三峽船閘系統聯合調試期水力學原型觀測

劉繼廣等

摘要：三峽船閘金屬結構及機電設備無水、有水(抽水)系統聯合調試條件下，各級輸水系統的原型水力學監測工作于2002年6月至2003年5月間進行。安全監測的主要項目包括閘室輸水特性、閥門區段輸水特性、門楣通氣、閘室空化特性、閥門段空化特性、閥門及人字門啟閉特性、閥門與人字門門體動力特性，監測內容多達20項。抽水調試期中間級閘首工作水頭分別達到了30m、40m、46m和設計工況的45.2m，初始淹沒水深達到了26m的設計條件，并進行了雙邊輸水和單邊輸水、現地控制和集中控制等操作運行條件的比較。本次監測成果系統性及完整性較好，不僅為各級閘閥啟閉控制系統的調試提供了可參比數據，也為船閘的驗收、鑒定、運行管理提供了科學依據，保證了三峽圍堰期蓄水發電和五級船閘試通航目標的實現，對國內外開展高水頭船閘的設計和運行亦有十分重要的參考價值。

關鍵詞：船閘；聯合調試；安全監測；水動力學；原型觀測；三峽工程

三峽船閘的規模和技術復雜程度世界空前，許多方面尚無成熟經驗可借鑒，是在大量物理模型試驗研究、并吸取國內外已建工程經驗的基礎上設計建成的；由于船閘水力特性復雜及模型與原型之間的縮尺效應，因此，在工程建成后，正式投入運行前，開展船閘水力學和動力學方面的監測十分必要。

三峽船閘水力學及動力學監測設計安排在南線五級閘室及各閥門段，分兩個階段實施：2002年6月至2003年5月為配合船閘金屬結構和機電設備系統聯合調試開展第一階段的監測工作；2003年6月以后結合圍堰擋水發電進行第二階段的監測。通過監測旨在發現和預見不利于船閘安全運行的各種水力條件和現象，查找原因，研究對策，以確定船閘正式投入運行后應采取的合理運行方式，并通過完整系統的水力學監測，為工程驗收、制定船閘管理運行規程和確保工程安全提供依據，同時也為今后同類工程的水力學設計及模型預測提供寶貴經驗。本文重點介紹三峽船閘金屬結構和機電設備系統聯合調試階段的監測工作。

1系統聯合調試期水力學監測項目及內容

三峽船閘金屬結構及機電設備系統聯合調試階段水力學監測內容見表1。

2水力學原型監測范圍及測點布置

根據監測設計，在船閘南線的各級閘室廊道、南坡l#～6＃閥門段及上、下游進出口箱涵內共預埋脈動壓力底座116個，水聽器(水流噪聲監測)底座58個，預埋了上述兩種電纜4萬余m，為水力學監測做了大量的基礎準備工作。

根據監測要求，于2002年5月起在南線船閘各閘首安裝了監測門井水位、閘室水位、通氣量、環境噪聲、溫度、閘閥行程、啟閉油壓，及門體振動加速度、應力等各類傳感器共計270余支，其中應變計103支，加速度計70支，安裝各項觀測電纜約5萬余m。

1閘室充泄水過程水力特性 1）泄水與充水過程中閘室內流態、水面波動情況

2）閘室水位（輸水流量、流量系數）

3）閘室廊道時均壓力與脈動壓力（廊道阻力系數）

4）閘室輸水超灌泄水頭

2閥門段充泄水過程水力特性 1）閘門段時均壓力與脈動壓力

2）閥門井水位

3空化特性 1）門楣通氣量及門井空氣噪聲

2）閥門段水流噪聲

3）輸水廊道水流噪聲

4閥門啟閉特性 1）吊桿行程（閥門開度）

2）啟閉機油壓（啟閉力）

5人字門啟閉特性 1）人字門角位移（角速度、角加速度）

2）人字門啟閉機油壓（啟閉力）

6南4、南6閥門動力特性 1）閥門吊桿振動應力

2）閥門振動應力

3）閥門振動加速度

4）閥門脈動壓力

7南4人字門動力特性 1）AB桿振動應力

2）人字門振動應力背拉桿動應力

3）人字門振動加速度

全部安裝工作于2002年8月底完成，在抽水調試之前，閘首及閘室部位總計裝設傳感器480余支，電纜總長達9萬m以上。各測點傳感器技術指標全部達到設計要求，并經過計量檢定。各類監測儀器數量及分布統計見表2。

3監測組織

三峽船閘水力學監測工作特點是：1)戰線長，測站多，測試過程中水流為非恒定流狀態，要求進行全過程實時監測；2)各項數據相互關聯，必須實施同步監測；3)監測參數種類多，技術要求較高，采集儀器及采樣頻率必須滿足不同監測參數的需要。因此，對監測組織工作提出了很高的要求。

首先，在各閘首分別建立了6個監測主站和多個臨時輔站。并視運行情況確定某一閘首為監測主站，上下閘首為輔站，制定了“同步監測、平行移站”的8字方針，從而保證了相鄰兩閘室充泄水過程中，有關弧形工作閥門、閘室、閥門段、人字門等測試數據的相關性。

