小灣水電站泄洪洞弧形閘門原型觀測研究

胡木生，耿紅磊

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南鄭州450044）

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小灣水電站泄洪洞弧形閘門原型觀測研究

胡木生，耿紅磊

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南鄭州450044）

通過對小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形測量、動力特性測試、振動響應(yīng)測試、啟閉力測試及脈動壓力測試的原型觀測，找出高水頭大尺寸弧形閘門在運(yùn)行過程中各項(xiàng)參數(shù)的特征值和變化規(guī)律，對泄洪洞弧形工作閘門的運(yùn)行安全性做出分析研究，該研究成果對弧形閘門的安全運(yùn)行操作具有重要的指導(dǎo)意義。

弧形閘門；原型觀測；應(yīng)力，動力特性；動力響應(yīng)

1　前言

小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，在干流河段與支流黑惠江交匯處下游1.5 km處。該工程由混凝土雙曲拱壩（壩高292m）、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞及右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫庫容為149.14×108m3，電站裝機(jī)容量4 200MW（6×700MW）。電站左岸設(shè)一條泄洪洞，進(jìn)口高程為▽1200.00m，在泄洪洞中部設(shè)1孔泄洪洞弧形工作閘門，閘門孔口尺寸為13.00 m×13.50m，設(shè)計(jì)水頭48.00m，底坎高程為1 193.87m，門型為直支臂弧形鋼閘門，采用弧形閘門固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，額定啟門力為2×3 200 kN。

本文通過對泄洪洞弧形工作閘門進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形測量、動力特性測試、振動響應(yīng)測試、啟閉力測試及脈動壓力測試的原型觀測，掌握泄洪洞弧形工作閘門在高水頭、大流量的高速水流作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形量、振動加速度等物理量的數(shù)字特征和譜特征。通過原型觀測發(fā)現(xiàn)了閘門的運(yùn)行安全隱患，有效的降低工作閘門的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對于弧形工作閘門的安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

2　弧形閘門原型觀測的技術(shù)方案

高水頭弧形閘門在啟、閉過程和局部開啟的工作狀態(tài)中，在高速、高壓的動水荷載作用下會出現(xiàn)閘門失穩(wěn)而破壞，造成巨大損失。所以研究弧形閘門，特別是高水頭大尺寸的弧形閘門結(jié)構(gòu)的動荷載與結(jié)構(gòu)的動力特性產(chǎn)生對閘門運(yùn)行不利的組合作用的原型觀測顯得尤為重要。為全面取得弧形閘門運(yùn)行過程中的各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價(jià)資料，在小灣水電站特定庫水位（1232.00m～1236.00m左右）進(jìn)行啟閉操作，閘門全關(guān)～20%開度（2.7m）～40%開度（5.4m）~60%開度（8.1m）~80%開度（10.8m）~全開～全關(guān)，每個工況停留5min。本次原型觀測重點(diǎn)進(jìn)行如下幾方面的研究：

（1）測試弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力是測試受力構(gòu)件從不受水荷載到額定水荷載的應(yīng)力變化量和閘門在泄水過程中主要受力構(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(jià)；

（2）通過三維攝影測量技術(shù)測試弧形閘門在擋水過程中的結(jié)構(gòu)變形，找出弧形閘門運(yùn)行過程中變形最大的位置和變形規(guī)律；

（3）應(yīng)用模態(tài)分析的技術(shù)，測試弧形閘門動力特性，得到弧形閘門整體和主要零部件的模態(tài)參數(shù)（包括固有頻率、振型和阻尼比等參數(shù)）；

（4）測試弧形閘門結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，測得閘門不同開度下流激振動情況，找出弧形閘門運(yùn)行過程中的振動特性（振幅、頻率、加速度）的變化規(guī)律；

（5）測試弧形閘門啟閉力，獲得啟閉力過程線，確定最大啟閉力，確保啟閉機(jī)的安全運(yùn)行；

（6）測試啟閉機(jī)室風(fēng)速；

（7）測試弧形工作閘門脈動壓力，觀測脈動水壓力在不同泄水工況下的誘發(fā)頻率，和閘門固有頻率比較，分析、確定可能發(fā)生的閘門共振現(xiàn)象。

為實(shí)現(xiàn)以上原型觀測的內(nèi)容，需在閘門主要受力部件布置傳感器，同時通過數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、監(jiān)測、存儲，并通過分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。本次原型觀測傳感器布置如下：

（1）本次原型觀測試驗(yàn)共布置應(yīng)力測試點(diǎn)58個，其中弧形工作閘門門葉30個、支臂24個、吊耳板4個；溫度補(bǔ)償測點(diǎn)8個；

（2）布設(shè)攝影測量專用測片258個，其中目標(biāo)測點(diǎn)70個（面板上布置16個，上主橫梁上布置8個，下主橫梁上布置8個，中縱梁上布置8個，上支臂布置18個，下肢臂12個），驅(qū)動及定向測點(diǎn)28個，編碼標(biāo)志點(diǎn)160個；

