南水水庫高水位運行狀態下泄洪洞出口弧形閘門原型觀測結果分析

丁高亮 柳振華 劉大偉

(水利部長春機械研究所,吉林 長春 130012)

1 引 言

南水水庫位于粵北乳源瑤族自治縣的北江支流南水河上,是一個以發電為主,兼顧防洪、灌溉效益的綜合利用樞紐工程,電站采用混合式開發方式,工程樞紐由擋水、引水、電站、泄洪等建筑物組成。電站于1970年4月建成投產。

電站原設計總裝機容量為75MW(3×25MW),經增容改造后總裝機容量為102MW(1×32.4MW+2×34.8MW)。水庫總庫容12.805億m3,為多年調節水庫。水庫正常蓄水位220.0m,設計洪水位222.5m,校核洪水位225.9m,死水位197.0m。原汛期限制水位220.0m,近些年實際運行調度汛限水位采用215.5m。

南水水庫泄洪洞是泄洪與人防放空兼用的深水有壓隧洞,也是水庫泄放洪水的唯一出口,與大壩建筑物同屬1級建筑物。泄洪洞全長695.0m;其中,進口結構及斜洞長62.0m,出口結構長30.0m,其余部分長603.0m,利用原施工導流洞改建而成。泄洪洞進口底檻高程為170.0m,進口設定輪堵水門(事故平板門),孔口尺寸為4m×8.76m。平洞高程為146.0m左右,原導流洞斷面尺寸分別為7m×9m和6m×7m,為方圓斷面,改襯為內徑5.4m圓形斷面的泄洪洞,泄洪洞出口接明管漸變段8.727m,安裝4.9m×4.9m弧形閘門控制流量。閘門后為明渠擴散挑流鼻坎,高程為153.0m,挑射角為45°,泄洪時將水流挑離出口。

南水水庫泄洪洞出口弧形閘門安裝于1967年,距今已運行逾50年。由于下游的洪水風險,出口弧形閘門應具有可靠的安全裕度。出口弧形閘門已運行50余年,且較長時間未經歷高水位考驗,原型觀測試驗前,出口弧形閘門已在汛限水位215.5m以上運行許久。因此,對南水水庫高水位運行條件下出口弧形閘門的安全狀況進行評價分析十分必要。

結合現場實際條件,本次泄洪洞出口弧形閘門原型觀測試驗的主要內容包括結構應力測試、動力特性測試、流激振動響應測試和啟閉力測試。結構應力測試的目的是掌握閘門主要受力構件在特定水位下的應力分布情況,判定其強度是否滿足要求;動力特性測試的目的是通過模態試驗分析,獲得閘門結構自身振動參數,包括自振頻率、阻尼系數和振型圖,驗證閘門在水流脈動壓力作用下,是否容易產生共振現象;流激振動響應測試的目的是得到閘門在不同開度下典型測點的振動加速度、振動位移、振動頻率變化規律,分析閘門在運行過程中是否發生共振現象;啟閉力測試的目的是獲得閘門在啟閉過程中的實時啟閉力變化曲線,復核啟閉力是否超過啟閉機額定容量[1-3]。

2 原型觀測試驗方法

2.1 結構應力測試方法

試驗前,對出口弧形閘門結構進行有限元計算分析。將三維Pro/E模型以step格式導入ANSYS進行計算分析。閘門仿真分析通過三維實體有限元模型實現,使用solid45單元體進行網格劃分,共劃分成59325個單元。結構尺寸按設計圖紙及實際測量取用。根據工作閘門運行狀況,按照《水利水電工程鋼閘門設計規范》(SL 74—2019)及《水利水電工程金屬結構報廢標準》(SL 226—98)的要求[4-5],對許用應力進行折減,折減系數取0.9。閘門材料為16Mn,新牌號為Q345,折減后的許用應力為202.5MPa(δ≤40mm)。計算時,取彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3。支鉸材料為ZG45,新牌號為ZG310.2-570,折減后的許用應力為121.5MPa(δ≤100mm)。有限元計算分析成果見圖1和圖2。

