高壩大庫水電站泄洪閘門原型觀測試驗

龔登位，張德選，胡木生（.華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 67570；.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南　鄭州　450044）

高壩大庫水電站泄洪閘門原型觀測試驗

龔登位1，張德選1，胡木生2
（1.華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南鄭州450044）

小灣水電站泄洪閘門具有工作水頭高、泄洪落差大、泄洪流量大的特點，為進一步優化水庫調度運行方式，有效保證電站泄洪設施的安全運行，進行了原型觀測試驗。結合本次試驗，首次研究采用了三維攝影測量法對閘門進行位移變形測量，并在高水頭條件下進行了泄洪洞事故閘門和泄洪中孔事故檢修閘門的動水閉門試驗。原型觀測試驗結果表明，各閘門結構強度和剛度滿足規范要求。

原型觀測試驗；泄洪閘門；小灣水電站

1　小灣水電站閘門原型觀測試驗背景

小灣水電站是瀾滄江中下游河段的龍頭水庫，正常蓄水位1 240 m，總庫容150億m3。樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、右岸地下引水發電系統和泄水建筑物組成。電站裝機容量 4 200 MW（6× 700 MW），壩高294.5 m。泄水建筑物由壩身5個開敞式泄洪表孔、6個泄洪中孔、2個放空底孔、左岸1條泄洪洞等部分共同組成。

小灣水電站工程最大下泄流量為20 700 m3/s，最大水頭251 m。由于泄洪建筑物場地狹窄、水頭高、泄洪落差大、泄洪流量大，且調度運行復雜多樣，高速水力學、高水頭大流量泄洪消能、泄洪閘門振動及應力變化等問題是小灣水電站安全運行的關鍵技術問題。通過泄洪閘門原型觀測試驗，能及時發現和消除影響電站運行的安全隱患，并根據觀測試驗成果，據實調整完善水庫調度運行方式，以及驗證閘門設計的正確性和設計參數的合理性。根據計劃安排，在2014年8月中旬，庫水位為1 236.0 m附近時開展了小灣水電站泄洪閘門原型觀測試驗。

2　主要試驗內容及試驗計劃

2.1主要試驗內容

（1）開展泄洪閘門的應力測試、變形量測試、動力特性測試、振動響應性測試、啟閉力測試、風速測試、脈動力等測試項目。

（2）首次在小灣水電站泄洪閘門原型觀測試驗中實踐應用三維攝影測量系統。研究選用美國VSTARS攝影三坐標測量系統進行觀測，通過三角測量原理計算各圖像像素間的位置偏差來獲取被測點的三維坐標，根據共線方程計算出目標點的三維坐標及數學模型。

（3）研究閘門應力、振動測試的動態數據傳輸難題，在現場試驗的惡劣條件下采用無線數據傳輸方式進行傳輸，實現無線通訊控制器完成自動平衡、采樣控制、數據存貯處理等功能。

（4）在高水頭下開展泄洪洞事故閘門、1號泄洪中孔事故檢修閘門動水閉門試驗，對閘門的各項技術參數進行全面采集和分析對比。

2.2試驗計劃

2014年8月15日小灣水電站完成泄洪閘門原型觀測試驗各項準備工作，8月16日組織了試驗安全技術交底、試驗操作演練。2014年8月17日～22日完成全部試驗，試驗總體情況正常。試驗工作計劃見表1。

表1　試驗工作計劃

3　泄洪閘門原型觀測

3.1應力測試

小灣水電站閘門應力應變測點主要布置在面板、主橫梁、吊耳、縱梁、支臂、支鉸及可能的應力集中、突變部位。主要開展閘門靜應力測試和動應力測試，動應力測試主要測定運動狀態，即主要受力構件的應力應變過程線。根據相關工程經驗，小灣水電站閘門原型觀測試驗結構應力測試優化采用日本進口的水下三線電阻應變片。

3.2變形量測試

根據小灣水電站閘門原型觀測試驗的變形觀測要求，經分析現場實施作業的可行性、經濟性等，綜合決定采用三維攝影測量系統。攝影測量的基本原理是從兩個（或多個）位置拍攝同一工件，以獲取在不同視角下的圖像，通過三角測量原理計算各圖像像素間的位置偏差（即視差）來獲取被測點的三維坐標。圖1為同一相機在兩個位置拍攝同一物體時的情況，圖2為物方空間與像方空間的對應關系。

