南水北調中線某節制閘弧形門小開度振動觀測與安全評價

胡瑋 馮曉波 朱銳 陳清 郭永鑫 郭新蕾

摘要：南水北調中線工程冬季閘門小開度運行，閘后淹沒水躍紊動劇烈，為驗證小開度下閘門運行的安全性，選取蒲陽河典型節制閘開展閘門振動原型觀測。通過測量不同開度下的閘門振動特性，分別采用動應力、振動位移（振幅）和頻率作為標準進行振動安全評價，結果表明：閘門最大動應力為133 MPa，遠小于材料允許應力的20%（約32 MPa）；最大振動位移1597 μm，小于閘門振動危害程度可忽略不計的上限位移508 μm；所有測試工況的安全臨界振幅A與頻率f滿足lgA<（314-116 lgf）。上述三種評價準則的判定結果一致，因此，中線閘門小開度淹沒出流條件下，閘后水躍紊動引起的閘門振動危害可忽略，閘門結構安全穩定。

關鍵詞：弧形閘門；小開度；動應力；振動位移；安全評價；原型觀測

中圖分類號：TV32 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05013905

Field tests and safety evaluation of radial gate vibration under small opening condition in the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project

HU Wei1，FENG Xiaobo1，ZHU Rui1，CHEN Qing1，GUO Yongxin2，GUO Xinlei2

（

1.Supervision Center of SouthtoNorth Water Diversion Project，Beijing 100038，China；2.China Institute of Water Resources & Hydropower Research，Beijing 100038，China

）

Abstract：

In winter，the controlling gates of the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project are operated under small opening condition.The submerged hydraulic jump is accompanied by severe turbulence behind the sluice gates.To evaluate the safety of gate operation under small opening condition，we conducted field tests on the Puyang River Gates and measured the parameters of gate vibration under the conditions of different gate openings.The test results indicated that the maximum dynamic stress of the gates is 133 MPa，smaller than 20% of the allowable stress，i.e.about 32 MPa.The maximum vibration displacement 1597 μm is less than the upper limit displacement 508 μm，below which the hazard of gate vibration can be negligible.The relation between amplitude A and frequency f follows lgA<（314-116 lgf）.The evaluation results of the above 3 kinds of criteria are consistent；therefore，the hazard of gate vibration induced by submerged hydraulic jump is negligible，and the gate structure is safe and stable when the sluice gates are operated in small opening condition.

Key words：

radial gate；small opening；dynamic stress；vibrational displacement；safety evaluation；field test

南水北調中線工程是實現南北水資源合理配置，緩解京、津、華北平原水資源供需矛盾，支撐該地區國民經濟和社會可持續發展的重大戰略性基礎設施。中線工程運行初期取水流量較小，尤其是冬季受冰情影響，行程6～7 m的閘門開度僅為幾十厘米或1 m左右，閘門長期在小開度淹沒出流條件下運行[12]，閘后淹沒水躍紊動劇烈，形成向上游劇烈反轉的漩渦和往復水流，對閘門產生周期性的沖擊，見圖1。

閘門與動水接觸時，總會出現不同程度的振動，一般情況下，閘門振動主要表現為水動力荷載作用下的低頻振動，振動比較微弱，不致影響閘門的安全運行[35]。但在某些特定運行條件下，如果水流的脈動頻率接近閘門的自振頻率，不管這種激勵頻率是外力固有的，還是由于閘門結構與水流發生耦合而次生的，都將導致閘門發生共振，如果振幅達到很大值，還將使閘門整體或局部發生強烈振動，在閘門結構內出現不平常的應力和應變，使閘門受到損害，甚至影響建筑物安全穩定[67]。

鑒于此，選取南水北調中線典型閘門——蒲陽河倒虹吸出口節制閘開展閘門振動響應原型觀測，測量不同小開度運行條件下閘門的振動應力、振動加速度和振動位移等動態特性[89]，選取合理的評價準則進行閘門振動安全評價，為制定科學合理的調度運行規程，保證閘門安全運行提供依據。

