大跨度桁架式平面閘門實時在線監測技術

祝 勝，方超群，耿紅磊，胡 錕，王 佩，王孟雪

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044；3.鄭州國水機械設計研究所有限公司，河南 鄭州 450044)

0 前言

閘門及啟閉機是水利水電工程的重要設備和設施，其運行安全對防汛、防洪、航運及水資源調配起著十分重要的作用，事關人民生命和財產安全[1]。據統計，在病險水庫大壩和水電站的不安全問題中，水工金屬結構的問題占比達40%，在病險水閘中占比更高達76.7%[2]。為保障水利水電工程的安全運行，根據相關法規和行業管理規定，應定期對閘門及啟閉機進行安全檢測工作[3]。

現階段，行業目前主要靠傳統人工日常巡檢、定期安全檢測和專項安全評估進行設備的安全維護，這些常規手段對保障設備安全運行起了很大的作用，但也難以發現和監測到設備運行過程中的動態風險，可能會發生微小故障隨運行工況、水情條件變化不斷匯聚成重大安全隱患的情況，直接影響著整個工程的安全[4-5]。

因此對閘門及啟閉機設備實施實時在線監測，對保障設備安全穩定運行，推動設備智慧運維技術的發展，提升工程整體數字化管控及智能化維護水平具有重要意義。

1 工程概況

姚江上游西分工程瑤街弄調控樞紐采用“三閘聯建”方案進行布置，擋洪閘位于河道正中間，南側布置削峰調控閘，北側布置應急船閘。瑤街弄擋洪閘凈寬為45m，削峰調控閘凈寬為15m，應急船閘凈寬為12m。

瑤街弄擋洪閘主要功能是在汛期下閘擋洪，平時常開且具有通航功能，擋洪閘閘室凈寬45.0m，孔口寬度45.30m，底檻高程-3.67m，設置工作閘門1扇。擋洪閘為露頂式平面滑動鋼閘門，門葉為桁架式結構，閘門面板、水平梁系結構及縱向聯結系等桁架結構材質為Q345B，閘門設置3榀水平主桁架，水平主桁架間距3.2m，主要弦桿截面為焊接組合結構。閘門擋水狀態下總水壓力2472.5kN，單扇閘門結構連同浮雕重量約為340t。瑤街弄擋洪閘閘門支撐跨度為45.8m，吊點間距45.0m，如此跨度及規模的提升式桁架平板門國內同類工程中尚屬首次設計、制造安裝及運行。為確保工程的安全和可靠性，對閘門進行實時在線監測是非常必要的。

2 實時在線監測系統

2.1 系統組成

實時在線監測系統由數據采集裝置(應力傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、激光位移傳感器)、數據傳輸網絡、數據處理裝置(服務器)和數據可視化大屏組成。如圖1所示。

圖1 實時在線監測系統

2.2 監測內容

(1)結構強度監測：對閘門的水平主桁架、面板、吊耳等主要構件布置應力傳感器進行結構強度監測。

(2)結構剛度監測：由于閘門跨度較大，對閘門的主桁架構件布置激光傳感器監測閘門運行過程中撓度變化。

(3)運動穩定性監測：對閘門布置傾角傳感器對閘門運動穩定性進行監測，實時掌握閘門鎖定及運行狀態下的穩定性情況。

(4)流激振動監測：對閘門的水平主桁架腹桿等主要構件布置加速度傳感器進行振動監測。

(5)啟閉力監測：對閘門啟閉力進行監測，實時掌握閘門起吊過程中的最大啟門力和雙吊點的平衡，在閘門啟閉機動滑輪吊板上布置應力傳感器進行啟閉力監測[6]。

2.3 有限元分析

用ANSYS程序對閘門結構進行計算分析：建立計算模型時將閘門離散為板、梁單元，閘門面板、邊柱腹板、邊柱上下翼緣、水平主桁架的上下翼緣、小梁腹板、小梁上下翼緣、吊耳板及桁架節點板等采用SHELL181單元，桁架腹桿采用BEAM188單元。在空間直角坐標系下對閘門進行計算，坐標原點設置在閘門面板底部的左端處，X軸沿主梁方向向右(垂直水流方向)，Y軸向上，Z軸指向上游。

2.3.1全關擋水工況計算

閘門擋水工況下，門槽對閘門滑塊形成Z方向(水流反向)約束，門槽對閘門邊柱X方向(垂直水流方向)進行約束，底檻約束閘門底部Y方向位移。工況組合為上游水位3.7m，下游水位2.9m，再加上浪壓力。如圖2—3所示。