圖1　相機拍攝物體示意

圖2　物方空間與像方空間的對應關系

從圖1、2可知，目標點、相機中心和相點三點構成共線方程，根據共線方程可結算出目標點的三維坐標，通過對變形前后的三維坐標的計算分析，可得到各測點的變形量。

小灣水電站閘門原型觀測試驗變形測量選用VSTARS攝影三坐標測量系統。V-STARS系統是由美國GSI公司研制的工業數字近景攝影三坐標測量系統，該系統主要具有三維測量精度高（相對精度可達1/20萬）的特點。小灣水電站首次研究采用三維攝影測量法對閘門進行位移變形測量，填補了原型觀測閘門位移和變形測量在此方面的技術空白。

3.3動力特性測試

動力特性測試主要包括閘門結構的自振頻率、阻尼系數和振型等基本參數測試，也稱為閘門的動力參數測試或模態參數測試。小灣水電站閘門原型觀測試驗采用丹麥B&K公司生產的3560C PLUS振動測試系統，通信距離可達150 m，可測量高達40次的諧波信號。

3.4振動響應測試

國內電站閘門在原型觀測方面做的工作不多，尤其是動力響應的綜合性觀測、監測案例較少，小灣水電站閘門原型觀測試驗提出了閘門動力響應觀測的技術內容，為此建立了一個良好的開端。其原型觀測試驗采用丹麥B&K公司生產的3560C PLUS振動測試系統，該系統可測量高達40次的諧波信號。

3.5啟閉力測試

測試閘門啟閉全過程，獲得啟閉力過程線，確定最大啟閉力；對事故閘門應測試動水閉門的持住力及其過程線，根據測試數據推算設計工況下的啟門力、持住力和閉門力。

3.6脈動力測試

由于高水頭電站深孔過流的流態分析以及引起閘門振動的振源十分復雜，對流道和閘門前工作條件下的壓力脈動測試的技術難度較大。小灣水電站閘門壓力脈動測試采取在弧形閘門門葉面板上開孔，布置脈動壓力傳感器。根據弧形閘門的幾何尺寸和流道測試需要，在動態下采集閘門面板上游邊壁的壓力脈動。

4　主要成果及基本結論

4.1泄洪洞工作閘門原型觀測、事故檢修閘門動水落門（工況1、2）

（1）泄洪洞工作閘門原型觀測。泄洪洞弧形工作閘門原型觀測試驗水頭為45.9 m，大于設計水頭。工作閘門分別在局開和全開工況下觀測，各測點的靜應力均小于允許應力，工作閘門啟閉力均小于啟閉機的額定啟閉力。從閘門原型觀測的頻譜分析，閘門在第6開度（13.5 m）處振動激烈，對應的最大拉應力值為39.42 MPa，小于允許應力且沒有發生應力峰值。工作閘門擋水工況下，閘門主梁最大撓度為1.1 mm，小于允許值。泄洪洞泄洪時，工作閘門啟閉機室內機架處最大風速為21.9 m/s。工作閘門在啟閉運行工況下閘門脈動壓力值最大為0.005 470 MPa，滿足規范要求。

（2）泄洪洞事故檢修閘門動水落門。泄洪洞事故檢修閘門開展了動水閉門試驗，進行啟閉力、事故門槽風速、水位和水流狀態觀測。閉門持續時間25 min，最大閉門力發生在閘門開度為3 m時，閉門力為5 919 kN。整個閉門過程啟閉機機架振動較小，未出現激烈振動及異響。事故檢修閘門動水閉門力測試過程中閘門閉門力均小于啟閉機的額定啟閉力，啟閉力容量滿足閘門啟閉要求。

4.24號泄洪中孔弧形工作閘門原型觀測（工況3）

4號泄洪中孔工作門在局開、全開方式下進行閘門原型觀測，閘門試驗水頭為87.6 m，大于設計水頭。靜水狀態下測得4號泄洪中孔工作閘門的結構靜應力為60.15 MPa，閘門結構動應力測試最大拉應力發生在開度為1.3 m時的門葉左起第一縱梁翼板上，值為67.99 MPa。工作閘門在5.2 m開度時整體振動最劇烈，對應最大拉應力值為64 MPa，小于允許應力且未發生應力峰值。工作閘門在擋水工況下，閘門主梁最大撓度為0.7 mm，小于允許值。

4號泄洪中孔工作閘門啟閉力測試最大應力發生在1.3 m和4.5 m開度時，位于左側活塞桿上，值為7.09 MPa。根據啟閉力應力測試值計算，閘門最大啟門力發生在開度為1.3 m時，值為2 232.76 kN，閘門液壓啟閉機各個工況的啟閉力均小于額定啟閉力。最大閉門力發生在閘門開度為4.5 m時，讀數值1 430.96 kN。閘門最大啟閉力測試計算值均小于液壓啟閉機的設計額定容量。

