太平哨電站泄洪壩弧形閘門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)研究

趙振華 張宇飛 王山山

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京 210098）

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人們需求的不斷增加，越來(lái)越多的閘門(mén)被用于水利工程當(dāng)中.由于弧形閘門(mén)不設(shè)門(mén)槽，啟閉力較小，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、水力學(xué)條件好并且能滿(mǎn)足各種類(lèi)型泄水孔道需要的優(yōu)點(diǎn)［1］.弧形鋼閘門(mén)已經(jīng)成為水工建筑物中運(yùn)用最為廣泛的一種門(mén)型.縱觀國(guó)內(nèi)外水利樞紐中弧形閘門(mén)實(shí)際運(yùn)行中的情況，閘門(mén)在啟閉過(guò)程中或局部開(kāi)啟時(shí)，都可能發(fā)生振動(dòng)［2］.引起閘門(mén)振動(dòng)的原因來(lái)自許多方面，情況比較復(fù)雜.但綜合國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家的研究認(rèn)為，閘門(mén)在啟閉運(yùn)行中的振動(dòng)都是由于動(dòng)水作用的不平穩(wěn)所引起的［3－4］.黃廷璞等［5］通過(guò)對(duì)我國(guó)20多座弧形閘門(mén)破壞事故的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)失事閘門(mén)均是在明顯的振動(dòng)荷載作用下引起閘門(mén)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，從而造成弧形閘門(mén)支臂動(dòng)力失穩(wěn)而導(dǎo)致閘門(mén)破壞.因此，閘門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題是水利工程中一個(gè)非常重要的研究課題［6］.

引起每個(gè)閘門(mén)振動(dòng)的外因雖有不同解釋?zhuān)?］，諸如閘門(mén)開(kāi)度、后門(mén)淹沒(méi)水躍、止水漏水、閘門(mén)低緣型式等.但是引起閘門(mén)振動(dòng)的內(nèi)因都與閘門(mén)結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān).閘門(mén)的自振頻率是閘門(mén)結(jié)構(gòu)的固有屬性，與閘門(mén)結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布和材料屬性有關(guān).并且閘門(mén)振動(dòng)的大小取決于閘門(mén)結(jié)構(gòu)的自振頻率與激勵(lì)頻率的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的剛度與阻尼.當(dāng)作用力的激勵(lì)頻率接近或等于閘門(mén)的自振頻率時(shí)，閘門(mén)就會(huì)發(fā)生共振，從而使閘門(mén)受到損害.雖然關(guān)于閘門(mén)振動(dòng)的研究有多種方法，但由于諸多方面的原因現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)仍是研究閘門(mén)振動(dòng)的重要方法［8］.因此，為了確保閘門(mén)在運(yùn)行中的安全性，必須定期組織對(duì)閘門(mén)進(jìn)行全面深入的振動(dòng)試驗(yàn)研究.

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

太平哨水電站地處遼寧省丹東市寬甸滿(mǎn)族自治縣東部山區(qū).電站為混合式開(kāi)發(fā)，水力樞紐由主壩、副壩、引水道和廠房等建筑物組成，水電站為二等工程，大壩為2級(jí)建筑物.大壩為混凝土重力壩，壩頂高程196.0m，壩頂全長(zhǎng)555.6m，最大壩高44.0m，頂寬8.0m，共36個(gè)壩段.主壩在3號(hào)－23號(hào)壩段設(shè)有開(kāi)敞式溢流口，布置20個(gè)工作門(mén)，門(mén)型為弧門(mén)，堰頂高程181.5m，孔口尺寸為12m×10.5m.為高孔泄洪，最大泄流量為18 600m3／s，挑流、面流消能方式.閘門(mén)全局現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示.

圖1 閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)圖

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)方案

由于太平哨電站泄洪壩的20孔弧形閘門(mén)，其尺寸、材料均相同，并且避免20個(gè)閘門(mén)全部進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)水量損失過(guò)大.本次僅選取了兩個(gè)典型的閘門(mén)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，壩中10號(hào)孔弧形閘門(mén)和平常開(kāi)啟噪聲較大的17號(hào)孔弧形閘門(mén)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)研究.分別對(duì)這兩個(gè)閘門(mén)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性試驗(yàn)（自振頻率、阻尼）和閘門(mén)啟閉過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)（加速度）試驗(yàn).

試驗(yàn)中在每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一枚CL－YD－103型壓電式加速度傳感器來(lái)測(cè)量布置點(diǎn)的加速度，經(jīng)由DH5857－1電荷適調(diào)器連接到DHDAS5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，并由計(jì)算機(jī)來(lái)控制和數(shù)據(jù)保存.此外，在用瞬態(tài)激勵(lì)法做閘門(mén)動(dòng)力特性試驗(yàn)時(shí)，還采用了安裝有力傳感器的激勵(lì)力錘.10號(hào)和17號(hào)弧形閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性試驗(yàn)加速度傳感器布置如圖2所示.

