弧形閘門流激振動原型觀測試驗技術研究

盛旭軍，胡木生，張 兵，耿紅磊

（1.水利部綜合事業局，北京100053；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南鄭州450044）

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弧形閘門流激振動原型觀測試驗技術研究

盛旭軍1，胡木生2，張 兵2，耿紅磊2

（1.水利部綜合事業局，北京100053；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南鄭州450044）

摘要：隨著越來越多高水頭弧形閘門的投入使用，對弧形閘門原型觀測試驗技術手段提出了更高的要求。在現階段國內外尚無水工金屬結構原型觀測專項技術標準狀況下，以糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門原型觀測試驗為例，通過采用先進的測量儀器和數據分析法，對弧形閘門的動力特性和動力響應進行了綜合評價和研究。

關鍵詞：水利水電工程；弧形閘門；流激振動；動力特性；動力響應；原型觀測試驗

1　工程概況

云南省瀾滄江糯扎渡水電站位于云南省思茅市，左岸是翠云區，右岸是瀾滄縣，思茅—瀾滄公路通過壩址區。糯扎渡水電站是瀾滄江中下游梯級規劃二庫八級電站的第五級，在瀾滄江中下游八座梯級電站中，裝機容量、水庫容積和發電量均屬最大。糯扎渡水電站壩址以上流域面積（14.47×104）km2，多年平均流量1730m3/s，水庫總庫容（237.03×108）m3，具有多年調節性能，電站裝機容量5850MW。電站金屬結構根據水工樞紐建筑物的總體布置，有引水發電系統金屬結構、泄洪系統金屬結構和導流系統金屬結構3部分。

左岸泄洪隧洞長956.077m，進口底板高程721m，工作閘門前有壓段長247.27m，過水斷面為圓形，內徑12m。在進口段，孔口由中墩一分為二，設2孔2扇弧形工作閘門，孔口尺寸5.0m× 9.0m，校核洪水位時最大泄量3339m3/s，閘孔處最大流速37.1m/s［1］。左岸泄洪洞1#弧形工作閘門采用直支臂、主縱梁結構，設計水頭103.0m，主要材料為Q345B，面板曲率半徑15.0m，支鉸高12.5m，支承跨度3.8m，支臂夾角33.45°，支鉸與水平線夾角34.61°；動水啟閉，啟閉機容量5500kN/1500kN。

2014年9月7日，在庫水位805.93m下進行了糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門的原型觀測試驗。原型觀測試驗記錄了弧形工作閘門啟門、20%開度、40%開度、60%開度、80%開度、100%開度（全開狀態下50min）及閉門全過程的完整原型試驗數據，其中包括弧形工作閘門結構靜應力、位移與變形、動力特性和啟閉過程中的動應力、動力響應、啟閉力、啟閉機室風速、水流流態等。本文僅對其動力特性、動力響應進行分析與研究。

2　原型觀測試驗方案

2.1動力特性測試

弧形閘門的動力特性反映閘門結構的固有特性。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，也稱為動力參數測試或模態參數測試。弧形閘門的動力特性與閘門的結構形式、結構剛度、材料性質、構造連接有關，而與外載荷無關［2］。弧形閘門動力特性測試對分析和研究閘門結構的抗振和抗動載的能力起著非常關鍵的作用［3］。

針對糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門，其振動系統的二階動力學微分方程表示為［4］：

其中M∈Rn×n為質量矩陣，C∈Rn×n為阻尼矩陣，K∈Rn×n為剛度矩陣，且M，K非奇異陣，Z（t）∈Rn為位移向量，F（t）∈Rn為外部激勵。在線性理論框架下討論弧形閘門動力特性測試，對式（1）進行轉化和相似變換：