結構應力測試采用應變片電測法,該方法測量精度高、適用范圍廣,測試過程中,頻率響應快,機械滯后小,可實現遠距離無線傳輸,并可在惡劣的環境正常運行,適用于工程現場應力測試。應變片電測法采用的應變片尺寸小,重量輕,粘貼方便,對試件的工作狀態和應力分布影響小。水工金屬結構鋼閘門應力測試測點選擇應遵循以最少的測點達到足夠真實地反映結構受力狀態的原則。應力測點主要布置在面板、主橫梁、吊耳、縱梁、支臂、支鉸及可能的應力集中、突變部位。

由于泄洪洞出口弧形閘門梁格內設有混凝土配重,部分位置不滿足測點布置要求。現場共布置20個應力測點,其中閘門門葉6個測點,兩支臂14個測點。詳細測點布置見圖3。

圖2 閘門整體變形分布云圖

本次閘門結構靜應力試驗工況為:將泄洪洞出口弧形閘門打開,進口平面檢修閘門關閉,將水排空,使出口弧形閘門處于空載狀態,閘門落至底檻,儀器設備各測試通道平衡清零。然后,開啟泄洪洞閥門對洞內進行充水,當洞內全部充滿水時,進行靜應力測試,檢測時進口水位為215.5m。

圖3 閘門結構應力測點布置圖

2.2 動力特性測試方法

潘錦江[6]指出由于動水作用的不平穩引起的閘門振動,通常與閘門開度、門后淹沒水躍、止水漏水、閘門底緣型式等影響因素有關,以上均為閘門振動的外在因素。朱召泉等[7]指出雖然對引起閘門振動的外因有不同的解釋,但閘門的自振頻率是閘門振動的唯一內因。因此,分析研究出口弧形閘門的動力特性,找出結構自身振動頻率十分必要。本次采用人工錘擊激勵形式,給予閘門一定的載荷激勵,測量此時閘門結構振動加速度值,并利用識別算法,求解閘門的自振頻率、阻尼系數及基本振型等模態參數。測點布置充分遵循結構對稱性原則,共布置23個模態測點,其中,門葉上水流方向布置測點15個,支臂上垂直水流方向布置測點8個,具體測點布置見圖4。

圖4 閘門動態特性測點布置圖

2.3 閘門振動響應測試方法

閘門流激振動現象是一個十分復雜的水力學問題,目前對閘門振動響應測試分析的內容不外乎加速度、速度、位移、頻率等參數變化規律。嚴根華等[8]根據多年對閘門振動現象的研究發現,弧形閘門在小開度運行時,閘下水流出現淹沒水躍和臨界水躍,對閘門產生拍打作用,且微小開度的閘下出流也會出現射流不穩定現象,閘門結構的振動響應往往在小開度達到峰值。因此,本次主要分析出口弧形閘門在開啟至1000mm狀況下的振動響應情況。

振動響應測試共布置測點18個,其中,位移傳感器4個,加速度傳感器14個,詳細布置見圖5和表1。

2.4 啟閉力測試方法

由于泄洪閘出口弧形閘門、啟閉機已運行逾50年,了解高水位狀況下閘門實際啟閉力對其安全運行至關重要。原型觀測試驗啟閉力測試采用電阻應變測量法,通過在啟閉機動滑輪連接板上粘貼應變計,測得應變值,根據胡克定律,求得啟閉力,獲得啟閉力過程曲線。啟閉力測試共布置8個測點,左右吊點各布置4個測點,分布于滑輪連接板兩側,見圖6。

圖5 弧形閘門振動響應測點布置圖

表1 振動響應觀測試傳感器布置

圖6 啟閉力測試布點圖

3 原型觀測試驗成果分析

3.1 結構應力測試成果分析

通過有限元計算分析,得知閘門最大計算應力發生在門葉縱梁處。縱梁腹板最大計算應力為182.1MPa,縱梁翼板最大計算應力為162.6MPa,支臂最大計算應力為174.1MPa。門葉最大變形發生在面板兩側部位,計算值為5.82mm,支臂最大變形計算值為4.68mm。出口弧形閘門有限元計算結果見表2。

