工作行程13.0m。

本工程深孔弧形工作閘門的尺寸及水頭在國內(nèi)外均屬于大型閘門。同時，該閘門的設計泄水流量較大，有局部開啟控泄要求。雖然前期對本工程水閘的水力學和振動問題進行了系統(tǒng)研究，取得了重要成果，對工程的設計、制造和安裝調(diào)試提出了相關意見和建議，但因模型試驗存在一定的縮尺影響，有些因素難以在模型中完全模擬，而且閘門的制造、安裝質(zhì)量離規(guī)定要求會存在偏差。國內(nèi)外現(xiàn)有類似工程有各自不同的特點，參考具有局限性。本工程閘門的安全運行涉及到上下游水位的復雜組合、啟閉力容量及閘門振動與穩(wěn)定性問題，是一個多參數(shù)水力結構綜合復雜系統(tǒng)，對充排水試驗及局部開啟試驗過程中的閘門應力、位移、振動加速度及閘門模態(tài)進行實際動態(tài)檢測，可以確定閘門運行合理開度區(qū)間，對投入生產(chǎn)后的安全運行有重要的意義。

2 原型觀測測試系統(tǒng)布置

2.1 工程現(xiàn)場及觀測儀器

本次原型觀測的測量內(nèi)容及測量儀器見表1，采用DH動態(tài)應變測量系統(tǒng)（8通道/套×4套）、DH靜態(tài)應變測量系統(tǒng)、DH手持動態(tài)信號巡檢儀、勝利系列萬用表等，前置信號調(diào)理裝置主要采用了泰司TS系列-放大器/濾波器、東華DH系列-放大器/濾波器等，輔助電源采用了WYJ系列穩(wěn)壓電源。

表1 原型觀測項目及測量儀器Table 1 Prototype observation items and measuring instrument

2.2 測點布置

現(xiàn)場的測點布置按采集內(nèi)容要求考慮在閘門門體和支臂部分安裝相應測量傳感器。測點主要包括振動位移、振動加速度、應力測點，主要安裝在閘門門體和支臂部分。圖1為測點布置及電纜走線示意圖。

3 充排水試驗

充排水試驗是水工隧洞必要的安全檢測項目，是水工建筑物加載、卸載、發(fā)現(xiàn)問題及處理問題的過程。充水過程中靜應力變化可反映洞身襯砌混凝土質(zhì)量、施工支洞封堵段施工質(zhì)量以及泄洪兼導流洞所處圍巖滲透及水文地質(zhì)變化情況，排水過程即可對弧門的振動加速度進行原型觀測。

3.1 充水過程

充排水試驗階段原型觀測主要對工作弧形閘門的靜應力、振動加速度、動應力以及啟閉機座附近、出口導墻等位置的振動量方面進行了測試。表2給出了當水位與上游庫水位齊平時各測點的應力最大值。圖2給出了相關應力值隨充水時刻的變化值。

由相關圖表可以看出，隨著洞內(nèi)水位的上升，各點應力值也隨之增大，當水位與上游庫水位齊平時測得的最大值約為80 MPa左右。在隨后3 d的洞身保壓實驗中，應力值呈現(xiàn)規(guī)律性的起伏變化，變化范圍約6～8 MPa左右，最大值約86 MPa左右。

表2 充水過程中發(fā)生的最大應力值Table 2 Maximum stress in the process of water filling

3.2 排水過程

本階段排水過程原型觀測主要對工作弧形閘門的振動加速度方面進行了測試，取得了振動加速度的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。圖3給出了不同時段的振動加速度的變化。

由圖3可以看出：在啟閉操作的瞬間，尤其是在全關位進行開啟操作的時候出現(xiàn)振動峰值，加速度峰值較大，可達到30 m/s2左右。盡管峰值較大，但歷時短，衰減很快。啟閉門瞬間出現(xiàn)的振動峰值變化不僅是啟閉機操作引起的，跟洞內(nèi)水頭、閘門開度都有一定關聯(lián)，總的變化趨勢是各振動峰值隨著洞內(nèi)水位降低、啟門高度增大而減小。

圖1 測點布置圖Fig.1 Distribution of observation points

圖2 充水過程中應力隨時間變化關系Fig.2 Variation of stress over time in the process of water filling