（3）動力特性測試時拾振器布置如圖1所示；

圖1　動力特性測試拾振器布置圖

（4）泄洪洞弧形工作閘門振動響應(yīng)測試，采用5組無線采集終端，每組8個測點(diǎn)；

（5）在泄洪洞弧形工作閘門面板上共布置4個水壓傳感器；

（6）泄洪洞風(fēng)速測試共布置風(fēng)速傳感器6個。

3　弧形閘門原型觀測試驗(yàn)成果

3.1弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試成果

泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力值發(fā)生在閘門2.7m開度時第50號測點(diǎn)（通道7-8）上，即門葉左起第三縱梁翼板上，下主梁上方第五梁格附近，豎向，測試值121.6MPa。泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)動應(yīng)力測試最大壓應(yīng)力值發(fā)生在閘門0m開度時第6號測點(diǎn)（通道1-6）上，即左上支臂自上游起第七梁格中部腹板左側(cè)，水流方向，測試值-168.5MPa。上述兩側(cè)點(diǎn)在不同開度下應(yīng)力測試結(jié)果見表1，應(yīng)力測試過程線見圖2。

表1　泄洪洞弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果單位：MPa

圖2　結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試曲線圖

3.2弧形閘門變形測試成果

以主橫梁變形測試成果為例，在弧形工作閘門從不擋水到擋水過程中進(jìn)行變形測試，測試成果見表2，各測點(diǎn)變形趨勢見圖3。閘門主橫梁最大變形量為X向0.4mm，Y向4.8mm，Z向1.5mm。閘門主梁最大撓度為1.1mm，小于規(guī)范許用值；受水壓后門葉總體后退變形值為2.0mm，小于水封適應(yīng)變形。

表2　泄洪洞弧形工作閘門主橫梁變形測試成果表單位：mm

圖3　變形測試曲線圖

3.3泄洪洞弧形工作閘門動力特性測試成果

在泄洪洞弧形工作閘門不擋水的狀態(tài)下，對其進(jìn)行動力特性測試。泄洪洞弧形工作閘門整體的動力特性參數(shù)見表3，擬合得到的主橫梁的振型見圖4。

表3　泄洪洞弧形工作閘門整體模態(tài)參數(shù)表

圖4　弧形閘門主橫梁振型圖

3.4泄洪洞弧形工作閘門振動響應(yīng)測試成果

泄洪洞弧形工作閘門原型觀測不同開度時的穩(wěn)態(tài)振動統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)見表4。

表4　弧形閘門不同開度時的穩(wěn)態(tài)振動統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

綜合各測點(diǎn)的振動特征參數(shù)和振動時程曲線，對閘門在泄水過程中振動趨勢的特點(diǎn)分析如下：

（1）泄洪洞弧形工作閘門的上橫梁各點(diǎn)在泄水過程的振動規(guī)律較為明顯，全過程分為如圖5所示的七個開度；其中，在弧形工作閘門全開時振動最大；在4.5m開度中，事故檢修門開始下落，各測點(diǎn)振幅開始減小。

圖5　弧形閘門振動全過程趨勢圖

（2）對泄洪洞弧形工作閘門的上橫梁，上橫梁各測點(diǎn)位置的振動趨勢大體相同，隨著閘門提升高度的增加，各點(diǎn)振動情況逐漸增大，在13.5m振動最為劇烈；后翼板2號測點(diǎn)的振動幅度最大，后翼板1號測點(diǎn)的振動幅度最小。如圖6（a）所示。

（3）下支臂上的各測點(diǎn)在閘門啟閉過程中的振動趨勢相似，在閘門提升到最大開度過程中，各測點(diǎn)的振動逐漸增大，在閘門關(guān)閉的過程中各測點(diǎn)的振動減弱。在各開度下，下支臂翼板的振動比腹板強(qiáng)烈，下支臂靠近橫梁處的振動最大。如圖6（b）所示。

圖6　弧形閘門各測點(diǎn)特征值比較分析圖

3.5泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試成果

（1）泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試電測法

小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，通過在弧形工作閘門吊耳板上粘貼應(yīng)變片測試吊耳板應(yīng)力應(yīng)變值，并通過對吊耳板各測點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行平均，計(jì)算吊耳板拉力值，等效計(jì)算固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的啟閉力（見表5、圖7）。

表5　泄洪洞弧形閘門啟閉力測試電測法測試結(jié)果

圖7　泄洪洞弧形閘門啟閉力測試電測法曲線圖

（2）泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試計(jì)算值

小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，通過在固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)電控柜顯示屏荷載顯示儀上讀取其荷載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)詳見表6，啟閉力過程線如圖8所示。

表6　弧形工作閘門啟閉力測試計(jì)算值

圖8　弧形工作閘門啟閉力測試計(jì)算值

原型觀測中泄洪洞弧形工作閘門啟閉機(jī)進(jìn)行了應(yīng)變電測法啟閉力測試和荷載顯示儀讀數(shù)法啟閉力測試，結(jié)果對比，兩者數(shù)據(jù)基本吻合，所測啟閉力均小于啟閉機(jī)的額定啟閉力。啟閉力容量滿足閘門啟閉要求。