其次，根據監測內容的性質，在現場按專業劃分了4個小組，即水力學、水流噪聲、動力學3個主要監測小組，另外有1個小組負責上、下閘室的泄水和充水過程的流態攝像、照相、水尺測讀等工作，全方位記錄試驗的全過程。

第三，考慮到本階段監測組次及測點多，監測數據量大，后處理及分析工作任務十分繁重，因此以4個監測小組為主體，在后方組建了資料整編組，以便在當日的監測工作結束后能及時進行數據處理與分析，并于次日提供“監測簡報”，為金屬結構調試及時提供依據。

4監測方法

本階段水力學監測工作除閘室流態和水尺采用攝像與人工讀數外，其余各種參數全部采用計算機控制的同步采集方式。各種觀測數據的采集和分析，采用國內外當前最先進的數據采集分析系統，包括丹麥B&K;公司生產的3560型PULSE噪聲頻譜分析儀、日本共和公司生產的多通道應變儀、國內TOP海量多通道數據采集記錄儀、東方振動研究所的64通道數據采集(DASP和CDSP)系統，以及中國水利水電科學研究院研制開發、并經過多次水力學原型觀測檢驗的DJS00多功能水工數據采集分析系統，全部的采集系統均經過計量檢定，滿足設計規定的觀測精度要求。并按照監測設計要求，在傳感器和采集系統的選型中特別考慮了各類參數的信號頻率，確定采樣頻率和樣本長度。并將相關技術參數分類整編，以滿足觀測設計和后處理分析的要求。

4.1水力學監測方法

閘室、閥門段充泄水過程水力特性監測實施框圖見圖1。

4.2水流噪聲監測方法

閘室及閥門段水流噪聲監測系統見圖2。通過水流噪聲信號的聲級、強度與頻率的關系，判斷水流是否發生空化。

4.3動力學監測方法

反向弧形門和人字門啟閉特性及動力特性監測實施框圖見圖3。

5監測工況

按照有水調試和排干檢查進度計劃，本階段共進行了10次集中抽水調試和補充抽水調試試驗。按設計的水級劃分要求，中間級閥門工作水頭分別達到30m、40m、45.2m和46m，此外還考慮閥門初始淹沒水深、開啟方式、控制方式及啟閉機組合。集中調試期的第1次抽水為檢查閥門止水情況，不作為監測條件，第2次至第10次抽水試驗監測組次及工況見表3。其中第4次一第10次試驗工況中間級閘室達到了45.2m的設計工作水頭及26m設計條件下的閥門初始淹沒水深。集中調試期(結合箱涵沖淤)監測工作于2002年11月10日至2003年1月23日完成。2—4月對南線各級閘室進行排干檢查。4月30日至5月23日，結合箱涵沖淤和試通航驗收前各閘首的集控演示調試，重點進行并完成5、6閘首單、雙邊調試監測，為南線船閘首先投入試通航運行奠定丁堅實基礎。

6主要觀測成果簡介

三峽船閘金屬結構和機電設備系統有水(抽水)聯合調試期，中間級閘首工作水頭分別達到了30m、40m、46m和設計工況的45.2m(末級為22.6m)，初始淹沒水深達到了26m(末級為15.0m)的設計條件，并進行了雙邊輸水和單邊輸水運行工況，現地控制和集中控制操作條件的比較。

經過多次的原型抽水調試，所埋設的各類(480余支)傳感器和多臺采集系統運行正常，總完好率在92％以上，多組次觀測獲得的數據一致性好，說明前期的儀器埋設安裝技術是可靠的，觀測技術方案是可行的，觀測儀器的選型比較合理、精度較高，這標志著船閘水力學原型監測及前期準備工作達到了新的水平。

通過監測分析表明：該船閘總體設計是成功的。各級閘室充泄水時流態平穩；充泄水時間各閘首閥門和人字門開啟時間及最大輸水能力均滿足設計要求；閘室和閥門段的水力特性總體良好，門楣通氣在一定時段內有效地抑制了反向弧形閥門開啟過程中門楣附近區域的水流空化，但因系統流量系數偏大，調試過程中尤其是閥門全開后的最大流量時段，也監測到閥門段和閘室T型管段尚存在水流空化跡象；反向弧形閥門和人字門啟閉過程平穩，最大啟閉力未超過設計容量，門體動力特性良好且滿足設計要求，未見發生強烈的流激振動現象。

本調試階段試驗工況組次多，監測項目及內容廣，累計原始數據總量達300G以上，獲得了豐富翔實的觀測成果。相同條件下，各級閘室和閥門段對應測點的監測數據一致性好、可比性強，不僅為各級閘閥啟閉控制系統的優化運行提供了可參比數據，也為全面、系統分析三峽船閘水力學特性，以及船閘的驗收、鑒定、運行管理提供了科學依據，保證了三峽五級船閘試通航和圍堰發電目標工期的順利實現，該成果對國內外開展高水頭船閘設計和研究亦有十分重要的參考價值。