對式（2）進行條件定義和轉化，則弧形閘門振動系統的輸出向量可表示為：

式中Cn為加速度的輸出矩陣、Cr為速度的輸出矩陣、Cd為位移的輸出矩陣。弧形閘門時間連續系統的觀測方程可表示為：

其中Cc∈RL×N為連續時間的輸出矩陣（又稱觀測矩陣），Dc∈RL×n為連續時間直接輸出矩陣。

將弧形閘門門葉結構和支臂分別視為n自由度線性系統，將上式（3）、式（4）結合，表示為連續時間狀態空間模型如下：

式中X（t）為系統輸入，Y（t）為系統輸出，u（t）為噪聲。對響應輸出數據進行相關分析，用響應信號的自相關矩陣構建Hankel矩陣H，從而獲得系統矩陣；對H進行奇異值SVD分解（即對響應數據進行維納濾波，剔除與輸入輸出特性無關的隨機噪聲），取出分解后的矩陣的一個子矩陣，稱為系統矩陣的估計矩陣，其特征值即系統的固有頻率和阻尼比；并進行多分量時域濾波信號預處理和基于改進隨機子空間辨識方法進行動力特性參數辨識，作穩定圖剔除虛假模態，獲得弧形閘門的自振頻率、阻尼系數和振型等基本參數。

弧形閘門動力特性測試采用丹麥Brüel& Kj?r 3660模態分析系統［5］，振動拾振器布置如圖1所示。

2.2動力響應

弧形閘門在工作狀態下的開啟、關閉以及局部開度運行過程中，受流道中水流的作用，閘門的啟閉設備、支承、止水裝置的作用力與水流的激勵力等，組成一個動力聯合作用的系統。對這個系統進行測試和分析的要素包括閘門結構的動應力和振動響應的變化規律等。

弧形閘門動應力測試采用日本TML200動態應變測試系統，應力測點布置如圖2～4所示。

圖1　動力特性測試拾振器布置圖

圖2　弧形閘門支臂動應力測點布置圖

圖3　弧形閘門門葉動應力測點布置圖

圖4　弧形閘門支臂連接梁動應力測點布置圖

圖5　振動響應加速度傳感器布置圖

弧形閘門振動響應測試采用丹麥Brüel&Kj?r 3560C振動測試分析系統，加速度傳感器布置如圖5所示。

3　原型觀測試驗成果

3.1弧形閘門動力特性分析成果

弧形閘門動力特性分析就是將線性定常系統振動微分方程阻中的物理坐標變換為動力特性坐標［6］，使方程組解耦，成為一組以動力特性坐標及動力特性參數描述的獨立方程，以便求出系統的動力特性參數。

采用ANSYS中的六面體單元Solid186建立弧形工作閘門有限元計算模型，閘門各板件之間采用固接（BONDED CONNECTION）方式，固定鉸座板采用固定端約束（FIXEDSUPPORT），閘門面板底部與底檻使用無摩擦支承（FRICTIONESS SUPPORT），同時閘門的兩側采用的無摩擦支撐的以模擬實際情況中閘門兩側所受約束。弧形閘門計算模型節點總數為1129606個，單元總數為213484個；其x軸指向下游，y軸沿重力方向，z軸指向垂直水流方向。

不擋水狀態下弧形閘門前八階自振頻率計算結果見表1。

表1　弧形閘門前八階自振頻率　　單位：Hz

弧形閘門第一階振型為門葉和支臂的負y向振動以及支臂中部的正z向側彎，第二階振型為門葉和支臂的正y向振動以及上部整體負z向扭轉，第三階振型以支臂后端負y向側彎振動為主，第四階振型為上下臂柱的相向振動和負y向側彎，第五階振型為左右支臂后端的相向振動，第六階振型為下部整體正z向扭轉和支臂的上下波浪振動，第七階振型與第六階相似，第八階振型以邊梁的腹板與翼緣板的順水流向及橫向變形為主。弧形閘門第一階振型如圖6所示。

