水電站泄洪閘弧形工作閘門原型觀測試驗(yàn)

徐要偉，朱晨，張文科

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450046；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650012)

0 引言

某水電站主要任務(wù)為發(fā)電，采用河床式開發(fā)方式，壩址以上流域面積為73 632 km2，多年平均流量為1 390 m3/s，正常蓄水位為554 m，相應(yīng)庫容為2 084萬m3，屬日調(diào)節(jié)水庫，裝機(jī)容量為348 MW。樞紐由泄洪閘、魚道、右岸擋水壩段、河床式廠房等建筑物組成，壩頂全長319.40 m，最大壩高63.0 m。泄洪閘共有5扇弧形工作閘門(13 m×16～26 m，單扇質(zhì)量為390 t)，設(shè)計水頭26 m。該水電站泄洪閘弧形工作閘門尺寸大，水頭高，日常需要頻繁啟閉及小開度運(yùn)行，對其進(jìn)行原型觀測試驗(yàn)對于指導(dǎo)閘門日常安全運(yùn)行具有重要意義。

對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力、動力特性以及振動響應(yīng)的原型觀測試驗(yàn)是研究弧形閘門常用方法，也是水工鋼閘門在役安全檢測的重要內(nèi)容[1-3]。

1 原型觀測技術(shù)方案

試驗(yàn)以泄洪閘#2弧形工作閘門為測試對象，為了獲得完整的原型觀測數(shù)據(jù)，尤其是小開度運(yùn)行時的流激振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，此次試驗(yàn)設(shè)計測試內(nèi)容如下。

(1)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測試：測試弧形閘門由不擋水到正常蓄水位下?lián)跛髦饕芰?gòu)件的應(yīng)力變化量，對弧形閘門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度做出評價。

(2)動力特性測試：運(yùn)用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法中的力錘激勵法，得到弧形閘門的整體模態(tài)參數(shù)(包含固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比)。

圖1 動力特性測試測點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measurement points for dynamic characteristic test

(3)振動響應(yīng)測試：測試閘門在正常蓄水位(554 m)下啟閉過程中的結(jié)構(gòu)動應(yīng)力、振動加速度、振動位移(啟閉過程中在0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，14.0，16.0，14.0，12.0，10.0，8.0，6.0，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0，0.5，0 m開度各停留2～3 min)。

測點(diǎn)布置情況如下。

(1)泄洪閘工作閘門結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測試時共布置32個測點(diǎn)，其中上主橫梁6個、下主橫梁6個、面板4個、邊梁2個、吊耳板1個、支臂13個。

(2)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入、輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別，獲得一個線性、時不變系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)(頻率、阻尼因數(shù)、模態(tài)向量和模態(tài)歸一)的過程?？紤]到所測弧形閘門本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了取得相對完整的模態(tài)參數(shù)，將閘門結(jié)構(gòu)簡化為93個節(jié)點(diǎn)，采用力錘單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)法，用10個三向加速度傳感器逐組測試93個節(jié)點(diǎn)，完成#2弧形工作閘門的動力特性測試。動力特性測試測點(diǎn)布置如圖1所示(下支臂布點(diǎn)與上支臂布點(diǎn)位置對應(yīng))。

(3)振動響應(yīng)測試包括結(jié)構(gòu)動應(yīng)力測試、振動加速度測試和振動位移測試。

結(jié)構(gòu)動應(yīng)力測試在閘門上共布置32個測點(diǎn)，與結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測試布點(diǎn)位置相同。

振動加速度和振動位移測點(diǎn)設(shè)置相同，均是14個測點(diǎn)(其中上主橫梁2個、下主橫梁2個、邊梁2個、邊梁吊耳板處1個、支臂上5個、支鉸座支撐部位2個)，每個測點(diǎn)布置1個三向振動加速度傳感器，同時測試順?biāo)飨颟p側(cè)向及垂向3個方向的振動量。振動位移測試與振動加速度測試分2個不同的過程進(jìn)行，通過在加速度傳感器前加裝二次積分調(diào)理器對振動加速度信號進(jìn)行二次積分的方法獲得振動位移。