在排水階段前期，啟閉門操作后，下游閘室內(nèi)的水流來回振蕩，有拍打到閘門的現(xiàn)象。在排水階段后期，當洞內(nèi)水壓較小出現(xiàn)自由液面的情況時，啟閉門操作后，洞內(nèi)水流來回振蕩拍打閘門，表現(xiàn)為振動波形上出現(xiàn)沖擊型的信號。

圖4為典型測點的變化時域過程及分析。從振動頻率來看，啟閉閘門出現(xiàn)峰值的時候一般均已經(jīng)完整觸發(fā)閘門在整個頻域上的分布，高頻和低頻部分都有。當出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象的時候，從波形來看已經(jīng)激發(fā)閘門的低頻振動。

圖3 振動加速度峰值隨不同時段的變化關系圖Fig.3 Variation of vibration acceleration peak over time

圖4 典型振動時域過程及分析圖（閘門提升至0.5 m開度后立即關閉）Fig.4 Process and analysis on typical vibration time domain(the gate is elevated to 0.5 m and then closed)

4 弧門全程啟閉和局部開啟試驗

本階段原型觀測主要對工作弧形閘門的振動加速度、動應力、動位移等振動量方面進行了測試，取得了振動加速度、應力、位移的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。

首先進行了閘門開啟至5 m后關閉的全行程操作，圖5給出了典型測點的變化時域過程及分析。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：閘門運行過程中振動加速度信號有兩種表現(xiàn)特征，一是平穩(wěn)運行，振動加速度屬于平穩(wěn)隨機過程，振動量級不大；二是閘門運行過程中出現(xiàn)沖擊型突然增大和衰減信號，其最大值比平穩(wěn)運行要大得多。在啟閉操作的瞬間，尤其是在全關位進行開啟操作時出現(xiàn)振動峰值，峰值較大，歷時短，衰減很快。在閘門打開后直到5 m開度的過程中，閘門運行相對平穩(wěn)，在從5 m到全關的過程中也相對平穩(wěn)，但閘門在接近全關位時又出現(xiàn)不平穩(wěn)的沖擊型信號，峰值與開啟時相比較略小一些。

其次進行了閘門局部開啟操作。圖6給出了不同局部開度下的振動加速度峰谷值統(tǒng)計。可以看出：閘門局部開啟運行過程中振動加速度隨開度的增大而增大的趨勢較為明顯，閘門振動加速度最大均方根值約為0.26 m/s2。

總體上看，除了開啟瞬間閘門振動量較大外，局部開啟運行期間閘門運行平穩(wěn)。

圖5 典型振動時域過程及分析圖（閘門提升至5 m開度后立即關閉）Fig.5 Process and analysis on typical vibration time domain(the gate is elevated to 5 m and then closed)

圖6 閘門振動加速度最大最小值隨閘門開度變化關系圖Fig.6 Variation of maximum and minimum gate vibration acceleration with opening

5 閘門運行過程中水工建筑物振動量觀測

本階段原型觀測主要針對運行期間啟閉機機座（1號）、下游橋梁（2號）、下游側墻位置（3號）進行了振動量測試，取得了振動速度的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。美國阿肯色河通航樞紐中心提出了以振動位移均方根值來劃分水工鋼閘門振動強弱的標準，詳見表3。

在閘門開啟至5 m后關閉的全行程操作中，典型測點的變化時域過程及分析結果見圖7。

由圖7可以看出：在啟閉操作的瞬間，尤其是在全關位進行開啟操作時，啟閉機機座部位出現(xiàn)振動峰值，可達到3.3 mm/s左右，峰值較大，歷時短，衰減較快。在閘門打開后直到5 m開度的過程中，啟閉機機座部位運行相對平穩(wěn)。在從5 m到全關的過程中，也相對平穩(wěn)，但閘門在接近全關位時又出現(xiàn)不平穩(wěn)的沖擊型信號。與開啟時相比較其振動方向相反，峰值量值略小一些。下游橋梁豎向振動速度較大，但由于存在人為干擾，其量值存在不確定因素，但其表現(xiàn)出來的總趨勢是逐漸增大而后逐漸減小。下游導墻頂部豎向振動速度最小，僅0.2 mm/s左右。

表3 位移范圍與閘門振動強弱程度之間的關系Table 3 Relation between displacement range and gate vibra?tion strength

