陡河水庫輸水洞工作閘門振動觀測分析

王桂青

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山　063021）

?

陡河水庫輸水洞工作閘門振動觀測分析

王桂青

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山063021）

摘 要：陡河水庫輸水洞工作閘門原設計荷載按全開泄水計算，若局部開啟則會引起閘門振動，1959年經分析得出閘門振動較大的2個開度。1963年通過進一步觀測得出閘門振動的2個主要原因是頂拱負壓和閘門底緣負壓，并對振動條件下閘門應力進行校核計算，提出閘門各種工作條件下應采取的措施。

關鍵詞：設計洪水位；振幅；負壓；應力；閘門；輸水洞；水庫

1　工程概況

陡河水庫位于河北省唐山市市區東北15 km處，擔負著唐山市區防洪和為工農業生產、市區生活供水的任務，下游還有多條鐵路和高速公路通過，水庫安危影響甚大。水庫壩體為碾壓式均質土壩，設計庫容5.152億m3，設計洪水位40.3 m，汛限水位34.0 m。工農業用水主要由輸水洞泄放，輸水洞全長163.0 m，設計泄量156.0 m3/s，進口高程22.5 m，孔口尺寸為2個1.75 m×3.00 m。工作閘門型式為定輪平板門，閘門尺寸為2.55 m×3.20 m×0.37 m，由2個卷揚式容量40 t的啟閉機啟閉，啟閉速度0.012 m/s，通氣孔0.5 m2。工作閘門前面設有檢修門。

2　觀測目的

陡河水庫輸水洞工作閘門原設計荷載按全開泄水計算，沒考慮局部開啟。從運用情況看，輸水洞除汛期泄洪外還經常泄放灌溉用水。由于最大灌溉流量約為最大泄量的20%，因此要求閘門局部開啟、控制流量。定輪平板閘門部分開啟，會引起閘門振動。1959年9月14日，根據陡河水庫閘門振動原型資料分析得出：閘門振動較大的有2個開度，即n= 0.2及0.8，0.2和0.8開度下閘門振動情況見表1。

表1　0.2和0.8開度下閘門振動情況

為使陡河水庫輸水洞工作閘門能在正常條件下安全運用，1963年11月，在庫水位29.87 m條件下，對輸水洞工作閘門進行進一步的振動觀測，希望通過實測資料驗證閘門振動時的工作條件，并探討研究有效的工程技術措施。該次觀測項目有水位、流量、通氣孔進氣量、閘門底緣負壓、脈動壓力、閘門振動、進水塔振動、啟閉力、門井水位等。

3　觀測內容

3.1通氣孔進氣量

3.1.1觀測目的

閘后通氣孔進氣量的觀測目的有2個：一是校驗設計的通氣孔斷面是否足夠，亦即是否能保證充分進氣而不發生噪音；二是了解通氣量與閘門振動的關系，當閘門部分開啟時閘門下游是否產生負壓或氣流脈動，成為閘門的振源。

3.1.2觀測結果

通氣孔進氣量測量結果，見表2。

陡河水庫的進氣孔是按康拜爾公式設計的。

式中：β為氣、水流量比；F為收縮水深度處的福氏數；Qa為空氣流量（m3/s）；Qw為水流流量（m3/s）。

從觀測結果可以得出以下結論：①通氣量與閘門開度的關系曲線中有2個峰值，大開度時的通氣量大于小開度時的通氣量。這2個峰值出現在0.9 和0.1開度。②根據康拜爾公式計算的結果較實測值偏小50%左右。③通氣孔在觀測時的最大流速Va=8.17 m/s，小于設計允許流速Vak=45 m/s，所以現有通氣孔斷面已足夠，閘門下游不會因通氣問題產生負壓或氣流脈動。

3.2泄流能力

3.2.1泄流能力觀測計算

各種開度下的閘門泄量，根據水庫下游河道水文站測流斷面的水位流量關系曲線推算得出。陡河水庫在庫水位29.87 m、閘門全開時模型試驗結果為雙孔流量88.0 m3/s，單孔則為44.0 m3/s，根據不同開度下實測水位流量關系計算流量系數。其計算公式為：

式中：Q為實測流量（m3/s）；A為閘門全開時的孔口面積（m2）；n為閘門相對開度；H為由閘門段底檻算起的水頭（m）；g為重力加速度（m/s2）。

經計算，得出相應的流量系數μ為0.68，低于模型試驗值。

3.2.2原因分析

為了探求流量系數減小的原因，控制閘門泄量，對頂拱負壓進行觀測，閘門泄量與頂拱負壓觀測結果見表3。將檢修閘門放入門槽堵塞水流，控制工作閘門，重復以上步驟，對閘門振動情況進行觀測，閘門振動強度和負壓顯著減小。陡河水庫輸水洞進口頂拱曲線為橢圓曲線，其曲線方程為：

