撒漁沱電站泄洪沖沙閘工作門振動性分析及驗證

鄧智勇

(中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局，四川都江堰 611830)

撒漁沱電站泄洪沖沙閘工作門振動性分析及驗證

鄧智勇

(中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局，四川都江堰 611830)

對撒漁沱電站泄洪沖沙閘工作門在閘門局部開啟工況下的振動加速度、振動位移進行了分析；在閘門運行時，對閘門局部開啟工況下的振動、渦流進行了驗證分析。該工作門在正常工況下局部開啟時有輕微振動，但滿足鋼閘門的運行要求。

撒漁沱電站；泄洪沖沙閘工作門；振動性分析；驗證

1 概述

水工閘門對于整個水工建筑物而言具有極為重要的作用。多數閘門在啟動、關閉狀態(tài)下都會出現不同程度的振動情況，在遇到振動較大的情況時，將造成較大的不利影響，對閘門運行、使用產生較大的破壞。為此，在設計鋼閘門時，應充分考慮水流對局部開啟時振動的影響。筆者對撒漁沱電站沖沙閘工作門不同情況進行了振動性分析和結構優(yōu)化，從目前運行情況看，閘門局部開啟時運行良好。

撒漁沱電站位于橫江干流上，采用河床式開發(fā)。泄洪沖沙閘緊靠主廠房右端，采用開敞式，共布置10孔平板鋼閘門，孔口尺寸為9 m×24．5 m。泄洪沖沙閘均采用表孔平面定輪閘門，孔口寬9 m，擋水高度為24 m，閘門高24．5 m。泄洪沖沙閘工作門門葉(從下至上)分為2．9、3．2、3．5、3．8、4．1、7六段。

2 閘門流激振動數據分析

2．1 水彈性模型的設計與制作

該泄洪閘工作閘門采用平面滾動鋼閘門，水封安裝在閘門上游面，具有動水啟閉和泄洪排沙功能，根據來流量變化需作局部開啟運行以調節(jié)流量，因此對閘門結構運行過程中的振動問題值得關注。從本質上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇。閘門結構在動水作用下的運行應符合如下動力方程:

根據上述結構運動方程，考慮到振動試驗一般在水介質中進行，因此，閘門的水彈性模型應同時滿足幾何尺寸、質量密度、阻尼、彈性模量、水流動力等參數的相似性。根據相似原理，經推導可得如下閘門結構各參數的比尺要求。

幾何比尺:Lr

質量密度比尺:Pr=1

彈性模量比尺:Er=Lr

泊松比比尺:μr=1

阻尼比尺Cr=Lr2．5或 ξr=1

該項試驗采用門體質量分布和剛度變態(tài)分布相似模型進行振動特性分析。

2．2 閘門振動的加速度

閘門振動研究的重點是考慮在正常設計工況閘門作局部開啟運行條件下下的流激振動情況。表1給出了泄洪沖沙閘工作門在上游水位高程412．4 m不同開度時門體振動加速度均方根值。

數據顯示:閘門振動量沿門高方向表現出自下而上逐漸遞減的趨勢，緊靠底緣的下節(jié)門葉振動加速度最大，最大振動加速度均方根值達1．1 m/s2。這是由于下泄水流在近底緣處流速增大、對閘門底緣的擾動增加的緣故。門體中部的振動量迅速下降，最大振動加速度均方根值降為0．33 m/s2，為下節(jié)門葉的1/3左右；上部門葉的結構振動量進一步下降，最大振動加速度均方根值僅為下節(jié)門葉的1/6，約為0．19 m/s2，說明下節(jié)門葉的振動量偏大，需要對其加以控制。

2．3 閘門結構的振動位移

與閘門振動加速變化類似，閘門振動量沿門高方向表現出自下而上逐漸遞減的趨勢，表2給出了泄洪沖沙閘工作門上游水位高程412．4 m不同開度時門體振動位移均方根值，閘門下節(jié)門葉振動位移最大均方根值達1．56 mm。門體中部門葉的振動量迅速下降，最大位移均方根值降為0．8 mm，為下節(jié)門葉的1/2；上部門葉的結構振動位移量進一步下降，最大振動位移值僅為下節(jié)門葉的1/10，約為0．16 mm。振動位移以水平向和垂向為大，側向最小。振動位移隨閘門開度的增加而加大，最大振動位移量出現在閘門開度9 m處。顯然，閘門的振動位移隨下泄流量的增加而加大，同時也隨著出閘水流水舌形態(tài)的變化而變化。此外，其還表現在水流對閘門底緣擾動力的增加。