4.31號泄洪中孔弧形工作閘門原型觀測（工況4）

1號泄洪中孔工作閘門在局開、全開方式下進行閘門原型觀測，工作閘門水頭為71.551 m，大于設計水頭。工作閘門在擋水工況下，各測點的靜應力、結構計算應力、各測點的動應力均小于允許應力，門葉結構強度滿足要求。

從工作閘門原型觀測的頻譜分析中可知，隨著閘門開度的提升振動特征值呈增大的趨勢，在5.2 m開度時閘門整體振動最劇烈，對應的最大拉應力值為64.00 MPa，小于允許應力且沒有發生應力峰值，表明該閘門的結構設計滿足強度要求。主梁撓度計算值小于允許值，最大撓度為0.5 mm。工作閘門液壓啟閉機各個試驗工況的啟閉力均小于啟閉機的額定啟閉力，啟閉力容量滿足閘門啟閉要求。

4.43號泄洪表孔弧形閘門原型觀測（工況5）

3號泄洪表孔閘門在局開、全開方式下進行閘門原型觀測，試驗水頭為13.4 m，大于設計水頭，滿足原型觀測的要求。在閘門擋水工況下，各測點的靜應力和動應力均小于允許應力。從閘門原型觀測的頻譜分析中可知，在開度為3 m時，閘門局部有振，但不強烈。通過閘門動水振動響應測試分析，閘門在啟閉過程中不會出現門葉共振現象。閘門變形測量主梁最大撓度為1.0 mm，小于允許值。

4.51號泄洪中孔事故檢修閘門動水落門試驗（工況6）

1號泄洪中孔工作閘門在開度為2.6 m泄水時，事故檢修閘門進行了動水閉門試驗，閉門持續時間11 min。事故檢修閘門最大閉門力發生在閘門剛入槽段，值為2 761 kN；在開度達到4 m以前，閘門閉門平穩，后段門槽內振動聲先逐漸加大，到開度為3 m時最大，隨后逐漸減弱，整個閉門過程未出現強激烈振動及異響。試驗過程中閘

門閉門力均小于啟閉機的額定啟閉力，各測點的動應力均小于允許應力，動水閉門時門槽補氣充分。

4.6主要基本結論

溢洪道表孔弧形工作閘門、1號和4號泄洪中孔弧形工作閘門、泄洪洞弧形工作閘門及事故閘門的原型觀測試驗結果表明，各閘門結構強度和剛度滿足規范要求，閘門在啟閉過程中不會出現門葉共振現象，可滿足各開度開啟要求，啟閉機容量滿足閘門啟閉要求，閘門設計滿足動水閉門要求。1號泄洪中孔事故檢修閘門的動水閉門原觀試驗表明，壩頂門機容量滿足閘門啟閉要求，閘門設計滿足動水閉門要求。

5　結語

小灣水電站在泄洪閘門工作水頭高、泄洪落差大、泄洪流量大的試驗條件下，通過全面的原型觀測試驗，驗證了電站金屬閘門結構的各項技術參數滿足設計及規范要求，為進一步優化水庫調度運行方式提供了依據，有效保證了電站泄洪設施的安全運行。小灣水電站首次在行業內研究采用三維攝影測量法對閘門進行位移變形測量，并在高水頭條件下進行了泄洪洞事故閘門和泄洪中孔事故檢修閘門的動水閉門試驗，可為同類工程的閘門原型觀測試驗提供借鑒。

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（責任編輯焦雪梅）

Prototype Measurement Experiment of High-head and Large-flow Flood Discharge Gate in Hydropower Station

GONG Dengwei1，ZHANG Dexuan1，HU Musheng2
（1.Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China；2.National Center of Quality Inspection&Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450044，Henan，China）

The flood discharge gates in Xiaowan Hydropower Station operate with high head，large flood gap and large flood discharge flow.For further optimize reservoir operation mode and effectively ensure the safe operation of spillway facilities，the prototype measurement experiments of gate are conducted.The three-dimensional photogrammetry is firstly used to measure the displacement deformation of gate，and the closing testes of spillway tunnel emergency gate and middle orifice emergency gate under the conditions of high head and hydrodynamic load are also carried out.The results of prototype measurement experiments show that the structural strength and rigidity of gates meet the requirements of specifications.

prototype measurement experiment；flood discharge gate；Xiaowan Hydropower Station

TV663（274）

A

0559-9342（2015）10-0064-03

2015-07-29

龔登位（1979—），男，四川達州人，工程師，主要從事水電廠生產技術管理.