圖2 全關擋水工況閘門整體應力/MPa

圖3 全關擋水工況閘門水平主桁架腹桿應力/MPa

由圖2—3可知，在全關擋水工況下，閘門最大Mises應力發生在閘門水平主桁架翼緣中部，為53.1MPa。水平主桁架腹桿的最大應力發生在邊柱腹板附近，分別為47.7MPa、44.8MPa。

2.3.2起吊工況計算

閘門起吊工況下，門槽對閘門滑塊形成Z方向(水流反向)約束，門槽對閘門邊柱X方向(垂直水流方向)進行約束，邊柱底部受Y方向約束。閘門荷載為自重+上下游最大水位差0.3m+吊點施加的啟門力。如圖4—6所示。

圖4 起吊工況閘門豎向變形/mm

圖5 起吊工況閘門整體應力/MPa

圖6 起吊工況閘門水平主桁架腹桿應力/MPa

由圖4—6可知，在起吊工況下，閘門豎向的最大變形發生在閘門水平主桁架跨度中部，為7.1mm；閘門最大Mises應力發生在閘門吊耳板上，為55.8MPa；閘門翼板最大Mises應力發生在閘門底端水平主桁架翼緣與邊柱翼緣相交處，為34.1MPa；水平主桁架腹桿的最大應力發生在邊柱腹板附近，分別為15.3MPa、18.3MPa。

2.3.3鎖定工況計算

閘門鎖定工況下，門槽對閘門滑塊形成Z方向約束(水流反向)，門槽對閘門X方向(垂直水流方向)進行約束，邊柱鎖定部位受Y方向約束。閘門荷載為自重+0.6kN/m2的風壓力(百年一遇)。如圖7—9所示。

圖7 鎖定工況閘門豎向變形/mm

圖8 鎖定工況閘門整體應力/MPa

圖9 鎖定工況閘門水平主桁架腹桿應力/MPa

由圖7—9可知，在鎖定工況下，閘門最大變形發生在閘門水平主桁架翼板跨度中部，為8.1mm；閘門最大Mises應力發生在閘門下水平主桁架翼板與邊柱翼板相交處，為42.1MPa；水平主桁架腹桿的最大應力發生在邊柱腹板附近，分別為7.1MPa、10.9MPa。

2.4 測點布置

根據閘門空間結構有限元分析結果，結合閘門主要構件的危險截面分布情況，各傳感器測點布置方案見表1。

表1 傳感器測點布置方案

3 監測數據分析

擋洪閘工作閘門門體尺寸為47.06m×8.30m(寬×高)，設計工況組合為上游水位3.70m、對應下游水位2.90m。以擋洪閘工作閘門鎖定位置-全關-鎖定位置整個啟閉試驗過程數據為數據源，進行監測數據分析，試驗時上游水位1.44m，下游水位1.41m。

由于試驗時水位較低且無較大的風浪載荷影響，閘門振動及傾斜情況不明顯，監測數據中振動傳感器最大位移為0.03mm，傾角傳感器最大傾角為0.2°，振動及傾角的數值都較小且變化不大。選取主梁撓度激光測點和部分應力較大測點的監測數據進行分析并與有限元計算結果進行對比。

3.1 主梁撓度監測數據分析

表2為鎖定工況和起吊工況下的主梁撓度監測數據和有限元數據。從表中可以看出，主梁撓度變形符合設計要求且和有限元計算結果基本吻合。

表2 主梁撓度監測數據

3.2 應力監測數據分析

表3為鎖定工況和起吊工況下的部分應力測點監測數據和有限元數據，應力監測在閘門鎖定狀態下取應力零位。可以看出，在全關擋水工況下，4個測點應力監測數據明顯小于有限元計算結果，這是由于試驗狀態下水位較低，水壓力及浪壓力明顯小于有限元計算施加的荷載，各測點應力變化趨勢與有限元計算結果相一致。在起吊狀態下，各測點應力值均較小，且與有限元計算結果基本吻合。

表3 應力監測數據

3.3 啟閉力監測數據分析

測點7為啟閉力監測測點，在起吊狀態下測點7監測數據為27.70MPa，測點處截面積尺寸為600mm×50mm，閘門為雙吊點，換算[6]得到啟閉力為3324kN，結果也與閘門門重約340t的數據基本吻合。

4 結論

文章利用有限元計算結果，針對閘門受力及變形情況，合理布置閘門實時監測測點。同時通過對閘門啟閉試驗監測數據與有限元計算結果進行對比分析，結果表明監測數據合理有效。監測結果也與有限元計算結果相互印證，進一步表明有限元分析中模型網格的劃分和約束載荷的施加科學合理，增加了結果的可信度。但是閘門在整個監測過程中水頭較低且無風浪影響，因此在后續運行中應重點關注高水頭或臺風等極端天氣下的閘門運行狀態和監測數據。