2 弧形閘門原型觀測測試結(jié)果

2.1 結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測試

在正常蓄水位554 m，泄洪閘#2工作閘門由不擋水到擋水，所測最大拉應(yīng)力為44 MPa，位于測點(diǎn)Y1-1(上主梁后翼板中心，靠近左起第4縱梁處)，沿主梁方向，所測最大壓應(yīng)力為-91 MPa，位于支臂上測點(diǎn)Y1-6(左上支臂由面板向支鉸方向，第1梁格上部腹板上靠近里側(cè)翼板處)，沿水流方向。靜應(yīng)力測試測點(diǎn)Y1-6時域圖如圖2所示。測試結(jié)果顯示，各測點(diǎn)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力220 MPa，符合強(qiáng)度要求。

2.2 動力特性測試

動力特性測試工況為：檢修閘門擋水，工作閘門提升到10 m開度位置(閘門已完全提離水面)，此時閘門可近似為自由狀態(tài)，測得的模態(tài)參數(shù)參考意義較大?？紤]到水流脈動信號主要集中在低頻區(qū)，經(jīng)過參數(shù)識別，試驗(yàn)擬合得到閘門35Hz以內(nèi)前11階模態(tài)參數(shù)，見表1，前6階整體模態(tài)振型圖如圖3所示。

圖3 閘門結(jié)構(gòu)前6階整體模態(tài)振型圖Fig.3 The first 6th-order modal shapes of the gate

圖2 靜應(yīng)力測試測點(diǎn)Y1-6時域圖Fig.2 Time domain map of static stress measurement point Y1-6

統(tǒng)計資料顯示，水流脈動主頻率一般在20 Hz以下，其中大部分小于10 Hz[4]，所測泄洪閘#2弧形工作閘門第1，2階自振頻率小于10 Hz，形成不利組合。

表1 動力特性測試結(jié)果Tab.1 Results of dynamic characteristics test

2.3 動應(yīng)力測試

動應(yīng)力測試時，水位穩(wěn)定在正常蓄水位554 m附近。泄水過程中流激振動引起的各測點(diǎn)動應(yīng)力幅值均在2 MPa以內(nèi)，無明顯沖擊載荷。動應(yīng)力測試測點(diǎn)DY1-6時域圖如圖4所示。

圖4 動應(yīng)力測試測點(diǎn)DY1-6時域圖Fig.4 Time domain map of dynamic stress measurement point DY1-6

2.4 振動加速度測試

振動加速度測試時，閘門啟閉引起的振動量遠(yuǎn)大于閘門局部開啟泄水狀態(tài)下流激振動引起的振動量，因此，此次試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注流激振動引起的振動量。閘門結(jié)構(gòu)泄水狀態(tài)下流激振動引起的各測點(diǎn)振動加速度特征值整體較小，變化規(guī)律為增大—減小—增大—減小，啟閉過程中均是在12 m開度下振動幅值最大，其中最大振動特征值為1.724 m/s2，位于測點(diǎn)ZJ-1(上主橫梁中心)，垂直于面板方向。振動加速度測試測點(diǎn)ZJ-1沿垂直于面板方向時域圖如圖5所示。

圖5 振動加速度測試測點(diǎn)ZJ-1沿垂直于面板方向時域圖Fig.5 Time domain map of vibration acceleration measurement point ZJ-1 along the direction vertical to the panel

2.5 振動位移測試

閘門結(jié)構(gòu)泄水狀態(tài)下流激振動引起的各測點(diǎn)振動位移特征值整體較小，閘門啟閉過程中，1.0 m和1.5 m開度下各測點(diǎn)的振動位移均方根值相對較大，其中最大值為52.602 μm(用美國Akansas河振動位移判據(jù)屬于微小振動[5])，出現(xiàn)在測點(diǎn)ZW-6(邊梁吊耳板處)，沿面板寬度方向，對應(yīng)于啟門過程1.0 m開度。振動位移測試測點(diǎn)ZW-6沿垂直于面板方向時域圖如圖6所示。

圖6 振動位移測試測點(diǎn)ZW-6沿垂直于面板方向時域圖Fig.6 Time domain map of vibration displacement measurement point ZW-6 along the vertical panel

3 結(jié)束語

綜合以上測試結(jié)果，所測工況下閘門各測點(diǎn)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度要求。閘門動力特性與水流脈動頻率形成不利組合，但各測點(diǎn)振動響應(yīng)無明顯振動現(xiàn)象。各測點(diǎn)動應(yīng)力、振動加速度和振動位移與同類工程比較相對較小。

根據(jù)以上測試結(jié)果，建議該水電站泄洪閘#2工作閘門日常運(yùn)行時，小開度下避免在0～1.5 m開度長時間運(yùn)行，大開度下避免在12.0 m開度附近長時間運(yùn)行。