表1 撒漁沱電站沖沙閘工作門門體振動加速度均方根值比較關系表(1孔局開，上游水位高程:412．4 m)

表2 撒漁沱電站沖沙閘工作門門體振動位移均方根值表(1孔局開，上游水位高程:412．4 m)

2．4 小 結

閘門振動試驗結果顯示:在正常設計水位下，閘門作局部開啟運行時，結構振動量沿門高方向自下而上逐漸遞減，最大振動量出現在下部門葉，即第六節(jié)門葉振動量最大；中部門葉的振動量次之；上部門葉振動量小，其振動加速和振動位移兩個參量均表現出同樣特征。

從振動方向看，垂向振動量最大，水平向次之，側向最小，這也反映了閘門結構的受力特征。振動位移以水平向和垂向為大，側向最小。振動位移隨閘門開度和下泄流量的增加而加大，最大振動位移量出現在閘門開度9 m處。

從振源角度看，導致下節(jié)門葉振動量較大的原因主要有以下兩個方面:

(1)下泄水流在近底緣處流速增大，對閘門底緣的擾動力也隨之增加，即對下節(jié)門葉的動力作用也相應增加。

(2)該工程工作閘門沿門高方向分為六節(jié)，每節(jié)門葉間采用鉸接，門葉間的約束剛度較弱。

考慮到閘門的下節(jié)門葉的振動量偏大，根據結構布置特點，可以采用在各節(jié)門葉間增設聯結板的方法對結構布置加以適當調整，以控制閘門的振動量。為此，決定對閘門結構進行優(yōu)化。

3 運行驗證

閘門投入運行后，在一個汛期內進行了兩次閘門局部開啟振動用于驗證。

2009年8月5日，開啟2號沖沙閘排泄閘門前堆積的漂浮物，此時上游水位高程為412 m，入庫流量為600 m3/s左右。閘門從零開度直到12 m開度，上游水面上的漂浮物才被吸到水下并隨水流排到下游。

閘門開度在5 m以下時無振動，水面無渦旋。閘門提升高度達到5 m時逐漸出現漩渦并有振動，且隨著閘門開度的增加而加大。直到開度達到8 m左右閘門振動開始減小，并逐漸在9 m左右結束。

在8月29日的防洪中，按照該電站2009年防洪調度規(guī)程，對閘門進行了組合泄洪。此時上游最高水位高程為412．4 m，下游最高水位高程為399．5 m，最大下泄流量3 200 m3/s。

在上游水位高程為411．6 m以上時，閘門從0提升到4 m均無振動現象出現；

在上游水位高程為408 m以上時，閘門從4米提升至5 m均無振動現象出現；

在上游水位高程為402．5 m以上時，閘門從5 m提升至10 m，閘門出現較輕微的振動，其中閘門在6 m時出現渦旋；6 m到9 m時出現較微小的振動；9 m到10 m時出現渦旋，10 m后閘門工作良好，無振動現象出現。

綜上所述，閘門在5 m以下時無振動現象出現，在5～9 m之間時會出現渦旋和振動，但振動程度尚不激烈。

4 結語

(1)水工鋼閘門抗振動分析對閘門安全運行作用明顯。

(2)水工鋼閘門通過結構優(yōu)化，在局部開啟時振動現象能夠減輕并能控制。

(3)水工鋼閘門門葉節(jié)間的約束剛度與局部開啟時振動程度關聯度較大。

(4)在正常設計水位下，閘門作局部開啟運行時，結構振動量沿門高方向自下而上逐漸遞減。

［1］ 潘錦江．閘門振動問題探討［J］．水利水電科技進展，2001，21(6):21－39．

［2］ 練繼建，彭新民．水工閘門振動穩(wěn)定性研究［J］．天津大學學報，1999，32(2):171－176．

TV7;TV663;TV698．2

B

1001-2184(2015)05-0041-03

鄧智勇(1967-)，男，四川大英人，高級工程師，學士，從事金屬結構制造技術與管理工作．

(責任編輯:李燕輝)

2015-09-28