圖2 動(dòng)力特性試驗(yàn)傳感器布置圖

在做閘門(mén)的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)考慮到閘門(mén)在啟閉運(yùn)行時(shí)水流脈動(dòng)壓力主要作用在閘門(mén)結(jié)構(gòu)的下部.根據(jù)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和受力狀況，在閘門(mén)上下主梁共選擇7個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)布置加速度傳感器.10號(hào)和17號(hào)弧形閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)加速度傳感器整體布置情況如圖3所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器安裝效果如圖4所示.

圖3 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)傳感器整體布置圖

圖4 傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置 效果圖

2 閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

2.1 基本原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，可將無(wú)限自由度的閘門(mén)離散為有限自由度系統(tǒng)，其振動(dòng)微分方程為

式中，M、C和K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛¨X（t）｝、｛˙X（t）｝和｛X（t）｝分別為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度、速度和位移列陣；｛F（t）｝為外荷載列陣.將式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換，得到系統(tǒng)在復(fù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)：

式中，n為系統(tǒng)自由度；｛φi｝為第i階模態(tài)振型；Ki、Ci、mi分別為第i階模態(tài)剛度、阻尼和質(zhì)量；ω為圓頻率；J為虛數(shù).根據(jù)振型的正交性和互易原理，求得上述傳遞函數(shù)矩陣的任一列或任一行，就可構(gòu)成系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣，并通過(guò)迭代擬合，計(jì)算閘門(mén)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)［9］.

本次試驗(yàn)采用多點(diǎn)激振單點(diǎn)響應(yīng)的方法.在試驗(yàn)中采用瞬態(tài)激勵(lì)法，用激勵(lì)力錘敲擊閘門(mén)，對(duì)閘門(mén)施加一脈沖力F（t），由于脈沖信號(hào)的頻率成份很豐富，在很寬的頻帶內(nèi)各頻率成分信號(hào)的能量幾乎相等，可將結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)激發(fā)出來(lái)［10］.通過(guò)固定在閘門(mén)上A點(diǎn)的加速度傳感器就可得到每次敲擊所對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)程曲線.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 空載時(shí)弧形閘門(mén)的動(dòng)力特性

試驗(yàn)工況上下游均為無(wú)水狀態(tài)，用激勵(lì)力錘敲擊閘門(mén).激勵(lì)力錘沖擊力典型時(shí)程曲線如圖5所示.

圖5 激勵(lì)力錘沖擊力典型時(shí)程曲線

測(cè)得10號(hào)和17號(hào)兩孔弧形閘門(mén)的基頻分別為16.58Hz和15.63Hz.同時(shí)計(jì)算得兩孔閘門(mén)的阻尼分別為1.6%和2.5%.10號(hào)閘門(mén)和17號(hào)閘門(mén)在空載下的加速度典型衰減曲線如圖6所示.

圖6 空載下閘門(mén)加速度衰減典型時(shí)程曲線

2.2.2 有載時(shí)弧形閘門(mén)的動(dòng)力特性

試驗(yàn)工況為上游充滿(mǎn)水，下游無(wú)水狀態(tài).按同樣的方法用激勵(lì)力錘敲擊閘門(mén).測(cè)得10號(hào)和17號(hào)閘門(mén)的基頻分別為14.56Hz和13.67Hz.阻尼分別為2.4%和3.3%.10號(hào)閘門(mén)和17號(hào)閘門(mén)在有載下的加速度典型衰減曲線如圖7所示.

圖7 有載下閘門(mén)加速度衰減典型時(shí)程曲線

3 閘門(mén)啟閉過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)

閘門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，受水流脈動(dòng)壓力的影響，閘門(mén)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng).閘門(mén)結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性是影響閘門(mén)振動(dòng)的內(nèi)在因素，而水流脈動(dòng)壓力是影響閘門(mén)振動(dòng)的外部因素.脈動(dòng)壓力的大小和頻率對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的量級(jí)起著至關(guān)重要的作用，它的形成又與閘門(mén)開(kāi)度，閘前水頭以及堰面曲線等因素有關(guān).由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制僅對(duì)10號(hào)和17號(hào)閘門(mén)在不同開(kāi)度的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn).

1）試驗(yàn)結(jié)果顯示，10號(hào)閘門(mén)在啟門(mén)過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為12.84m／s2，有效值為2.36m／s2，發(fā)生在下主梁3號(hào)點(diǎn)；閘門(mén)在閉門(mén)過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為8.30m／s2，有效值為1.85m／s2，發(fā)生在下主梁4號(hào)點(diǎn).啟門(mén)過(guò)程10號(hào)閘門(mén)加速度的典型時(shí)程曲線如圖8（a）所示.

2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，17號(hào)閘門(mén)在啟門(mén)過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為8.85m／s2，有效值為2.85m／s2，發(fā)生在下主梁1號(hào)點(diǎn)；閘門(mén)在閉門(mén)過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為8.07m／s2，有效值為2.77m／s2，發(fā)生在下主梁3號(hào)點(diǎn).啟門(mén)過(guò)程17號(hào)閘門(mén)加速度的典型時(shí)程曲線如圖8（b）所示.

