水工金屬結構鋼閘門振動響應測試試驗研究

上官林建，許 闖，孔垂雨

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044)

云南瀾滄江糯扎渡水電站位于云南省思茅市，是瀾滄江中下游梯級規劃二庫八級電站的第五級，糯扎渡水電站多年平均流量1730m3/s，水庫總庫容237.03×108m3，電站裝機總容量是5850MW，多年平均發電量是239.12×108kW·h。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三部分。金屬結構設備工程量約為30609.925t。其中，泄洪消能建筑物由左岸開敞式溢洪道、左岸泄洪隧洞、右岸泄洪隧洞組成。電站于2012年9月首臺機組投產發電，2014年6月最后1臺機組投產發電工程完建。

為保證水電站的安全運行，在庫水位805.93m下，利用振動測試系統，測試閘門運行過程中各測點的振動加速度和振動位移等流激振動響應參數，分析和研究閘門的抗振能力。

1 觀測設備及觀測點布置

本次觀測試驗工況為：在庫水位805.93m下對閘門進行啟閉操作，閘門啟閉過程經歷全關—20%開度—40%開度—60%開度—80%開度—全開—全關工況，每個工況停留5min。檢測儀器采用3560C PLUS振動測試系統，3560C PULSE系統具有FFT(傅立葉分析)、CPB(1/n倍頻程分析)、總級值分析儀等功能[1]，采集前端的數據通過LAN傳輸至PC，通信距離可達150米，可測量高達40次的諧波信號。B&K加速度傳感器性能參數見表1。

表1 B&k加速度傳感器參數表

根據泄洪洞弧形工作閘門結構特點和運行工況，試驗布置采用5個無線采集終端，每組8個測點，測點布置如圖1所示。其中上支臂和上橫梁的測點如圖2所示，下支臂和下橫梁的測點如圖3所示。

圖1 閘門主縱梁振動響應測試點布置圖

圖2 閘門上支臂和上橫梁振動響應測點布置圖

圖3 閘門下支臂和下橫梁振動響應測點布置圖

2 分析方法

針對糯扎渡水電站閘門的結構大、模態試驗得到的數據中含噪聲成份復雜等特點，糯扎渡水電站閘門振動響應試驗采用改進隨機子空間方法對其進行模態參數的辨識。分析過程包括三個步驟：首先，通過Gabor展開法對信號進行預處理；其次，采用改進時域隨機子空間辨識方法進行結構參數的辨識；最后，通過穩定圖剔除辨識結果中的虛假信息[2]。

(1)基于Gabor展開的多分量時域濾波信號預處理

在對信號進行零均值處理后，采用時頻Gabor展開法，分離多分量信號中的各種頻率成分，并對分離的信號分量進行時域重構，完成多分量信號的時頻濾波。Gabor展開是通過信號的時間平移和頻率調制進行時頻域分析，在一個時頻譜中，可以得到與固有頻率相對應的信號頻率信息。對該特征頻率附近的區域濾波，完成信號的預處理。

(2)基于改進隨機子空間辨識方法的模態參數辨識

子空間算法不需預先對模型進行參數化，僅利用QRD或SVD等線性代數運算進行模態辨識。一個n自由度的線性系統表示成連續時間狀態空間模型如下：

(1)

辨識系統矩陣A和輸出矩陣C，即完成對系統的參數辨識。

第一步：對輸出數據進行相關處理，用響應信號的自相關矩陣構建Hankel矩陣，系統矩陣A和輸出矩陣C都可以從Hankel陣H中獲得；

第二步：對Hankel陣H進行SVD分解(即對數據進行一次維納濾波，剔除與輸入輸出特性無關的隨機噪聲)[3]，取出分解后矩陣的一個子矩陣，定義為系統矩陣A的估計矩陣，其特征值即系統的固有頻率和阻尼比。

(3)作穩定圖剔除虛假模態

穩定圖可以反映出強噪聲干擾下弱小特征或密集特征[4]。通過改變系統階次繪制穩定圖(橫坐標是頻率，縱坐標是系數α，即子矩陣行數)，取出其中穩定的物理模態，最終得到系統的真實的固有頻率和相應的阻尼比。