1 閘門振動觀測內容和方法

1.1 觀測內容

河北段蒲陽河倒虹吸出口節制閘建筑物設有3孔閘門，閘孔單寬b=6.0 m，下游渠道寬度B=204 m，門軸高度P=88 m，弧門半徑R=100 m，閘前渠底高程64266 m，閘后渠底高程6414 m，設計輸水流量1350 m3/s。冬季觀測期間運行流量473 m3/s，占設計流量的35%，閘門處于小開度運行狀態。為避免閘門不對稱開啟產生的折沖水流、偏流、回流等不利流態對渠道運行的影響，選取中間2號閘門進行振動響應觀測，主要觀測的內容包括：振動應力、振動加速度和振動位移。

1.2 觀測方法

振動響應測點布置主要考察結構受力最大和變形較大的區域，以及閘門面板和支臂剛度薄弱區[1011]，具體見表1和圖2。具體觀測方法如下。

（1）振動應力。振動應力的觀測采用高性能貼片式電阻應變計（靈敏系數為214），二次儀表采用日本TML的SDA810型高分辨率動態應變儀（分辨率為01 με）。測得應變之后根據胡克定律σ=E[KG-*9]ε（其中：σ為應力；E為彈性模量，鋼材的彈性模量E=206×105 MPa；ε為應變）來推算其動應力。

（2）振動加速度和振動位移。振動加速度和振動位移的測試采用耐壓防水的三軸振動加速度傳感器，分別測量徑向（沿弧門支臂方向）、切向（沿弧形面板切線方向）及橫向（垂直于徑向和切向平面）的振動加速度，振動位移通過對加速度信號經電荷放大器二次積分所得。測試傳感器采用測量信號質量好、噪聲小、抗外界干擾能力強和傳輸距離遠的CAYD132型高靈敏度壓電式加速度傳感器（靈敏度為200 PC/ms2），二次儀表采用丹麥B & K的2692型雙積分電荷放大器進行信號放大。

傳感器信號處理采用東方振動與噪聲技術所的INV306D（M）E智能信號采集系統，試驗采樣頻率為200 Hz。閘門振動信號采集系統結構見圖3，傳感器現場安裝照片見圖4，所有傳感器均須進行防水、防潮處理，信號電纜采用水下專用的多芯屏蔽電纜，防止意外因素導致傳感器損毀和失效，確保試驗順利進行。

2 安全評價依據

弧形閘門流激振動是一個復雜的流固耦合問題，研究弧形閘門的流激振動最終目的是為了保證閘門的安全運行，制定閘門適宜的安全開度運行范圍和操作規程。閘門振動特性測量出來后，如何判斷結構的危害程度，即關于閘門振動的安全性評價問題，目前還沒有統一的標準。

2.1 以振動應力作為標準

我國《水利水電工程鋼閘門設計規范SL 742013》[12]建議，對于經常局部開啟的工作閘門，設計時應考慮動力荷載，其動力荷載設計的動力系數上限一般不超過12，另外，金屬構件的局部振動應力也要求不大于允許應力的20%。因此，可以認為鋼閘門的動應力應小于材料允許應力的20%，鋼材的允許應力通常在160 MPa左右，則其動應力應小于32 MPa。

2.2 以振動位移作為標準

美國陸軍工程師團在阿肯色河（Arkansas River）弧形閘門振動測試中以振動位移的均方根值來劃分閘門振動的危害程度[13]，見表2。

2.3 以振動位移（振幅）和頻率的綜合效應作為標準。

德國的K.Petrikat[1415]認為振動的危害程度取決于振幅和頻率的綜合效應，以橫坐標為頻率、縱坐標為振幅在對數坐標軸上將危害程度劃分為穩定、尚穩定、可以允許的、稍不穩定的、不穩定和很不穩定6個區間，并給出安全臨界振幅A和頻率f的函數表達式：

lgA<（3.14-116 lgf） （1）

式中：A為安全臨界振幅（μm）；f為頻率（Hz）。振動頻率越高，相應的安全臨界振幅越小。

以上允許振動位移（振幅）和應力是振動安全度的下限，超過允許值并不意味著閘門結構的破壞，而是意味著振動可能帶來不安全，必須對閘門結構進行動力計算校核，并采取相應的預防措施。