表2 出口弧形閘門有限元計算應力與變形

注L為對應結構梁的設計長度值。

現場結構應力測試發現,門葉最大實測應力發生在測點3,即在左起第二、下主梁往上第四梁格處縱梁翼板,測試值為96.46MPa,這與有限元計算最大應力部位相吻合。支臂最大實測應力發生在測點17,即在右支臂下臂柱與主梁連接處左側翼板,測試值為-136.17MPa,支臂上所有測點均承受壓應力,這與弧形閘門實際受力形式亦相符。靜態應力測試數據見表3,典型測點的應力曲線見圖7。

表3 泄洪洞弧形閘門靜應力檢測結果

對比發現結構應力測試值普遍低于有限元計算值,且均低于結構允許應力值,這一方面與門葉梁格內部混凝土配重剛性約束有關,另一方面是由弧形閘門制造、安裝偏差所致。

3.2 動態特性測試成果分析

一般水流脈動壓力的高能區頻率在10Hz以內[8-9],通過原型觀測模態試驗分析獲得對弧形閘門整體結構振動影響占主要成分的前五階模態,結果見表4,第1階振型圖見圖8。弧形閘門第一階自振頻率20.91Hz高于水流脈動頻率,不易發生共振現象。從第一階振型圖可以看出,閘門變形主要表現為門葉上部的彎曲變形和兩支臂靠近鉸座的切向變形,這符合閘門門葉梁格填充混凝土配重和兩支臂間亦采用斜撐連接的構造特征。

圖7 出口弧形閘門典型測點應力曲線

表4 出口弧形閘門前五階模態測試數據

圖8 出口弧形閘門第1階振型圖

3.3 振動響應測試成果分析

出口弧形閘門振動響應試驗表明,在開度為1000mm狀況下,閘門門葉振動表現為上部分的順水流方向振動,支臂振動表現為垂直水流的切向振動。丁鵬等[10]通過縝密的對比試驗,指出利用加速度數據在頻域范圍內進行二次積分求出的位移具有較高的可靠性。因此,通過對各測點數據積分得出,門葉最大位移發生在測點2,即上主梁腹板靠近右側處,最大振動位移為0.1671mm,支臂最大位移發生在測點3,即左支臂腹板靠近上主梁處,最大振動位移為0.1780mm。根據美國阿肯色河通航樞紐中心提出的水工鋼閘門振動強弱標準,當位移為0～0.0508mm時,振動可忽略不計;當位移為0.0508～0.2540mm時,振動為微小;當位移為0.2540～0.5080mm時,振動為中等;當位移大于0.5080mm時,振動為嚴重。可知出口弧形閘門在開度為1000mm狀況下各部位振動等級均屬于微小,對閘門安全運行未產生明顯影響。

3.4 啟閉力測試成果分析

出口弧形閘門由2×750kN固定卷揚式啟閉機負責啟閉,在閘門啟閉過程中,對左右兩滑輪連接板上的應變計數據進行采集,結合其截面積計算出左、右吊點最大啟門力分別為719.76kN、586.44kN,均小于啟閉機額定容量。從左右吊點啟閉力測試曲線可以看出,兩側最大啟門力均出現在閘門開啟初始階段。在啟閉過程中,兩側曲線均有波動現象,這是由于出口弧形閘門水封老化漏水所致。啟閉力過程曲線見圖9。

圖9 出口弧形閘門啟閉力測試過程曲線

4 結 論

通過對南水水庫高水位運行狀態下泄洪洞出口弧形閘門結構應力測試、動力特性測試、流激振動響應測試和啟閉力測試得知,閘門結構應力最大值為-136.17MPa,低于許用應力,結構強度滿足設計要求;第一階自振頻率20.91Hz高于水流脈動壓力高能區的10Hz,不易發生共振現象;最大振動位移發生在支臂腹板靠近上主梁處,為0.1780mm,屬于微小振動,對閘門安全運行未產生明顯影響;左、右吊點最大啟門力分別為719.76kN、586.44kN,均小于啟閉機額定容量。表明出口弧形閘門雖運行逾50年,且又處于高水位狀態下運行,仍具有可靠的安全裕度和較高的經濟價值。