淺談紅湖電站弧形鋼閘門振動分析及啟閉機械維護

傅潤興

（建甌市紅湖水電有限公司，福建 南平 353000）

紅湖水電站位于福建省建甌市徐墩鎮(zhèn)村尾村附近的建溪支流南浦溪上，是一個以發(fā)電為主，兼有灌溉、航運等綜合效益的水電站。壩址以上流域面積4012km2，多年平均流量128m3/s，多年平均年徑流量40.4億m3。水庫正常蓄水位119m，校核洪水位125.93m，總庫容2200萬m3,為日調(diào)節(jié)水庫。電站裝機容量16MW，保證出力2.14MW，年利用小時3560h,多年平均發(fā)電量0.5695億KW.h，紅湖水電站工程樞紐主要由溢流壩、發(fā)電廠房、兩岸擋水壩等組成。泄洪閘為6扇弧形閘門組成。工程等級為Ⅲ等工程，溢流壩、發(fā)電廠房、兩岸擋水壩等主要建筑按3級建筑物設(shè)計。擋水壩、溢流壩、廠房等防洪重新批復(fù)降為50年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核；廠房下游側(cè)防洪標準按50年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。

1 概述

對于水利工程項目而言，弧形鋼閘門起到了樞紐作用，所以弧形鋼閘門的安全性是極其重要的，所以廣大學(xué)者們對于弧形鋼閘門振動問題一直較為重視。閘門具有非常多的種類，而弧形鋼閘門因為其在啟閉的過程當中不會對于水流的流態(tài)產(chǎn)生較大影響，所以過水條件也比較好，因此在我們國家的各水電工程項目當中，對于鋼閘門的應(yīng)用也是越來越廣泛。閘門在開啟的過程中，因為受到水流脈動壓力作用影響而產(chǎn)生振動，如果振動較為劇烈，甚至?xí)ㄖ锂a(chǎn)生破壞。而導(dǎo)致閘門出現(xiàn)振動的原因也是較為多樣化的，主要受到內(nèi)部因素以及外部因素的共同作用影響，例如閘門的結(jié)構(gòu)剛度、自振頻率還有脈動水流作用等因素的影響。而當前在研究閘門其動力特性的過程中，所采用的主要方法有模型試驗法、原型觀測、數(shù)值模擬以及模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬法。在上述方法中，原型觀測只能用于已建閘門的研究。而模型試驗方法不僅需要的時間長、成本高，而且所得的試驗結(jié)果也不是很準確。如果采用數(shù)值模擬法來模擬水流作用所導(dǎo)致的閘門振動流固耦合現(xiàn)象，但是由于這一方法的要求較高，利用當前的技術(shù)條件是很難滿足要求的。模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法，是通過把模型試驗所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成施加到閘門數(shù)值模型節(jié)點上的荷載，然后來對閘門振動情況進行響應(yīng)，如此一來，不但能夠有效節(jié)約時間，還能夠提升模擬結(jié)果的準確性。

2 弧形鋼閘門振動分析

2.1 結(jié)構(gòu)固有特性

對于鋼閘門的振動而言，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)其各轉(zhuǎn)動部位和支臂之間的摩擦性能、弧形鋼閘門的質(zhì)量、上下游水位差和水動力荷載以及支臂結(jié)構(gòu)的剛度等都能夠起到消除振動的目的。紅湖電站的弧形閘門由于運行時間長，保養(yǎng)不到位，鉸支座于支腿連接桿銹死，運行時造成兩邊支臂負荷不一致，發(fā)出異響和振動。因此在進行現(xiàn)場巡檢的時候，主要的觀測內(nèi)容有啟閉力、頻率、靜動力應(yīng)力、振動幅度、阻尼系數(shù)、位移等等，而這些內(nèi)容主要受到結(jié)構(gòu)形式、閘門材料還有結(jié)構(gòu)的連接影響。對于弧形鋼閘門而言，其發(fā)生振動的頻率和支臂其結(jié)構(gòu)形式有著非常大的關(guān)系，通過進行動力模態(tài)分析，結(jié)果顯示，低階振動頻率的變化主要受到支臂橫向慣性矩的影響，基頻也可以繞過流動荷載高能共振響應(yīng)；在進行弧形閘門面板的結(jié)合前，需要對閘門結(jié)構(gòu)低階頻率進行橫向控制，已實現(xiàn)振動效應(yīng)的控制。