3 小開度運行振動響應特性及安全評價

3.1 觀測工況

觀測過程中調節中間2號閘門開度e分別為199 mm、398 mm、606 mm、799 mm、1 000 mm，開 度間隔約200 mm，測量不同開度下的振動應力、振動加速度和振動位移，同步記錄各工況的上下游水位和閘門開度，計算相應的過閘流量，具體工況見表3。

3.2 振動特性及安全評價

分別采用上述3種評價標準對蒲陽河節制閘結構振動進行安全評價。

（1）以振動應力進行評判。圖5為各測點的動應力隨閘門開度的變化規律。動應力均方根值范圍為018～038 MPa，最大幅值范圍為071～133 MPa，最大動應力133 MPa發生在閘門開度e=10 m的Y3測點（上支臂）；開度大于800 mm振動應力增幅明顯。以動應力作為安全評判標準，小開度條件下各測點的動應力均較小，最大動應力133 MPa不足允許動應力32 MPa的5%，閘門結構在水動力荷載作用下是安全的。

（2）以振動位移進行評判。圖6為各測點的振動位移隨閘門開度的變化規律。閘門振動的橫向位移最大，切向次之，徑向最小；開度e=400 mm橫向位移最小，此后橫向位移隨著閘門開度的增大而增大；橫向位移均方根的最大值為1597 μm，發生在閘門開度e=10 m的J1測點（主橫梁中部）。以振動位移作為安全評判標準，試驗小開度條件下，振動位移最大值1597 μm<508 μm，依據美國陸軍工程師團的評判準則，閘門振動危害程度可忽略不計。

（3）以振動位移（振幅）和頻率的綜合效應進行評判。試驗小開度條件下，閘門振動位移的頻率范圍為0～4 Hz，峰值頻率集中在07 Hz附近，為低頻強迫振動，圖7為閘門開度10 m各測點橫向位移的時域和頻域響應特性。表4為橫向振幅A與相應頻率f的綜合效應關系，所有測試工況均滿足lgA<（314-116 lgf） ，閘門結構穩定。

4 結論

南水北調中線小開度運行條件下閘門振動的安全性是南水北調專家委和工程運行管理人員所關注的問題之一。通過對中線蒲陽河典型節制閘開展小開度條件下閘門振動原型觀測，分別采用動應力、振動位移和頻率等標準進行安全評價，結果表明：（1）[CM（22]以動應力作為安全評判標準，閘門最大動應力為

133 MPa，遠小于材料允許應力的20%（約32 MPa），閘門結構安全；（2）以振動位移作為安全評判標準，最大振動位移1597 μm，小于美國陸軍工程師團閘門振動危害程度可忽略不計的上限508 μm；（3）以振幅和頻率的綜合效應作為安全評判標準，所有測試工況的安全臨界振幅與頻率均滿足lgA<（314-116 lgf），閘門結構穩定。上述三種評價準則的判定結果一致，因此，南水北調中線閘門小開度淹沒出流條件下，閘后淹沒水躍引起的閘門振動危害可忽略，閘門結構安全穩定。

考慮到閘門振動原因的復雜性（例如，閘門在相當一段時間內運行正常，以后由于零件的磨損、材料腐蝕、安裝時遺留的缺陷、水頭和流量的變化等原因，閘門振動才嚴重起來），建議南水北調中線工程運行中繼續加強閘門振動的安全監測。

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