采用幅值譜(或功率譜)圖，基于兩種頻域分析方法所獲得的信息的融合，最終確定閘門的結構模態，包括振動固有頻率及相應的模態阻尼[5]。

3 閘門振動響應測試結果分析

泄洪洞弧形工作閘門振動響應傳感器布置完畢并調至初始狀態，隨后進行振動響應測試，得到如下測試結果，見表2。

表2 泄洪洞弧形閘門不同開度時的穩態振動統計特征參數

圖4 弧形工作閘門振動全過程趨勢圖

圖5 上橫梁各測點的振動特征值比較分析

圖6 下支臂各測點的振動特征值比較分析

圖7 閘門左下支臂- 閘墩- 垂直流向測點處的第2開度頻譜分析

綜合各測點的振動時程曲線，對閘門在泄水過程中振動趨勢的特點分析如下：

(1)泄洪洞弧形工作閘門的上橫梁各點在泄水過程的振動規律較為明顯，全過程分為如圖4所示的七個開度；第一階段為閘門開啟前的穩定階段；第二階段為閘門20%開度狀態，穩定狀態持續約5min；第三、四階段分別為40%、60%開度，均持續3min；第五階段為80%開度，狀態持續4min；第六階段為最大開度，持續50min。之后閘門開始關閉，第七階段為事故檢修門開始下落，此時閘門開度為4.5m。

(2)以圖4中所劃分的七個階段的振動幅值的有效值(RMS)來比較分析泄洪洞弧形工作閘門上橫梁的振動情況。上橫梁各測點的振動特征值比較如圖5所示，從圖5中可知，上橫梁各測點位置的振動趨勢大體相同，隨著閘門提升高度的增加，各點振動情況逐漸減小，在2.7m時振動最為劇烈。在各開度下支臂節點的振動明顯比其它地方的振動都要大。

(3)下支臂各測點的振動特征值比較分析如圖6所示。下支臂上的各測點在閘門啟閉過程中的振動趨勢相似，在閘門提升到2.7m開度，各測點的振動幅度達到最大，這是由于2.7m開度下激流會對閘門進行沖擊行成水流脈動高能區。在閘門之后提升過程中各測點逐漸脫離水流使得振動逐漸減小。在各開度下，支臂橫梁的振動比腹板和翼板強烈。

4 結語

(1)從以上頻譜分析可以看出，隨著開度的增大，水流脈動的壓力幅值也逐漸增大，脈動主能量集中在17Hz以內。由于該弧形工作閘門的各階計算和測試自振頻率均大于35Hz，因此該弧形閘門具有很好的安全可靠性。

(2)在試驗過程中閘門沒有產生劇烈振動的現象，這是由于水流形成的動水載荷高能區沒有長期位于閘門的低頻區。閘門在操作時應當注意防止水流在閘前產生漩渦運動，破壞穩定流態而引起閘門振動。(3)通過對弧形閘門上主梁和下支臂在不同開度下的分析看出，弧形閘門隨著開度增大，其振動特征值也不斷減小，因此水工鋼閘門在運行時應避免在小開度下運行，防止水工鋼閘門發生激流共振，影響鋼閘門的安全可靠性。

[1] 許興武. 新型閘門應力變形及振動原型觀測實驗[J]. 人民長江, 2007(11): 170- 173.

[2] 嚴根華, 陳發展, 趙建平. 表孔弧形閘門流激振動原型觀測研究[J]. 水力發電學報, 2006(04): 45- 50.

[3] 嚴根華, 閻詩武, 樊寶康. 高水頭大尺寸閘門流激振動原型觀測研究[J]. 水力發電學報, 2001(04): 65- 75.

[4] 王春, 羅進. SonLa水電站超大型潛孔弧形閘門布置形式研究[J]. 華北水利水電大學學報(自然科學版), 2015, 36(05): 34- 38.

[5] 毛會永, 羅志剛. 厄瓜多爾某水電站左壩肩開挖邊坡的穩定性評價[J]. 華北水利水電大學學報(自然科學版), 2015, 36(02): 54- 57.

[6] 韓力球, 孫東坡, 趙旭潤. 某抽水蓄能電站攔沙庫泄洪排沙系統的水力特性研究[J]. 華北水利水電大學學報(自然科學版), 2017, 38(01): 80- 86.