其次先進行了閘門0-5 m-0.5 m的局部開啟操作，圖8給出了不同開度下及不同開度間啟閉過程中的相關應力值、振動量峰值變化。

可以看出：閘門局部開啟運行過程中，啟閉機機座部位、下游橋梁隨開度的增大而增大的趨勢較為明顯，導墻振動量變化很小。其中，啟閉機機座振動速度最大均方根值約為0.053 8 mm/s。下游側橋梁振動速度最大均方根值約0.423 6 mm/s，相對較大，但由于存在人為干擾，其量值存在不確定因素，實際量值應小于該值。下游側導墻部位振動速度均方根值范圍約在0.006～0.010 mm/s，相對較小。

總體上看，啟閉機機座部位的振動量主要在開啟及關閉瞬間出現(xiàn)峰值，其他時候相對平穩(wěn)。隨泄流量的增大，下游橋梁豎向振動量相對較大。

6 結語

通過本次觀測，認為閘門運行平穩(wěn)，主要結論如下：

（1）弧門在充排水試驗中最大應力值為86 MPa，位于弧門上支臂前部。

（2）排水過程中，振動加速度峰值為30 m/s2，具有高峰值、歷時短、衰減迅速的特點，變化趨勢是各振動峰值隨著洞內(nèi)水位降低、啟門高度增大而減小。

（3）閘門局部開啟運行過程中，在全關位附近監(jiān)測到不平穩(wěn)的振動加速度沖擊型信號，其峰值量值與開啟時的相比較略小一些。

（4）閘門局部開啟運行過程中，振動應力和振動加速度、振動位移隨開度的增大而增大的趨勢較為明顯，閘門振動應力最大均方根值約為0.8 MPa，振動加速度最大均方根值約為0.26 m/s2，振動位移（橫梁與面板的相對位移）最大均方根值約為0.016 mm，運行較平穩(wěn)。

圖7 典型測點振動速度時域過程圖Fig.7 Graph of vibration velocity of typical observation point

圖8 建筑物振動速度在閘門啟閉過程中出現(xiàn)的最大最小值關系圖Fig.8 Variation of maximum and minimum vibration velocity of structure in the process of gate opening and close

（5）啟閉機機座部位的振動量主要在開啟及關閉瞬間出現(xiàn)峰值，其他時候相對平穩(wěn)。隨泄流量的增大，下游橋梁豎向振動量相對較大。在當前水位條件下，閘門在0.5 m局部開度以下屬于振動區(qū)，閘門可以在0.5～5.0 m之間運行。

[1]劉永林.低水頭水工鋼結構弧形閘門流激振動研究[D].沈陽：東北大學,2005.

[2]駱少澤,張陸陳,樊寶康.超大型弧門流激振動試驗研究[J].工程力學,2009(12):241-244.

[3]閆詩武,嚴根華,馬萍章,等.二灘拱壩泄水中孔工作弧門流激振動問題研究[J].水力發(fā)電學報,1990(4):33-42.

[4]閻詩武,嚴根華,駱少澤,等.三峽深孔弧門流激振動問題[J].水力發(fā)電學報,2001,27(9):1-3.

[5]李世琴,吳一紅,謝省宗,等.五強溪水電站高水頭船閘輸水系統(tǒng)動水壓力與反向弧門流激振動[J].水利學報,1998,29(sl):28-33.

[6]戴雷霓,楊鵬,俞洪明,等.向家壩水電站中、表孔弧形工作閘門激振工況分析[J].水力發(fā)電,2014,40(10):89-92.

2017-06-29

曲 直（1989-），男，黑龍江省哈爾濱市人，碩士，工程師，主要研究方向為水電建設施工管理。

作者郵箱：crow417@126.com

Research on prototype observation of the flow induced vibration of the radial gate of flood dis?charge and diversion tunnel in Fengman reconstruction project

QU Zhi and LIU Ya-lian

Recon?struction Bureau of Fengman Dam

Redial gate is widely used in hydraulic structures.For many gates,owning the responsibility of water discharge control,strong vibration may occur in daily operation.More and more attention is paid on the flow-induced vibration,kinetic stability,the safety and reliability of the gate structure.In or?der to get the first-hand dynamic operation data,it is necessary to conduct systematic observation on flow induced vibration as well as the static and dynamic prototype observation of the radial gate of flood discharge and diversion tunnel in Fengman reconstruction project.By analysis and evaluation,reason?able operating rules for safe operation of the gate can be set,which would guide the future operation and management of the project and is of great engineering significance.

Fengman reconstruction project;radial gate;flowing water experiment;prototype observa?tion

TV663

B

1671-1092（2017）05-0058-06