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村尾村附近的建溪支流南浦溪上，是一個以發電為主，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,為日調節水庫。電站裝機容量16MW，保證出力2.14MW，年利用小時3560h,多年平均發電量0.5695億KW.h，紅湖水電站工程樞紐主要由溢流壩、發電廠房、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、發電廠房、兩岸擋水壩等主要建筑按3級建筑物設計。擋水壩、溢流壩、廠房等防洪重新批復降為50年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核；廠房下游側防洪標準按50年一遇洪水設計，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產生較大影響，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生振動，如果振動較為劇烈，甚至會對建筑物產生破壞。而導致閘門出現振動的原因也是較為多樣化的，主要受到內部因素以及外部因素的共同作用影響，例如閘門的結構剛度、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、數值模擬以及模型試驗結合數值模擬法。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，而且所得的試驗結果也不是很準確。如果采用數值模擬法來模擬水流作用所導致的閘門振動流固耦合現象，但是由于這一方法的要求較高，利用當前的技術條件是很難滿足要求的。模型試驗結合數值模擬的方法，是通過把模型試驗所得的數據轉化成施加到閘門數值模型節點上的荷載，然后來對閘門振動情況進行響應，如此一來，不但能夠有效節約時間，還能夠提升模擬結果的準確性。

2 弧形鋼閘門振動分析

2.1 結構固有特性

對于鋼閘門的振動而言，通過優化結構其各轉動部位和支臂之間的摩擦性能、弧形鋼閘門的質量、上下游水位差和水動力荷載以及支臂結構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，發出異響和振動。因此在進行現場巡檢的時候，主要的觀測內容有啟閉力、頻率、靜動力應力、振動幅度、阻尼系數、位移等等，而這些內容主要受到結構形式、閘門材料還有結構的連接影響。對于弧形鋼閘門而言，其發生振動的頻率和支臂其結構形式有著非常大的關系，通過進行動力模態分析，結果顯示，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；在進行弧形閘門面板的結合前，需要對閘門結構低階頻率進行橫向控制，已實現振動效應的控制。

2.2 工作狀態分析

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，此時閘門就會出現劇烈的振動，情況嚴重甚至會出現共振或者失穩的現象。當閘門出現共振時，振幅劇烈，在門葉結構當中會出現不正常應力及應變，導致閘門金屬構建疲勞、變形、焊縫開裂、緊固件松動，導致閘門結構受到破壞。經分析弧形振動過程中，其復雜程度和工作狀態有著非常緊密的聯系，通過觀察發現，閘門在進行開啟的時候所產生的振動要強于關閉過程。在動力條件下進行測試閘門在開啟和關閉還有局部開啟過程中的工作性態，其中所涉及的相關參數主要有阻尼比、固有頻率還有結構振型。在采用有限元動力分析時發現，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，但是當自振頻率高于三階時，那么所得的模擬結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律。通過分析現場檢測資料結果顯示，當開啟弧形鋼閘門時，當并開度處于60%～80%之間時所產生的振動最為強烈，此時支臂側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，主要研究以復雜邊界條件與流固耦合相結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導致其共振的重要因素。弧形鋼閘門在水流場振動時，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構上，使得弧形鋼閘門系統的剛度、強度、振動性質發生變化。根據現場監測資料分析發現，紅湖水電站弧形鋼閘門在日常運行中開啟高度、過閘水位、閘頂流態影響其振動振幅、振動頻率、位移、方向、加速度等參量變化規律。

流態穩定時，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定流態時，脈動壓力將呈現更為復雜的演化規律，此時水動力荷載比穩定流在量級上將出現顯著差異，所產生的巨大激振力作用于弧形閘門，誘發了結構強烈的振動效應。如何能有效降低或消除水流激勵力與脈動高能區對閘門啟閉影響是一項閘門結構設計需要考慮的重要內容。

3 閘門機械營運管理

3.1 設備優缺點分析

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或者是全開的狀態下，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構當中，能夠按照實際情況來實現智能調節。

3.2 設備系統管理

（1）日常維護。應按照河道的實際運營現狀，在進行維護檢修的過程中，應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、腐蝕破壞物質還有藻類等。所以在日常維護過程中，需要加強對于制動設備、開關、啟閉空間還有供電設備的維護。（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，以避免出現突發情況而對于閘門的啟閉產生影響。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銹蝕掉漆情況，可能會對閘門的工作性能產生影響。所以，在實際運行過程中，需要依據河道水位的變化情況來定制相應的閘門除銹計劃。（4）反饋與優化。在進行弧形鋼閘門的設計過程當中，難免會出現摩擦，通過利用現有結構來實現優化設計，能夠有效調節閘門的工作狀態。為了更好的制造出弧形鋼閘門，在日常運維中，應當收集整理閘門啟閉信息并和制造企業加強溝通反饋。

4 結語

對于弧形鋼閘門而言，閘前水流特性、環境邊界條件還有結構自身形式這些方面都會對其振動特性產生一定影響。而閘門相對水深、開啟角度還有結構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生影響，而所產生的影響規律則需要利用現場檢測資料還有數值模擬計算來進行分析。