水利工程閘門水力振動監測技術應用研究

羅浩

(新疆維吾爾自治區水利科技推廣總站，烏魯木齊，830000)

1 引言

越來越多的大型水閘在各種水工建筑物中使用，為了適應上下游水位差的復雜變化，以及在更寬的淹沒范圍內向下游跳躍，水閘必須滿足運行條件下的開啟度要求[1]。閘機事故分析表明，閘機損壞往往伴隨著紊流引起的強烈振動。當水壓脈動頻率接近閘門固有頻率時，會引起閘門共振，容易導致閘門疲勞破壞，對水利設施的安全是極其不利的[2-3]。

水工閘門結構在水流作用下的流激振動、動力穩定性和安全可靠性一直是水利界高度關注的問題。因此，閘門振動在線監測與分析對閘門結構的安全運行具有重要意義，是保證水利工程安全運行的關鍵技術問題之一[4]。

2 工程概況

本文以新疆某灌溉渠道水閘為例。閘身寬75.25m，閘長79m，閘頂高程為6.0m，該閘共13孔，閘孔總凈寬為64m，設計流量300m3/s，開度范圍為0.137m～1.275m，開度越小，孔板平均流速越大，最大值為14.71m/s。本工程投產以來，在開度較小的情況下，出口控制閘門常發生強烈振動。冬季檢修期間發現閘門下部的兩個托輪已損壞，給安全運行帶來較大風險。

根據輸水渠道的布置和閘門的運行要求，為避免對渠道產生過大的水沖擊壓力，下游設計水位必須高，使閘門始終在水下工作，這大大增加了閘門發生流體激振的可能性。為了及時調整閘門開度，保證泄水流量，閘門需要長期保持小的開度。為了保證閘門結構的安全運行，提出并討論了一種水下閘門結構及其房屋振動監測系統。

3 三軸加速度計振動測量分析

3.1 振動測量的一般原理

振動的加速度、速度和位移之間的關系是明確的，因此，理論上，對加速度、速度或位移信號任意一個進行監測，也可以通過相應的計算得到另外兩個振動信號。

給定振動加速度a(t)、速度v(t)、位移x(t)，則有如下關系：

(1)

(2)

假設測得的振動加速度為諧波信號a(t)=Asinωt，則速度和位移為：

(3)

(4)

反之，當測得的振動位移為諧波信號x(t)=Xsinωt時，速度和位移信號為：

(5)

a(t)=Asin(ωt+π)=ωVsin(ωt+π)=ω2Asin(ωt+π)

(6)

三者的振幅關系如下：

a(t)=A=ωV=ω2X

(7)

因此，任何一個振動信號都可以用來測量單個振動頻率，然后通過式(3)和式(4)或式(5)和式(6)得到另外兩個信號。如果只得到振動振幅，則僅進行公式(7)的轉換。然而，當振動信號包含多個頻率時，必須根據式(1)進行積分或根據式(2)進行微分，以獲得其他振動振幅和信號。

3.2 振動傳感器的應用

振動加速度計具有頻率響應廣、體積小、使用方便等優點，在狀態監測中得到了廣泛的應用。加速度計可分為單軸、雙軸和三軸。由于系統中使用的加速度計必須始終在水下工作，安裝和維護非常困難，因此三軸加速度傳感器具有耐壓防水、工作溫度范圍廣等特點，是專門設計的。

3.2.1 三軸加速度計

眾所周知，傳統的加速度計是由高阻抗壓電材料制成的，需要電荷放大器作為后續處理電路或儀器，這使得測量系統復雜、昂貴、可靠性低、使用不便。為此，研制了一種基于MEMS的高精度、低成本加速度計，并得到了迅速的應用。

基于MEMS的加速度計ADXL330包括三軸MEMS傳感器結構和16針塑料表面貼裝封裝的信號調理電路，僅4×4×1.45mm3。輸出為模擬電壓信號。ADXL330可用于測量靜態重力加速度、運動加速度和高達10000g的沖擊。

ADXL330的帶寬為0.5kHz～1.6kHz。每個軸的輸出具有內置電阻RF=32kΩ，因此，輸出信號帶寬可由外部電容器Cx確定。在-3dB處，抗混疊和降噪濾波器的帶寬可計算如下：

F-3db=1/(2πRFCX)≈5μF/Cx

(8)

3.2.2 深水耐壓防水換能器

由于長距離調水工程渠道每年都在施工，水下傳感器除了要滿足一些特殊要求外，還必須滿足精度和穩定性的共同要求。如傳感器和連接電纜必須滿足30m壓力深度以下的防水要求，防腐抗沖擊在結構設計和安裝中，旱季最低儲存溫度低至-40℃。

根據上述水下結構振動的特點和要求，以及環境溫度的大范圍變化，設計了基于ADXL330的水下測量振動傳感器，以減少安裝工作量和連接電纜。

3.2.3 傳感器校準與環境試驗

傳感器校準可以通過標準振動器或重力進行。采用重力標定，無需標定基準，不需安裝。該方法是將加速度計沿靈敏度軸旋轉180°以上，記錄傳感器輸出的最小電壓Vmin和最大電壓Vmax，然后通過式(9)進行計算。