3.6泄洪洞啟閉機(jī)室風(fēng)速測試成果

泄洪洞泄洪時，工作閘門啟閉機(jī)室內(nèi)機(jī)架處最大風(fēng)速為21.9m/s，盤柜處最大風(fēng)速為7.2m/s，且啟閉機(jī)室內(nèi)噪音大。風(fēng)速測試結(jié)果見表7。

表7　泄洪洞風(fēng)速測試結(jié)果

3.7泄洪洞弧形工作閘門脈動壓力測試成果

小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門脈動壓力測試共得到4個測點(diǎn)的壓力時間歷程數(shù)據(jù)，針對4個測點(diǎn)的時間歷程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)在不同開度下的水壓均值、脈動有效值，如表8所示，水壓時程統(tǒng)計(jì)曲線如圖9所示。

表8　水壓均值與脈動值統(tǒng)計(jì)結(jié)果單位：kPa

圖9　水壓均值與脈動值統(tǒng)計(jì)曲線

通過對泄洪洞弧形工作閘門脈動壓力測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，閘門開度變化時，各測點(diǎn)的水壓變化趨勢一致，且脈動壓力數(shù)值與4個壓力傳感器的布置位置相吻合。在閘門運(yùn)行過程中，隨著弧形工作閘門開度的增大，壓力脈動值逐漸變大，直至壓力傳感器離開水面，壓力脈動值跌落為0。當(dāng)泄洪洞弧形工作閘門閉門至4.5m開度時，在動水關(guān)閉泄洪洞平面定輪事故閘門過程中，弧形工作閘門面板的壓力脈動有效值不明顯。

4　泄洪洞弧形工作閘門原型觀測試驗(yàn)結(jié)論

通過對小灣水電站泄洪洞弧形工作閘門原型觀測試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的分析研究，可得出如下結(jié)論：

（1）在試驗(yàn)庫水位為1236.3m時（初始狀態(tài)閘門不擋水），泄洪洞弧形工作閘門運(yùn)動狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力值發(fā)生在閘門2.7m開度時第50號測點(diǎn)（通道7-8）上，即門葉左起第三縱梁翼板上，下主梁上方第五梁格附近，豎向，測試值122.6MPa；最大壓應(yīng)力值發(fā)生在閘門0m開度時第6號測點(diǎn)（通道1-6）上，即左上支臂自上游起第七梁格中部腹板左側(cè)，水流方向，測試值-168.5MPa。泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試值均小于結(jié)構(gòu)材料的允許應(yīng)力值，弧形閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

（2）通過三維攝影測量技術(shù)，找出弧形閘門運(yùn)行過程中變形最大的位置和變形規(guī)律；并且三維攝影測量技術(shù)測得閘門主梁最大撓度為1.1mm，小于規(guī)范許用值；受水壓后門葉總體后退變形值為2.0mm，小于水封適應(yīng)變形，滿足使用要求。

（3）因?yàn)閷?shí)際工程中影響弧形工作閘門結(jié)構(gòu)流激振動的主要是前幾階的模態(tài)參數(shù)，通過動水振動響應(yīng)測試和脈沖壓力測試的結(jié)果分析可知，該閘門在啟閉過程中沒有出現(xiàn)門葉共振現(xiàn)象。

（4）通過對泄洪洞弧形工作閘門的振動響應(yīng)時程曲線分析，可知該弧形工作閘門上橫梁、下支臂各測點(diǎn)在泄水過程的振動周期性特性較為明顯，在閘門全開時其振動幅值的有效值（RMS）最大，最大振動加速度為2.00m/s2；在弧形工作閘門4.5m開度時，事故檢修門開始下落過程中，弧形工作閘門振幅開始減小；在各開度下，下支臂翼板的振動烈度比腹板大，下支臂靠近橫梁處的振動最大。

（5）泄洪洞弧形工作閘門啟閉力測試中電測值和計(jì)算值得最大啟閉力值均小于固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)額定容量，啟閉機(jī)容量滿足工程要求。

（6）通過對啟閉機(jī)室風(fēng)速測試分析可知，啟閉機(jī)室內(nèi)風(fēng)速大、噪音高，建議對泄洪洞工作閘門啟閉機(jī)室內(nèi)操作盤柜及吊掛設(shè)備進(jìn)行加固，保證閘門長時間泄水時，設(shè)備的安全。

（7）泄洪洞弧形工作閘門面板在0m開度時的水壓最大，隨著閘門開度的增大水壓逐漸減小；各脈動壓力測點(diǎn)在第4開度（即8.1m開度）時的脈動中值相對較大，脈動中值最大為5.5 kPa；當(dāng)泄洪洞弧形工作閘門閉門至4.5m開度時，在動水關(guān)閉泄洪洞平面定輪事故閘門過程中，弧形工作閘門面板壓力脈動不明顯。

TV663+.2

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1672-5387（2016）02-0049-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.015

2015-05-27

胡木生（1978-），男，高級工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試與試驗(yàn)工作。