2.2 工作狀態(tài)分析

紅湖電站3#、4#、5#弧形鋼閘門在壩前水頭達到119.0m以上的時候，閘門開啟比較困難，開度到達70%左右振動最大，此時閘門就會出現(xiàn)劇烈的振動，情況嚴重甚至?xí)霈F(xiàn)共振或者失穩(wěn)的現(xiàn)象。當閘門出現(xiàn)共振時，振幅劇烈，在門葉結(jié)構(gòu)當中會出現(xiàn)不正常應(yīng)力及應(yīng)變，導(dǎo)致閘門金屬構(gòu)建疲勞、變形、焊縫開裂、緊固件松動，導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)受到破壞。經(jīng)分析弧形振動過程中，其復(fù)雜程度和工作狀態(tài)有著非常緊密的聯(lián)系，通過觀察發(fā)現(xiàn)，閘門在進行開啟的時候所產(chǎn)生的振動要強于關(guān)閉過程。在動力條件下進行測試閘門在開啟和關(guān)閉還有局部開啟過程中的工作性態(tài)，其中所涉及的相關(guān)參數(shù)主要有阻尼比、固有頻率還有結(jié)構(gòu)振型。在采用有限元動力分析時發(fā)現(xiàn)，如果弧形閘門自振頻率小于三階，那么所得的模擬效果則比較優(yōu)，但是當自振頻率高于三階時，那么所得的模擬結(jié)果和實際情況之間就會存在較大的差距，沒有辦法有效反映振動的規(guī)律。通過分析現(xiàn)場檢測資料結(jié)果顯示，當開啟弧形鋼閘門時，當并開度處于60%～80%之間時所產(chǎn)生的振動最為強烈，此時支臂側(cè)向所承受的彎矩作用力也最大。所以，在實際工作當中，要盡量縮減鋼閘門在60%～80%開度范圍的工作時長。

2.3 水動力問題

紅湖水電站上游大約5km處為黃塘甲電站，由于兩電站距離較近，黃塘甲電站泄洪或者較大負荷變化的水流很快就會反映到紅湖電站上游閘門處，當前，主要研究以復(fù)雜邊界條件與流固耦合相結(jié)合進行弧形鋼閘門振動問題的研究分析。水流場隨機荷載是引起弧形閘門振動或?qū)е缕涔舱竦闹匾蛩??；⌒武撻l門在水流場振動時，流體的彈性力、慣性力與阻尼力通過相互影響單元作用至結(jié)構(gòu)上，使得弧形鋼閘門系統(tǒng)的剛度、強度、振動性質(zhì)發(fā)生變化。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，紅湖水電站弧形鋼閘門在日常運行中開啟高度、過閘水位、閘頂流態(tài)影響其振動振幅、振動頻率、位移、方向、加速度等參量變化規(guī)律。

流態(tài)穩(wěn)定時，脈動壓力約為總體水頭的3%；若存在空穴、氣囊及水躍回蕩等不穩(wěn)定流態(tài)時，脈動壓力將呈現(xiàn)更為復(fù)雜的演化規(guī)律，此時水動力荷載比穩(wěn)定流在量級上將出現(xiàn)顯著差異，所產(chǎn)生的巨大激振力作用于弧形閘門，誘發(fā)了結(jié)構(gòu)強烈的振動效應(yīng)。如何能有效降低或消除水流激勵力與脈動高能區(qū)對閘門啟閉影響是一項閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的重要內(nèi)容。

3 閘門機械營運管理

3.1 設(shè)備優(yōu)缺點分析

當前在弧形鋼閘門的啟閉過程中，所采用的機械主要有兩種，分別是液壓式和卷揚式，卷揚式閘門在處于全關(guān)或者是全開的狀態(tài)下，是沒有辦法進行智能化操作的，而液壓式則是固定在閘門門槽結(jié)構(gòu)當中，能夠按照實際情況來實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

3.2 設(shè)備系統(tǒng)管理

（1）日常維護。應(yīng)按照河道的實際運營現(xiàn)狀，在進行維護檢修的過程中，應(yīng)當注意是否有漂浮物將閘門前后的空隙給堵塞，在閘門還有閘墩的表面是否存在著吸附物、腐蝕破壞物質(zhì)還有藻類等。所以在日常維護過程中，需要加強對于制動設(shè)備、開關(guān)、啟閉空間還有供電設(shè)備的維護。（2）定期核查與維修。對于啟閉機械，閘門的傳動裝置、啟閉機還有工作空間的工作狀態(tài)是否正常是非常重要的。查看閘門其齒輪變速器是否存在裂縫或者斷齒等情況，還有卷揚機鋼絲繩是否存在著生銹、斷絲、老化以及干燥少油的情況，如果存在上述問題，就需要及時進行維修或者是更換，以避免出現(xiàn)突發(fā)情況而對于閘門的啟閉產(chǎn)生影響。所以，必須加強對于弧形鋼閘門的定期維修檢查。（3）除銹與防腐。弧形鋼閘門其外部面板因為長時間裸露在外部，所以閘門往往會存在著腐蝕掉漆的情況，而如果鋼閘門其重要位置出現(xiàn)銹蝕掉漆情況，可能會對閘門的工作性能產(chǎn)生影響。所以，在實際運行過程中，需要依據(jù)河道水位的變化情況來定制相應(yīng)的閘門除銹計劃。（4）反饋與優(yōu)化。在進行弧形鋼閘門的設(shè)計過程當中，難免會出現(xiàn)摩擦，通過利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，能夠有效調(diào)節(jié)閘門的工作狀態(tài)。為了更好的制造出弧形鋼閘門，在日常運維中，應(yīng)當收集整理閘門啟閉信息并和制造企業(yè)加強溝通反饋。

4 結(jié)語

對于弧形鋼閘門而言，閘前水流特性、環(huán)境邊界條件還有結(jié)構(gòu)自身形式這些方面都會對其振動特性產(chǎn)生一定影響。而閘門相對水深、開啟角度還有結(jié)構(gòu)形式在一定程度上對于振動加速度、自振頻率、振動位移還有基頻都會產(chǎn)生影響，而所產(chǎn)生的影響規(guī)律則需要利用現(xiàn)場檢測資料還有數(shù)值模擬計算來進行分析。