Sa=(Vmax-Vmin)

(9)

對于多軸傳感器，需要對任意軸分別進行上述校準程序。傳感器的環境試驗包括工作環境和短缺環境，如防水試驗、低溫運行試驗和低溫貯存后運行試驗等。防水試驗的方法是將傳感器置于水壓2MPa下24h，然后檢查密封是否良好，最后檢查其工作性能。

低溫運行試驗時，將傳感器放入冷箱中，將溫度降至-20°C并保持1h，觀察傳感器的運行情況是否正常；低溫貯存試驗，將換能器放入冰箱后，將溫度降至-40℃，保持1h，然后在室溫下放置0.5h，檢查換能器的工作情況是否正常。

4 監控系統分析

4.1 數據采集

考慮到閘門結構的振動頻率和傳感器的安裝，采用加速度計精確捕捉閘門及其閘墩在各種工況下的全方位振動。圖1所示的閘門振動監測系統在配置上采用冗余傳感器，以確保安全可靠，即在閘門下游各安裝2個三軸加速度計，以減少水蝕。

圖1 宜陵閘門振動監測分析

4.2 數據分析

本研究的數據來源包括基礎背景數據和實時監測數據，是構建塔里木河實時配水基礎架構的核心。數據分為DLG數據、DEM數據、DRG數據、特殊數據和屬性數據。數據復雜多樣，包括地名、水系、交通、植被、測站、水閘、水位、流量等，總數據容量達到TB級。具體解釋如下：

(1)基本地理空間數據，作為系統控制總圖和后臺數據查詢顯示，包括參考點、居住區、地名、交通、水系、邊界等，分別按1∶10000、1∶100000、1∶500000進行縮放。

(2)特殊數據，包括Trim河流域水資源專用數據、水文測站分布網專用數據、水閘中心專用數據。

(3)自動測量數據，包括水位、流量、總引水量等水文資料和負荷、過載、波動極限位置、電壓、電流、溫度、濕度等安全保護資料。

(4)控制數據，包括所有控制命令，如閘門的遠程啟閉操作和自動控制。

(5)監測數據，包括水文遠程視頻、遠程工作狀態、閘門狀態等視頻信息。

(6)屬性數據，由與圖形相關的靜態屬性和閘門組成。

4.3 數據庫建設

數據庫是整個系統運行的核心，其設計不僅影響系統建設的速度和成本，而且影響系統的運行、使用和管理。塔里木河流域工程基礎資料眾多、復雜多樣。在數據分析的基礎上，建立了數據庫、視頻、GIS三個服務器，并在總控中心設計了專用數據庫。不同的數據庫有自己的結構和優化方式，如下所示：

(1)柵格數據：按數據類型、數據基礎和比例尺組織，采用無損壓縮(LZ77算法)和經緯度坐標系存儲在柵格目錄中。

(2)矢量數據：主要用于后臺顯示、索引和支持查詢。通過測試確定合適的三級網格單元大小序列和數據壓縮，提高系統響應速度。

(3)視頻數據：MPEG-4技術是基于對象概念，采用小波變換編碼算法對視頻數據進行壓縮，并采用數據分割、頭擴展編碼和反變長編碼等機制來減少和消除錯誤。然后實現了更高的編碼效率和視頻質量，因此系統采用了MPEG-4視頻數據壓縮技術，并通過建立視頻索引，解決了用戶單播遠程監控視頻數據的問題。當多個用戶同時接入視頻時，系統會自動識別出接入用戶的權限，根據較高的優先級來滿足用戶瀏覽視頻數據的權限，并自動中斷較低級別用戶的監控，以減輕網絡傳輸的負擔。

4.4 閘門振動測試結果分析

圖2為所測閘門振動信號，在整個輸水期間內，振動測試系統一直處于工作狀態，閘門結構的振動是一種寬頻瞬態激勵振動，雖然在工況改變時，振動幅值會明顯增大，但持續時間很短，一般不會引起共振，因此是安全的。從測試結果來看，閘門的運行長期存在微小振動，長期運行可能造成閘門螺栓松弛以及脫落，因此，在停水期間需要定期維護檢查。

圖2 宜陵閘門振動測試信號

5 結論

大型水工閘門在長距離調水工程中起著重要的調控作用，閘門的紊流激振是一個嚴重的問題。水下閘門結構振動監測需要專門的振動傳感器和適合水環境的監測系統，即滿足防水、耐壓、抗沖刷、溫度變化大、水質差、脈沖流量等要求。本文提出了防水振動傳感器，并將其應用于某長引水工程大型水閘結構振動在線監測系統中。試驗和應用證明，該傳感器具有良好的防水、耐壓、抗腐蝕、耐高溫等性能。