檢修門槽過水后，頂拱壓力由于檢修門槽過水，使門槽前壓力增加，門槽后發生較大負壓。由于負壓的產生，減小了工作閘門泄流能力。隨著流量的增加，進口檢修門槽過水，導致流態紊亂，流量損失逐漸增大，頂拱負壓也逐漸加大。門槽過水所引起流態紊亂和出現負壓是閘門振動的一個主要原因。

表3　閘門泄量與頂拱負壓觀測結果

3.3閘門底緣負壓

閘門底緣負壓觀測中利用閘門底固定止水木的螺栓孔，在閘門中心位置裝置一測壓孔，由于測壓孔偏于下游，所測負壓值可能偏小。觀測所得陡河水庫輸水洞閘門底緣負壓與開度關系，如圖1所示。結果表明：最大負壓出現在閘門開度為0.1時，絕對值為89 cm水柱，而且連續開啟的負壓比固定開度的大，觀測過程中發現閘門開度為0.1時產生氣穴爆破聲。在固定開度情況下，當閘門開度為0.2～0.6時出現壓力脈動現象，脈動幅度為±1～±5 cm水柱。底緣負壓的形成對閘門產生下拖力，增加了閘門啟門力，而且會使閘門產生空蝕，并導致閘門垂直振動。底緣負壓產生的原因是陡河水庫的定輪平板閘門底緣原設計有一角度，施工時改為平底，水流過底緣時產生脫壁現象，閘下射流與底緣之間出現空隙，由于底緣是水平的，空隙內的空氣無法及時補充，此處易出現不穩定的負壓，底緣負壓是導致閘門振動的原因之一。

圖1　陡河水庫閘門底緣負壓與開度關系

4　閘門振動應力校核計算

4.1靜應力校核計算

根據《水利水電鋼閘門設計規范》（SL74-1995），在較高水頭下經常局部開啟的大型閘門，其金屬結構及機械零件的許可應力應乘以0.85～0.9的系數。陡河水庫輸水洞進口閘門在部分開啟時產生振動，其構件的許可應力亦按上述規定乘以0.9的系數。靜應力校核計算成果，見表4。原設計的計算荷重為：庫水位40.3 m，閘門單寬水壓力P=46.4 t/m，閘門凈重G=4.0 t，啟閉機容量45 t。

從表4可以看出，庫水位為40.3 m，在靜力條件下構件受力多數是安全的。部分構件的［σ］振/σ下降到0.84左右，但在庫水位為汛限水位34.0 m以下時以上計算結果都是安全的。

表4　靜應力校核計算成果

4.2動應力校核計算

閘門最大振動發生在開度為0.2及0.8，在0.2開度時作用在閘門上的靜水壓力最大，因此選用0.2作為計算開度。

校核項目為：

（1）鋼絲索應力計算結果為［σ］=200 kg/cm2＞144 kg/cm2，是安全的。

（2）閘門起重軸應力計算結果為［σ］=800 kg/cm2＜868 kg/cm2、［σ］/σ=720/868=0.83，是不安全的。

由以上計算結果可知，閘門起重軸應力和振動條件下橫梁應力是不安全的。

5　結語

通過閘門振動觀測及數據分析，找到閘門振動的2個主要原因為頂拱負壓和閘門底緣負壓。對閘門相對開度0.2、設計水位下的靜應力和動應力進行校核計算，發現閘門起重軸應力無論在靜力還是在動力條件下都是不安全的，橫梁動應力是不安全的。閘門相對開度0.8、設計水位下的靜應力和動應力都小于相對開度0.2時的值，但是水平振動的主頻大于0.2開度時的值，為了保證輸水洞泄流安全，陡河水庫工作閘門作部分開啟調節流量時應避免0.2、0.8兩個開度。今后，在設計水位以上運用閘門時應采取下列減振措施：用疊梁封閉檢修閘門門槽，消除由此閘槽流入閘門的水流；改善橡皮止水，減少漏水，并改進側輪工作情況；按原設計修改閘門底緣，改善水流條件，減少或消除底緣脈動力振源；加固閘門構件，如閘門起吊軸等；閘門上游面加設靠近底緣處1/4面板；在閘門上改善反輪裝置及部分開啟時的鎖定裝置，減少震動。以上措施采取哪幾種效果最好，將由模型試驗決定。

中圖分類號：TV698.1+8

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）01-0048-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.018

收稿日期：2015—10—22

作者簡介：王桂青（1972—），女，高級工程師，主要從事水利工程管理工作。