3）10號(hào)閘門(mén)在啟門(mén)過(guò)程中，在到達(dá)0.18m開(kāi)度時(shí)，加速度達(dá)到最大值.此后，閘門(mén)振動(dòng)加速度隨開(kāi)度的增加逐漸減小，至4m開(kāi)度以后逐漸變平緩.

圖8 閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中典型加速度時(shí)程曲線

17號(hào)閘門(mén)在啟門(mén)過(guò)程中，在到達(dá)3.55m開(kāi)度時(shí)，加速度達(dá)到最大值.此后，閘門(mén)振動(dòng)加速度隨開(kāi)度的增加逐漸減小，至5.63m開(kāi)度以后逐漸變平緩.把10號(hào)和17號(hào)閘門(mén)下主梁中點(diǎn)實(shí)測(cè)加速度與閘門(mén)開(kāi)度關(guān)系繪制成曲線，如圖9所示.

圖9 振動(dòng)加速度與閘門(mén)開(kāi)度的關(guān)系

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)太平哨電站泄洪壩10號(hào)和17號(hào)弧形鋼閘門(mén)原型的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納整理，得到以下結(jié)論：

1）頻率和阻尼是反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的量化參數(shù).從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，空載工況下10號(hào)和17號(hào)閘門(mén)的基頻非常接近，分別為16.58Hz和15.63Hz，相對(duì)誤差為6.1%.盡管兩孔閘門(mén)尺寸和材料完全相同，但由于閘門(mén)在制作和安裝過(guò)程中存在的差異，以致于兩孔閘門(mén)的基頻不完全相同.

2）從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出閘門(mén)在有載工況下的基頻和阻尼與空載工況下的基頻和阻尼非常接近.并且由于有載工況下閘門(mén)門(mén)葉周邊約束相對(duì)加強(qiáng)，有載工況下第一階振型的阻尼要大于無(wú)載工況下相應(yīng)階次振型的阻尼，而有載工況下的基頻要小于無(wú)載工況下的基頻.

3）從圖9可看出，10號(hào)閘門(mén)在0.18m開(kāi)度時(shí)主梁出現(xiàn)加速度最大值，而17號(hào)閘門(mén)在3.55m開(kāi)度時(shí)主梁出現(xiàn)加速度最大值.10號(hào)和17號(hào)閘門(mén)的振動(dòng)加速度響應(yīng)與閘門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系曲線雖不完全相同，但閘門(mén)振動(dòng)加速度與閘門(mén)開(kāi)度的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)總體都是臨界開(kāi)度以前，振動(dòng)加速度響應(yīng)隨開(kāi)度的增大而增大，在臨界開(kāi)度時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)超過(guò)臨界開(kāi)度后加速度響應(yīng)又隨開(kāi)度的增加而逐漸減小，至變化逐漸平緩.

4）兩扇弧形閘門(mén)的振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值都不算特別大.鑒于目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn)，為了確保閘門(mén)在啟閉中的安全運(yùn)行，建議避免在0.1～5m開(kāi)度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行.

［1］ 張友明.低水頭弧形閘門(mén)振動(dòng)問(wèn)題研究［J］.中國(guó)水利，2005（6）：42－43，58.

［2］ 練繼建，彭新民，崔廣濤，等.水工閘門(mén)振動(dòng)穩(wěn)定性研究［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32（2）：40－45.

［3］ 潘錦江.閘門(mén)振動(dòng)問(wèn)題探討［J］.水利水電科技進(jìn)展，2001，21（6）：36－39.

［4］ 潘錦江，陳小濤.淺談閘門(mén)的振動(dòng)問(wèn)題［J］.廣東水利水電，2001（2）：5－8.

［5］ 黃廷璞，危 玢.我國(guó)低水頭弧形閘門(mén)失事調(diào)查和初步分析［J］.金屬結(jié)構(gòu)，1986，（2）：18－26.

［6］ 姜文潭，邵龍?zhí)叮瑥堄览?高拱壩泄洪中孔弧形閘門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，34（1）：68－74.

［7］ 朱召泉，卓家壽，陶桂蘭.弧形鋼閘門(mén)的動(dòng)力穩(wěn)定性研究進(jìn)展［J］.1999，19（5）：27－29，37.

［8］ 姬銳敏，蔣昌波，徐尚農(nóng)，等.弧形閘門(mén)流激振動(dòng)原型觀測(cè)方法探討［J］.交通科學(xué)與工程，2013，29（2）：71－78.

［9］ 嚴(yán)根華.水動(dòng)力荷載與閘門(mén)振動(dòng)V水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2001（2）：10－15.

［10］劉禮華，袁文陽(yáng)，孟吉復(fù)，等.鳳灘弧形閘門(mén)局部開(kāi)啟原型振動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，1997，30（3）：30－34.