圖6　弧形閘門第一階振型圖

3.2弧形閘門動力特性測試成果

弧形工作閘門頻譜圖見圖7，整體動力特性參數見表2。

圖7　弧形閘門自振頻率頻譜圖

表2　弧形工作閘門整體模態參數表

3.3弧形閘門動應力測試成果

在弧形閘門啟閉過程中，動應力最大拉應力測試值發生在9m開度時，門葉下部梁格面板背水面水平方向，測試值為71MPa。最大壓應力測試值發生在9m開度時，左上支臂第三梁格下游側腹板右側水流方向，測試值為-70MPa。

3.4弧形閘門振動響應測試成果

弧形閘門不同開度時的穩態振動統計特征參數見表3。

表3　不同開度時的穩態振動統計特征參數

在閘門啟閉的過程中，分析閘門振動響應各測點的振動特征值隨開度的變化曲線，發現在100%開度時各測點的特征值均為最大，最大為2.801m/s2。提取3-1測點100%開度時的振動數據對其進行頻譜分析，該測點的頻譜圖共有5個頻率成分，其中11.75Hz的振幅最大，判斷其主振頻率為11.75Hz。在9.0m開度下，振動特征值的最大值為2.801m/s2，最大振動位移為0.38mm。弧形閘門啟閉全過程振動趨勢如圖8所示。

圖8　弧形閘門啟閉全過程振動趨勢圖

4　試驗結論

（1）大量的統計資料表明，水流的脈動主頻率一般在20Hz范圍內，其中大部分又小于10 Hz［7］。糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門的各階計算和測試自振頻率均大于31Hz，遠離水流脈動的高能區，該弧形閘門發生激流共振的幾率不大，具有較好的安全性和可靠性。

（2）糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門在啟閉過程中各構件運動狀態的結構應力測試值均小于結構材料的允許應力值。該弧形閘門結構強度滿足要求。

（3）糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門在啟閉過程中100%開度（9m）時，各測點的振動特征值均為最大，此時弧形閘門對應的最大振動位移值為0.38mm。根據美國阿肯色河通航樞紐中提出的以振動位移均方根值來劃分水工鋼閘門振動強弱的標準（位移0～0.0508mm時振動可以忽略不計，0.0508～0.254mm時振動微小，0.254～0.508mm時振動中等，大于0.508mm時振動嚴重）［8］，該弧形閘門在原型觀測試驗過程中的振動屬于中等振動，不影響閘門的安全運行。

（4）基于振動時程響應包絡線的判斷方法，從圖8中分析可知，在振動特征值最大的開度，弧形閘門在水流激勵的作用下，振幅穩定，并且無持續增大的趨勢；因此，該弧形閘門在該工況下未發生共振。基于振動響應是否存在與結構固有頻率相近的周期成份的判斷方法，從圖7中觀察可知，頻譜圖中不存在與結構固有頻率相近的周期成分。因此，該弧形閘門在該工況下未發生共振。

目前，由于工程條件的限制和國內外尚無水工金屬結構設備原型觀測試驗的專項技術標準，弧形閘門原型觀測試驗工作開展得并不充分。本文以糯扎渡水電站左岸泄洪洞1#弧形工作閘門原型觀測試驗為例，針對流激振動原型觀測試驗要求，提出了弧形閘門流激振動原型觀測試驗技術方案。并通過采用先進的測量儀器和數據分析方法，對弧形閘門的動力特性和動力響應進行了綜合評價和研究。此項試驗研究不僅為水工金屬結構設備原型觀測試驗專項技術標準的制定提供了實踐依據，而且具有重要的工程參考價值。

參考文獻

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［8］章繼光.我國閘門振動研究情況綜述［J］.水力發電，1985 （01）：36-42.

中圖分類號：TV34

文獻標識碼：A

文章編號：1008-1305（2016）01-0007-05

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.003

收稿日期：2015-10-21

作者簡介：盛旭軍（1975年—），男，高級工程師。